资本主义炸弹

尹瑞涛

中子的能量划分

中子根据其能量的不同可划分为：快中子（0.1MeV～500MeV）、中能中子（100eV～0.1MeV）、慢中子（E<100eV）和热中子（一般为0.025eV）等。中子弹的杀伤作用主要靠快中子，因此对中子弹的防护主要是对快中子的防护。快中子与物质原子核相互作用有以下几种情况：①中子与物质原子核的非弹性散射，此时中子和原子核发生能量交换，中子失去能量，原子核得到能量而被激发，受激发的原子核恢复到原来状态时以y射线放出能量;②中子与物质原子核发生弹性散射，中子损失的能量等于原子核得到的能量，这样一系列弹性散射持续下去，直到中子能量降低到与原子核能量平衡为止，此时中子和物质原子核处于热运动状态，处于热运动状态的中子就是热中子;③物质原子核将中子吸收，变成了另外一种物质原子核，这种物质原子核或者放出下射线，或者放出带电粒子，或者发生裂变又成了另一种新的原子核，新的原子核可能再次放出γ射线。

对于快中子而言，弹性散射是主要的相互作用。在中子能量大于0.5MeV时，非弹性散射开始产生。在非弹性散射碰撞过程中，中子使核处于激发态，并且在损失能量的同时又从核中脱落。受激核经常以发射γ射线的方式释放出多余的能量而回到基态。要产生非弹性散射过程，中子必须提供核的激发能（核的第一激发能越低，越容易发生非弹性散射。重核的第一激发能约为100keV，轻核的第一激发能约为几百兆电子伏，快中子与重核比轻核更容易发生非弹性散射）。接近快中子能量上限时，非弹性散射和核反应发生的机会就逐渐像弹性散射一样多。快中子减速成为能量较低的中子的过程称为中子的慢化。中子一般只有被慢化后才能有效地被物质吸收。对于中能中子，弹性散射过程仍然占优势，在这一能量范围，共振吸收出现，即中子的能量等于吸收物质原子核的某一能级时，吸收概率大大增加。热中子的主要过程是俘获，在这个过程中，中子成为吸收核的一部分，由此形成的复合核必须释放出多余的能量，通常是发射γ射线。这种过程称为辐射俘获，或称为（n，γ）反应。一般地，中子能量由高到低，将发生核反应、非弹性散射、弹性散射、（n，γ）俘获。

中子的屏蔽

对中子的屏蔽分为慢化和吸收两步。

屏蔽快中子的原理是将高能中子慢化到热能或接近热能，然后再俘获吸收。

在中子屏蔽层中，常常掺入重元素与轻元素组成交替屏蔽。轻元素（特别是氢）是良好的快中子减速剂，其中重元素具有吸收γ射线和使较高能量的中子减速（中子与重元素的物质发生非弹性碰撞损失能量较大）的双重作用。通常先用重物质（如铁、铅）通过非弹性散射将快中子慢化到低能种子，再用含氢材料（如聚乙烯、石蜡）通过非弹性散射将中子进一步慢化到热中子，最后用吸收截面很高的材料（如硼、镉）吸收热中子，同时注意对y射线的屏蔽。

混凝土是一种有效的屏蔽材料，因为它含有水的成分，同时又有高密度物质，对于减速后的中子，能与各种物质发生俘获反应;但并不是任何物质都适宜用来吸收热中子的，因为许多物质吸收热中子后，常伴有高能的γ辐射。镉可作为热中子吸收剂，镉的俘获截面很大，但镉放出的γ射线的能量较高为9.05MeV。硼和锂作为中子的减速剂和吸收剂，则更理想，虽然硼吸收热中子后還伴有γ辐射，但其能量很低为0.478MeV，易于屏蔽。

快中子与质子的作用

快中子非弹性散射示意图

运动的小球撞击静止的小球b，此后两球交换速度，中子与氢原子核的碰撞与此类似，中子碰撞后几乎停止

硼酸聚乙烯，广泛应用于医疗上的中子屏蔽

核反应堆浇筑混凝土

碳化硼可以吸收大量的中子而不会形成任何放射性同位素

常用的中子屏蔽材料

水。水中含有大量的低原子量元素氢和氧，所以是一种非常好的中子慢化剂。氢的热中子俘获截面为332mb，氢的俘获γ辐射能量最低，只有2.2MeV。在屏蔽体中为慢化快中子而含有的氢常足以捕获屏蔽材料中存在的热中子。由于水缺乏结构性能，故很少单独应用，但可把它灌注在水门、水箱屏蔽体里，此时必须注意避免容器破裂，导致水的泄露而酿成事故。

混凝土。普通混凝土的密度为2300千克/立方米，它是多种材料的混合物，组成成分不固定，具有良好的结构性能，是一种较好的建筑材料，多用作固定的屏蔽体。在核科学与工程中，混凝土广泛用作辐射屏蔽材料。它既含有轻元素（氢），也含有较重元素和一定量的水分，所以，它对中子和γ射线都有较好的屏蔽作用。混凝土分为普通混凝土和重混凝土，在需要提高混凝土的屏蔽能力时，可以在混凝土中加重材料组分（如重晶石、铸铁块、钢珠、铅等）以制成密度较大的重混凝土。由于加入了重材料，中混凝土的密度比普通混凝土的密度大得多，添加了铁的混凝土密度最高达到5900千克/立方米，添加了铅的混凝土密度最高达到8900千克/立方米。所以，它的应用是很广泛的。但要注意，混凝土长期使用会失水，从而降低了它对中子的防护性能。

