中子发生器及放射性核素中子源

中子为不带电粒子。以某种方式使中子从原子核内释放，从而产生单个自由中子的装置称为中子源。中子源主要有辐射（放射性核素）中子源、反应堆中子源和加速器中子源。中子发生器是一种最简单的加速器中子源，它具有体积小、产额高、可控性好、投资少、操作简单和移动方便等优点。
中子发生器 在加速器上产生中子的核反应，常用的有T(d,n)⁴He、D(d,n) ³He、⁹Be(d,n)¹⁰B、⁷Li(d,n)⁸Be和T(p,n)²He等，中子发生器主要用上述第一种反应。它产生能量约为14MeV的中子。其基本原理是： 从离子源引出的氘离子束，经高电压加速，在静电场中获得适当能量，轰击氚靶，引起T(d,n)⁴He反应，释放能量为17.6MeV，此能量和入射氘核的动能一起转化为中子和氦核的动能。但入射氘核能量通常<400keV，故中子动能主要由核反应释放的能量提供，一般为近似14MeV的单一能量。
中子发生器的种类 随着中子发生器在各领域的广泛应用，制造发生器的技术也得到迅速发展，因此种类繁多，各有特点。14MeV T(d,n)4He反应中子发生器分为抽气式（真空泵式）和密封管（中子管）式两大类。后者离子源和靶密封在真空管中，使用时气压为10^-2～10^-4m^mHg，产额大多数在10⁹～10¹⁰n/s范围，使用寿命一般为100～500小时，管子尺寸可以做得相当小。抽气式中子发生器的尺寸较大，产额较高，大多数在10¹¹～10¹²n/s范围，高的可达10¹³n/s数量级，离子源和靶可以更换。
中子发生器的组成 无论何种类型的中子发生器都是由高压、离子源和靶组成。加速电压是影响产额的重要因素之一，考虑到靶对入射氘核的能耗，加速电压数值应高于107kV。井下使用的中子发生器由于空间局限，常采用120kV左右。地面使用的高压一般采用200～400kV。
离子源使氘或其他中性气态分子（或原子）转变为带正电荷的离子。常见类型有低压放电、热阴极、冷阴极、高频和双等离子体离子源。使用最普遍的为高频离子源和冷阴极离子源（多系中子管采用）。
氚靶是中子发生器常用的靶，它由金属氚化物薄膜和金属衬底组成。金属氚化物以钛、锆为载体者分别称氚-钛靶、氚-锆靶。它们有好的化学稳定性，暴露在大气中不与氧、氮等发生化学反应。铒、钪、镨、钕作载体的靶，在大气中不稳定，容易氧化使氚逸出，不用时应存于真空或惰性气体中。但以这些稀土金属为载体的靶允许有较高的限制使用温度(氚-钛靶200℃，氚-钪靶300℃，氚铒和氚-镨靶可达400℃)。
也可用气体靶。即用真空泵使氚气在一特定的空间内保持恒定的密度，这样可以维持高产额和“无限”延长寿命。但对氚的循环密封应有严格的措施，显然在制造技术上要复杂一些。
中子产额是中子发生器的主要指标之一。实验室中，常规监测用金硅面垒型半导体探测器直接测T(d,n)4He反应中的α粒子，测量一个α粒子相应—个中子，是初级标准，精度高。若精度要求不高，则用BF₂正比计数管、有机闪烁体或活化片法等进行监测。
设置中子发生器的同时，必须考虑中子射线的屏蔽。为把产额为10¹¹n/s(中子能量14MeV)的中子源在操作台处的剂量降低到允许剂量以下，操作台到中子源之间需设屏蔽体，如用混凝土材料，厚度需1.5m左右。目前以中子发生器为中子源的中子治疗机，一般装在一个带有准直器的防护套内。准直器采用的几何形状及使用的材料各有所异，而屏蔽套则一般采用球状，内层用铁，外层用石蜡或其他含氢材料、含硼化合物，防护套的厚度限制在50cm左右。中子经过50cm的这种复合防护套后，其密度减少到原来的1%水平。氚能从靶中逸出，尤其是温度升高以后逃逸速度更大，故需注意对氚气的防护。中子发生器在医学上的应用 主要有：
❶进行快中子活化分析(见“活化分析”条);
❷生产放射性核素。利用中子发生器易于搬迁的优点，对短寿命核素能够现场生产使用，例如²⁴Na、³²P、³⁸Cl、⁵⁶Mn、⁸⁰Br、¹²⁸I等；
❸中子照相。在医疗诊断中，作为X线照相的补充，中子照相可以解决X线照相难于解决的问题； 它对含氢组织特别灵敏，故可使含氢软组织的照相显得更清楚；
❹中子治癌。一般认为快中子具有较强的穿透能力及其他一些优点，对深部肿瘤的治疗较X线、γ线和电子束的效果好。有人将快中子慢化，在癌组织中载入¹⁰B，利用¹⁰B(n,α)7Li反应，产生大量α和Li核来破坏癌细胞，有可能其效果更好。
放射性核素中子源 可分为两大类。一类是利用重元素核自发裂变所产生的中子，常用的有²⁵²Cf中子源。另一类是利用放射性核素产生的α粒子或γ线轰击靶产生中子，分别称(α,n)反应中子源和(γ,n)反应中子源。(α,n)反应中子源是将发射α粒子的核素与靶(轻元素，最常用的是铍)均匀混合成一体或制成化合物，再加包壳制成。常用的有²¹⁰Po-Be、²²⁶Ra-Be、²⁴¹Am-Be等。这类中子源的能量大多为几个MeV。(γ,n)反应中子源又称光中子源，是将发射光子的核素与靶(如铍、氘)紧密混合制成。常用的有²⁴⁴Na-Be、²⁴Na-D₂O、¹²⁴Sb-Be等。这类中子源的能量大多为几十至几百keV。
放射性核素中子源使用方便，但产生的中子流强度远较反应堆中子源和中子发生器为低(²⁵²Cf中子源可做到109n/s以上，其余中子源很少超过108n/s)。此外，这类中子源产生的中子大多数的能谱较复杂，γ线本底高，也是其缺点。其用途基本上与中子发生器相同。