中子计

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第257页（3175字）

根据中子与物质的散射和吸收作用而设计的一类检测仪表的总称。

通常限于“中子－中子”法，即用同位素中子源发射中子和中子探测器探测中子。中子计的应用研究开始于测量水分，目前已发展到测量料位、特定元素含量、含氢指数和比表面积等。

该检测计已在工农业生产和科研方面得到应用。根据作用原理的不同，中子计分为插入型、表面型、透射型和散射型等；根据使用场合不同，中子计又分为手提式、移动式和固定式等。

1932年恰德维克(J．Chadwick)发现中子后，中子物理及其应用的研究发展很快。在这种背景下，出现了对中子计的研究工作。

1952年加德纳(W．Cardner)等利用费米(E．Fermi)中子年龄理论研究了插入型中子计和中子计探头。当时研究的目的是准对检测土壤水分的。

中子源发射的快中子在土壤中被慢化，热中子探测器记录的热中子数与土壤水分的大小有关，因此插入型中子计可以测量水分。

1956年范贝维尔(C．H．M．Van Bavel)等研究指出：中子法测量土壤水分时存在一个影响球，中子计只能测量这个影响球体积范围内土壤的水分。同年，荷尔梅斯J．W．Halmes)研究了插入型中子计测量土壤水分的标定方法和现场应用方法。

20世纪60年代对插入型中子计的研究更加深入。

1965年费尔加德(P．L．Φlaard)详尽地研究了插入型中子计测量土壤水分的方法理论，利用3组扩散理论对典型的丹麦土壤水分响应进行了计算。研究表明：探头内中子源与探测器的相对位置对探测效率和灵敏度来说是矛盾的，设计时应采取最佳位置。

关于测量土壤的体积问题，他指出范贝维尔的概念是错误的，提出了重要球的新概念。因为探测器记录的热中子是快中子与无限大土壤作用的结果，在不同精度时存在不同的重要球半径。1966年国际原子能机构(IAEA)在维也纳举行了中子水分计顾问会议，讨论了中子土壤水分计的术语定义问题。1970年总结各国的研究成果，出版了一本关于中子水分计的理论和实践的指导书。

这时，关于插入型中子水分计的方法原理研究已经成熟；手提式插入型中子水分计已在农业和建筑方面应用，固定式插入型中子水分计开始在钢铁工业应用。

70～80年代，中子计在多方面发展。

插入型中子计除在测土壤水分方面扩大应用外，还被用于其它领域。1975年亚马麻土(J．Yamamoto)等将它与硼示踪技术相结合，在单井中测量地下水的流速、流向。1979年南京大学刘圣康等在研究插入型中子计测烧结料水分的测量球半径时，发现中子计的响应对含氢材料的料位很敏感。当被测物料的含氢量为常数时，可以当作料位计使用。

1983年马休(P．J．Mathew)等利用插入型中子计测煤的料位(但对于缺氢的石英砂，中子测料位不灵敏)。他们在热中子探测器外包了一层聚乙烯，使被砂散射返回的快中子被慢化，因而使热中子探测器有响应。1983年刘圣康等还研究了含水物质内的超热中子空间分布，为研制插入型超热中子水分计提供了理论依据。

早在1966年加德纳(R．P．Gardner)等利用双组中子扩散理论研究过表面型中子水分计。

同年，革米尔(Gemmell)等利用多组理论进行了研究。1969年列波尔特(W．J．Lippold)等用蒙特卡罗(Monte Calo)法进行了研究。1975年杜(W．L．Dunn)等利用3组扩散理论对3种不同形式探测器进行了研究。他们的研究表明：在土壤表面的中子源向土壤发射快中子，被土壤慢化后部分热中子返回到在土壤表面的探测器中，被记录的热中子数与土壤水分有关，因此，表面型中子计可以测量表层的土壤水分。

1966年已开始用表面型中子计测表层土壤水分，用γ射线测土壤密度。

1990年湖南省交通科研所朱怀安等，研制了手提式和移动式表面型水分密度计。1975年孟恰(A．RD．Monchy)等研究了表面型中子界面计，并首次用于测量丙烷脱沥青分离器内泡沫和液体的界面。1981年差尔顿(J．S．Charlton)等将表面型中子计作为含氢材料的料位计。

1978年亚马麻土等将表面型中子计用于测量油桶底板与地基间的间隙。

透射型中子计的原理是基于中子束通过物质时会被衰减。

1970年哥布纳夫(V．Gorbunov)等研究了快中子透射探伤。

1973年皮尔斯(T．B．Pierce)研究了用热中子透射计测量盘形金属板内硼、锂及氢元素的含量。

1975年审克拉尔(K．F．Sinclar)研制了热中子透射扫描计，用于探测材料内部缺陷。1976年海尔夫(S．Helf)研究了利用快中子透射减速原理检测食品水分。1978年卫达(N．Wada)研究了同轴型中子透射装置(氢分析器)，用于测量重水中的轻水含量。1983年富永洋(T．Higashi)等研究了快中子透射计，利用Cf－252中子源发射的中子和γ射线同时透射测量焦炭的水分和密度，获得经密度修正的水分值。

1980年开始，刘圣康等详尽地研究了热中子透射计及其应用。用3组扩散理论和实验研究了慢化体内的中子通量密度分布和镉比分布，获得热中子束引出的最佳设计。1980年首次用热中子透射计测量小样品水分；1981年用于测量石油岩样的含氢指数；1983年用于测定磁性材料Ba_1－xGd_xFe_12－xZn_xO₁₉和Ba_1－xGd_xFe₁₂O₁₉中的含钆量；1985年用于测量磁粉γ－Fe₂O₃的含氢量；1988年用于研究测量钢板厚度；1989年用于研究测量水泥的比表面积。另外，1985年刘圣康研究了热中子－γ射线透射检测，其装置利用锂玻璃对中子和γ射线都有响应的特点，解决了用一个探头同时检测样品的水分和密度，从而得到精密修正的水分值。

散射型中子计的原理是基于中子进入物质后会被散射。1980年刘圣康等研究了热中子散射计，也已用于测样品水分；1983年还研究了测量水分的非线性问题。

原则上，散射型中子计适用于测中子散射截面大的元素，这方面的应用尚待开发。

20世纪内的研究热点：(1)研究新的中子检测方法，开发新类型的中子计，以解决工业自动化生产中的一些检测难题；(2)仪表集成化和微机化；(3)现有中子计继续推广应用。

。【参考文献】：

1 Gardner W,et al. Soil Sci,1952,72:391

2 Lgaard PL. 1965,97

3 IAEA,Tech Report,1970,112

4 Reynolds G M. Americal society for testing and materials, 1976:58

5 Higashi T. Radioisotopos,1979,28(2):116

6 刘圣康．核技术，1989，12(8)∶546～548

7 刘圣康．中子水分计．北京：原子能出版社，1992

(南京大学刘圣康教授撰)