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AlexYoung

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【科普】冷中子和超冷中子(cold neutron and ultra-cold neutron)  

2011-08-03 13:15:50|  分类: 科普常识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、中子按能量的分类

    用温度作低能区中子能量范围划分的一种习惯说法。在媒质中,中子通过同原子核等粒子的碰撞,达到热平衡时,其能谱服从温度接近于媒质温度的麦克斯韦分布。因此,中子的能量也可以用温度来表示。如,室温(293.6K)热中子的最可几能量为0.0253eV。一般把能量低于 5×10^-3 eV的中子叫做“冷中子”。其中可继续进行细分:能量在10^-4 eV(对应温度约1K)~10^-7 eV(约0.001K)的中子叫做甚冷中子;能量小于10^-7 eV的中子叫做超冷中子。在一般的裂变反应堆中,冷中子占的份额不超过2%。

    另外,根据南京大学刘圣康老师所著的《中子物理》一书所述:

    一般中子源发射的中子是快中子,快中子经减速而成慢中子。能量降低到与减速剂分子热运动能量相等时的中子叫做热中子。当中子温度低于液氮温度(相当于中子能量0.005eV)时的中子叫做冷中子。各个能组还可以细分,有时分界的能量有明确的意义,例如,镉的热中子吸收截面特别大,基本上能吸收掉能量在0.5eV一下的中子,所以定义0.5eV为切镉能。但有时分界就很不明确,例如共振中子,由于不同核素具有不同的共振能区,所以,我们就无法确定其普适的能区。为了叙述方面,本书按一下能组进行分类:

    (1)En>10^5eV(0.5MeV)能区的中子统称为快中子;

    (2)10^5eV > En > 0.5eV能区的中子统称慢中子(中能中子)。有时慢中子包括热中子。其中,En在共振区时称为共振中子,大于0.5eV的叫超热中子(镉上中子);

    (3)En约等于0.0253eV的中子叫热中子;

    (4)En < 0.005eV的中子统称为冷中子。其中,可细分为甚冷中子(En < 10^-4 eV)和超冷中子(En < 10^-7 eV)。

二、冷中子和超冷中子的用途
    早在1947年,Erico Fermi等就利用氧化铍晶体过滤反应堆中子的方法来获得冷中子。60年代以后,随着高通量反应堆的建立及有关技术的进步,甚冷中子和超冷中子的研究及其可能的应用受到了较大的注意。
    冷中子能量低,其波动特性比热中子更明显。 5×10-3eV的中子德布罗意波波长约为0.4nm,10-4eV的中子波长约为2.9nm,10-7eV的中子波长约为90.4nm。冷中子的衍射特性用于线度同其波长相近的微观和亚微观结构研究上。例如冷中子小角散射可研究晶体缺陷和磁畴结构。除了凝聚态物理外,在化学和生物学上冷中子也是有用的工具。
    目前冷中子装置大多建立在反应堆上。常常用一个放在反应堆活性区或反射层的“冷源”(充满液氢的容器)来获得较多的冷中子,然后用导管把它们从反应堆内引到较远的地方进行实验。冷中子波在一些媒质分界面上掠入射时具有全反射的特性,其临界角同中子能量及媒质成分有关。因此可以用一种弯曲度不太大的管子(称为中子导管)把它们传输到几十米远处而很少损失。冷中子的探测方法与热中子大体相同。
    超冷中子在某些媒质分界面上,即使垂直入射也具有全反射特性(即临界角达到90°),因此可以被贮存在特制的容器中(称为中子瓶)。中子瓶的实验装置已被初步研制成功,但贮存时间还小于预期值,其原因可能主要是容器内表面微量杂质的影响。超冷中子的速度小于4m/s,可以利用重力场和机械装置改变其能量。超冷中子还可以用磁场进行聚焦、加速或减速,因而也可被贮存在磁场中(磁中子贮存环),其优点是不受器壁的影响。
    利用超冷中子及其贮存特性,有可能进行某些独特的精密实验。例如测定中子半衰期、测定中子电偶极矩以及检验电荷—宇称—时间 (CPT)守恒律的破坏问题等。

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