石蜡。含有大量氢，价格便宜，容易成型，是很好的中子慢化剂。但是，气温高时易软化，气温低时，大块石蜡容易收缩、干裂，因之，结构性能较差;它还怕火，易燃，对γ射线的防护性能很差，所以，往往和其它屏蔽材料配合使用。

聚乙烯。含氢丰富，是较好的中子防护材料。它易于加工成型。但是在温度高于100℃时，容易软化，易燃。常和其它结构材料配合使用。

泥土。含水也较多，是一种廉价材料，为充分利用它的防护性能，有时就将一些中子发生装置建造在地下或半地下室。

锂和硼。作为慢中子的吸收体，除了要求吸收截面大以外，还要它们在俘获中子后不放出贯穿性的次级佰γ射线，这样易于防护。为此，中子屏蔽中常会用到锂和硼，它们的热中子吸收截面分别为940b和3837b左右。锂俘获中子后放出的y辐射很少，可以忽略不计;硼虽在95%的俘获事件中放出0.47MeV的y辐射，但较易屏蔽。

防中子辐射材料的原理

防中子辐射材料设计原理是：首先利用重核元素与快中子发生非弹性碰撞，使高能快中子降低为低能快中子或中能中子，然后用氢核元素与低能快中子或中能快中子发生弹性碰撞，使这两种中子降为热中子，最后采用吸收截面大的某些元素吸收热中子，并采用重核元素吸收某些元素吸收中子或发生非弹性碰撞产生二次γ射线。

中子与原子核做完全弹性碰撞损失的动能

中子与原子核做完全弹性碰撞的速度

核反应堆中使用了混凝土以吸收辐射

防中子辐射材料主要含有3种组分，即高含氢量材料，重核元素材料和热中子吸收材料，根据中子与氢核相互弹性碰撞，其能量损失最大原理，应该选用有机高分子材料，该材料含氢量高，密度小，重量轻，易于大量生产，是优良的防中子基体材料，高能量快中子经过弹性碰撞和非弹性碰撞后慢化成热中子，在基体材料中，添加一定数量的热中子吸收剂以便有效的屏蔽热中子，重核元素的主要作用是吸收γ射线，材料相对密度高，对γ射线的屏蔽效果好。

由于中子弹主要是通过强中子辐射杀伤有生力量，所以防御中子弹主要是对中子辐射的防护。防护中子辐射最有效的办法是远离辐射源，对于中子弹来说，就是设法尽可能远离中子弹爆炸点。这一点办不到时就要借助于中子屏蔽了。对于快中子的屏蔽，可以归结为快中子的慢化和慢中子的吸收。快中子的慢化主要依靠与原子核的弹性散射，慢化能力最强的是氢。其物理原理为：被碰撞的原子的原子量越小，中子碰撞后的能量也越小，由于氢原子量为1，与中子非常接近，所以快中子和氢原子核碰撞时将几乎失去全部能量，这种情况类似于一颗运动的台球击打一颗静止的台球，当两颗台球碰撞后将交换速度。中子和碳原子核碰撞时将失去28%的能量，与铍碰撞时将失去36%的能量，与铁碰撞时将失去17%的能量，这种情况类似于用乒乓球击打一颗保龄球，乒乓球会弹出，速度也降低不了多少，但保龄球几乎纹丝不动。可见轻元素可以有效地使快中子慢化，而重核却不能，但与此同时也产生很强的γ射线，而轻元素对γ射线的防护能力很差。所以对中子的防护不仅要用轻元素，而且要用重元素，将轻、重元素交替排列组成复合材料层。水、塑料和石蜡含氢多，价廉易得，效果也好，是常用的材料。

1）。通常把使核辐射注量减弱一半的物质层厚度叫做半衰减厚度d。如取土壤的d=12厘米，则得到使注量衰减3个量级所需的防护层厚度为120厘米。如原来的吸收剂量为80Gy，衰减了3个量级后就只有0.08Gy。但对坦克的防护要困难得多，因为高能中子穿过装甲时减弱较少（钢的半衰减厚度d～12厘米），而且中子被装甲吸收后感生的γ射线同样会造成辐照损伤，何况过多的附加重量还会影响坦克的作战性能。一般用钢与轻材料多层组合可达到较好防护效果。

如果中子能量很高（10MeV以上），最好先用一层铁，然后再用含氢材料，以减小防护层的总厚度。慢中子吸收剂，要求中子吸收截面大，还要求它们在俘获中子后放出的γ射线能量低，易于防护。最能满足这一要求的材料是锂和硼。

通常可以使用价格较低的硼酸或硼砂。碳化硼含硼量高，碳酸锂γ产额低，是更好的材料，但是价格高。必须注意，中子穿過物质层时总要诱发大量的γ射线，所以防护中子时必须同时考虑对γ射线的防护。中子屏蔽一般分4层，外层是钢铁，用来慢化很快的中子;其次是含氢材料，用来慢化快中子;第三层是含硼和（或）含镉材料，用来吸收慢中子;内层是重元素材料如铅，用来防护γ射线。

[编辑/何懿]