Пробег (проникающая способность) быстрых нейтронов

Нейтрон не взаимодействует с электронами. Так как поперечное сечение ядер в миллионы раз меньше сечения атомов, пробег (проникающая способность) нейтронов значительно больше соответствующих характеристик заряженных частиц, передающих свою энергию прежде всего электронам облучаемой среды. Длину l пробега быстрого нейтрона до соударения можно оценить по формуле l = 2,8 E_n^½, где l выражена в см, энергия E_n – МэВ. Высокую проникающую способность нейтронов характеризуют приведенные ниже (см. табл. 3.7) значения длины замедления L _s

Упругое рассеяние и диффузия тепловых нейтронов

После замедления нейтроны, в отличие от заряженных частиц, еще долго перемещаются в веществе. Наиболее вероятным типом взаимодействия тепловых нейтронов с веществом является процесс рассеяния, в том числе упругого рассеяния[2].

В общем случае перемещение тепловых нейтронов напоминает броуновское движение молекул. Миграция заканчивается или поглощением нейтронов, т.е. ядерной реакцией, или их распадом. Последнее происходит редко, так как среднее время жизни теплового нейтрона t (табл. 3.7) много меньше времени жизни свободного нейтрона (t_ср = 17,7 мин.).

Величинами, характеризующими замедлитель, являются длина замедления L _s (среднее расстояние между точкой рождения быстрого нейтрона и точкой, в которой он стал тепловым) и диффузная длина L (расстояние между точкой, в которой нейтрон стал тепловым, и точкой поглощения). Расстояние L_M= (L_s²+L²)^½ между точками рождения и поглощения нейтрона называется длиной миграции. Значения L_s, L и L_M для некоторых веществ приведены в табл. 3.7

Таблица 3.7

Свойства замедлителей

Лучшим замедлителем служит тяжелая вода, характеризующая самым большим значением L, т.е. наименьшей вероятностью захвата нейтронов и ядерных реакций. Однако она дорога и в промышленных масштабах не применяется. В современных энергетических реакторах используют, как правило, «обычную» легкую воду. Хорошим замедлителем, имеющим небольшое сечение захвата нейтронов, является графит.

Ионизация среды

При столкновении с ядром атома нейтрон передает ему значительную часть свой кинетической энергии (табл. 3.8). Ядро отдачи – это тяжелая заряженная частица, которая при движении через вещество расходует полученную энергию ΔE на ионизацию и возбуждение большого числа атомов. Удельная ионизация среды, как и в случае α–частиц или протонов, очень высока. В действующих в настоящее время «Нормах радиационной безопасности-99» записано, что при одной и той же поглощенной дозе степень неблагоприятного воздействия на организм нейтронного потока сопоставима с α–излучением и в 5-20 раз выше, чем при облучении γ-квантами или β-частицами.

Таблица 3.8

Кинетическая энергия (ΔE) и угол вылета (ε) ядра отдачи после соударения

с нейтроном (E_n = E_j +ΔE = 2МэВ)

φ – угол рассеяния нейтрона

Защита от нейтронного излучения

Ослабление потока быстрых нейтронов приближенно, а тепловых - точно подчиняется экспоненциальному закону:

F_x = F₀×exp(-Nsx) (3.33),

где х - толщина поглотителя, s - полное сечение процессов взаимодействия нейтронов с ядром (рассеяние + захват), N- число ядер в 1 см³ вещества, произведение Ns - коэффициент ослабления.

В общем случае точный расчет s, учитывая многообразие процессов и зависимость вероятности их протекания от энергии и материала среды, очень сложен. Защита от нейтронов реализуется в два последовательных этапа – замедление и последующее поглощение. Материал защитного экрана должен иметь оптимальную комбинацию атомов водорода (замедление быстрых нейтронов), атомов тяжелых элементов (замедление нейтронов при неупругих соударениях и поглощение γ-квантов) и атомов с высоким сечением захвата тепловых нейтронов (B, Cd, Gd и т.п.). Компактная защита получается из фигурных кирпичей с названием “Стопнейтрон”. Это полиэтилен, содержащий порошок карбида бора. Полиэтилен содержит достаточно водорода, хорошо замедляющего нейтроны до тепловых, а бор эффективно захватывает именно тепловые нейтроны. Толщина полуослабляющего слоя такой защиты составляет около 3,5 мм.

Регистрация нейтронов

Регистрация нейтронов основана на детектировании γ-квантов или заряженных частиц - продуктов ядерных реакций. Например, тепловые нейтроны можно фиксировать сцинтилляционным детектором с монокристаллом иодида лития. Продукты реакции ⁶Li (n,α)³H ионизируют и/или возбуждают большое число атомов кристалла-сцинтиллятора. Часть энергии возбуждения преобразуется световые импульсы и далее в электрические импульсы фотоэлектронного умножителя. Тепловые нейтроны можно регистрировать с помощью ионизационных камер, рабочий объем которых содержит BF₃ (реакция ¹⁰B(n,α)⁷Li). Для быстрых нейтронов используют детектор с пластмассовым сцинтиллятором, содержащим сульфид цинка. В этом случае кинетическая энергия протонов (ядер отдачи) с высокой эффективностью трансформируется в фотоны возбужденными атомами ZnS.

[1] Вероятность взаимодействия нейтрона с ядром (в том числе вероятность протекания (n,γ)-реакции) резко увеличивается при определенной (резонансной E_n,r) энергии. В этом случае говорят о резонансных нейтронах.

[2] Способность ядер упруго отражать тепловые нейтроны лежит в основе одного из современных дифракционных методов исследования структуры вещества – нейтронографии. Длина волны нейтронов с энергией 0,01-0,1 эВ составляет несколько Å, т.е. сопоставима с межатомными расстояниями. Дифракция таких нейтронов на кристаллической решетке подобна дифракции рентгеновского излучения. Для получения сведений о структуре определяют изменение интенсивность потока нейтронов, упруго рассеянных из падающего моноэнергетического пучка исследуемым образцом, в зависимости от угла рассеяния. Впрочем, на взаимодействии ядерного излучения с веществом основано много ядерно-физических методов исследования, но их обсуждение не входит в задачу данного курса.