Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтроны, не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Проходя через вещество, они непосредственно не ионизируют ни атомы, ни молекулы. Поэтому нейтроны регистрируют по вторичным эффектам, возникающим при взаимодействии их с ядрами. При столкновениях с атомными ядрами нейтроны могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды. В результате соударения нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этом происходит упругое или неупругое рассеяние. При втором виде взаимодействия изменяется природа соударяющихся частиц. Происходят ядерные реакции типа (77, а), (п, р), (п, у), (п, 277) и т. д., а также наблюдается деление ядер.

Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от их кинетической энергии. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы — тепловые, медленные и быстрые нейтроны. Границы этих энергетических групп условны (табл. 4).

Табл. 4. Классификация нейтронов по энергии.

В связи с отсутствием у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаимодействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами. Эффективные сечения взаимодействия нейтронов с электронами атома малы (ст"ю*²² см²) по сравнению с сечением взаимодействия заряженной частицы с атомом (о*ю^_1бсм²).

Вероятность протекания той или иной реакции определяется микроскопическим сечением реакции а (п, а), <7(77, р), а (т7, у), <7(77, 277) и т. д.

Микроскопическое сечение, а можно представить себе как сечение сферы, описанной вокруг ядра. Пересекая сферу, нейтрон может вступить в реакцию с ядром. Вне сферы радиусом /• = 4оТИ взаимодействия не происходят. Микроскопическое сечение измеряется в см² и барнах. Каждый радионуклид имеет определенное значение а, зависящее от энергии налетающих нейтронов. Экспериментально доказано, что при энергии нейтронов более ю МэВ полное эффективное сечение равно: a_n=2n-R²> где R — радиус ядра. Отсюда радиус ядра R = т]сг_п /л .

Умножив микроскопическое сечение, а на число ядер в 1 смз поглощающего вещества ДГ, получим полное сечение всех ядер в 1 см³ поглощающего вещества — макроскопическое сечение данного вещества для данной реакции:

Быстрые нейтроны передают энергию главным образом в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Энергия, переданная от нейтрона ядру (2iядра), зависит от массы ядра и угла рассеяния.

В среде из лёгких ядер нейтроны могут передавать практически всю свою энергию в результате одного столкновения, если столкновение лобовое. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (77, п) и неупругие (п, п') столкновения с атомными ядрами. В зависимости от типа ядра и энергии налетающего нейтрона величина сечения изменяется в интервале нескольких барн.

где М, т — масса ядра и масса нейтрона, Е_п — начальная энергия нейтрона, О — угол между первоначальным направлением движения нейтрона и направлением движения ядра отдачи в лабораторной системе координат.

Для медленных нейтронов наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определённых значениях энергий нейтронов Е_п, характерных для данного вещества. Основные процессы — рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей.

Энергии тепловых нейтронов не превышают энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в случае, если не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызвать лишь возбуждения колебательных степеней свободы, что приводит к разогреву вещества.

Наиболее характерными реакциями при взаимодействии тепловых нейтронов с веществом являются реакции радиационного захвата (п, у). При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (п, п) остаётся примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (л, у) изменяется по закону i/v, где v — скорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата.

Самыми важными реакциями, идущими под действием тепловых нейтронов, являются следующие:

В области тяжёлых ядер начинают проявлять себя реакции деления (n, f). Однако для живой материи, состоящей преимущественно из лёгких элементов, эти реакции несущественны.

Ослабление узкого коллимированного пучка нейтронов тонким слоем вещества происходит по экспоненциальному закону:

где Jo и </(дг) — значения плотности потока до и после прохождения слоя вещества д, N — число ядер в единице объёма вещества, а — полное сечение взаимодействия нейтронов с веществом.

Величина ?= Na имеет размерность обратной длины (см¹) и называется линейным коэффициентом ослабления потока нейтронов в веществе. Длина свободного пробега нейтрона в веществе L=i/I имеет размерность длины. Средняя длина пробега по отношению к поглощению Ь_а — расстояние, при прохождении которого плотность потока нейтронов из-за поглощения уменьшается в е раз.

Плотность потока нейтронов N® на расстоянии R от точечного источника, испускающего N₀ моноэнергетических нейтронов в единицу времени, определяется соотношением:

Для защиты от нейтронных потоков высокой интенсивности наиболее употребительным материалом в промышленности является бетон. Данные о длине свободного пробега быстрых нейтронов в различных материалах приведены в таблице 5.

В лабораторных условиях для защиты от быстрых нейтронов обычно используют комбинированную защиту, состоящую из слоёв парафина, кадмия и свинца. В такой защите последовательно происходит замедление и поглощение нейтронов (парафин замедляет нейтроны, кадмий поглощает нейтроны по (я, у)-реакции, а свинец ослабляет интенсивность образующегося у-излучения).

Табл. 5. Длина свободного пробега быстрых нейтронов (R") в различных веществах.