Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтроны являются одними из частиц, находящихся в ядрах атомов и могут быть испущены при их делении или при ядерных реакциях; что и происходит благодаря источнику нейтронного излучения, который находится в приборе. Нейтроны не имеют электрического заряда, а значит, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, поэтому проникающая способность нейтронов очень велика. Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы — тепловые, медленные и быстрые нейтроны. Так же между быстрыми и медленными нейтронами существуют промежуточные. Границы этих энергетических групп условны и представлены ниже в таблице 1.2.1.

Таблица 1.2.1.

Нейтроны, проходя через вещество, непосредственно не ионизируют атомы и молекулы, как заряженные частицы. Поэтому нейтроны обнаруживают по вторичным эффектам, возникающим при взаимодействии их с ядрами. В результате соударения нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этом стоит рассматривать три типа рассеивания нейтронов:

• · Упругое рассеяние
• · Неупругое рассеяние
• · Поглощение нейтронов

Упругое и неупругое рассеяние являются процессами, при которых быстрые и промежуточные нейтроны замедляются, а когда нейтроны достигают тепловых энергий, то они поглощаются в процессе нейтронного захвата.

При упругомвзаимодействии нейтронов с веществом изменяется сама природа соударяющихся частиц. Происходит ядерная реакция и наблюдается деление тяжелых частиц. 7].

Упругое рассеяние — это процесс, посредством которого быстрые нейтроны испытывают упругие столкновения на ядрах атомов поглотителя и нейтрон отклоняется или рассеивается. Упругое столкновение является столкновением, при котором суммарная кинетическая энергия частиц сохраняется, то есть она одинакова после и перед соударением. При упругом столкновении быстрый нейтрон соударяется с ядром поглотителя и теряет часть своей первоначальной энергии. Эта энергия передается ядру-мишени в виде кинетической энергии и ядро-мишень как бы отскакивает. Затем нейтрон отклоняется или рассеивается. Отметим, что направление, в котором отскакивает бомбардируемая частица, и величина рассеивания нейтрона зависит от переданной энергии.

Наиболее эффективный путь, по которому кинетическая энергия нейтрона передается поглотителю, — взаимодействие с частицей с такой же массой, например, другим нейтроном или протоном. Если нейтрон ударяется о ядро атома мишени, масса которого намного больше, чем он сам, он отскакивает от мишени, как мячик для крикета отскочивший рикошетом от чего-либо, и теряет очень мало энергии. Аналогично, если нейтрон сталкивается с мишенью, которая меньше, чем он сам, мишень будет вытолкнута, как мячик для крикета отталкивает мячик для настольного тенниса, и очень малая часть энергии теряется нейтроном. Однако, если нейтрон соударяется с протоном или нейтроном, энергия падающего нейтрона делиться между частицей-мишенью и нейтроном. На практике, это означает, что материалы, обогащенные водородом (такие как вода, бетон и парафин) являются лучшими материалами для защиты от нейтронов, так как протон атомов водорода позволяет рассеять энергию падающих нейтронов относительно быстро.

Важно помнить, что отскакивающие в результате упругого рассеяния нейтронов ядра являются тяжелой заряженной частицей. Они теряют свою энергию с высокой скоростью, взаимодействуя с атомами среды таким же образом, как альфа-частицы и, следовательно, классифицируются как ионизирующее излучение с высокой ионизирующей способностью. По этой причине, учитывая, что упругое рассеяние является наиболее вероятным взаимодействием для быстрых нейтронов в биологической ткани, нейтроны могут быть особенно опасны при облучении тела человека.

Более сложное взаимодействие может иметь место, когда быстрые или промежуточные нейтроны сталкиваются с мишенью, которая намного больше, чем они сами, и не отскакивает (как в случае упругого рассеяния), а временно поглощается ядром-мишенью. После короткого времени нейтрон переиспускается с уменьшенной энергией, а ядро-мишень остается в возбужденном состоянии. Затем ядро снимает возбуждение путем испускания гамма-излучения. Поскольку суммарная кинетическая энергия не сохраняется при этом столкновении (потому что часть энергии идет на образование гамма-излучения), этот тип столкновения называется неупругим столкновением. Асам тип взаимодействия называется неупругим рассеянием. 12].

Быстрые и медленные нейтроны после примерно 25 соударений о ядра атомов вещества теряют свою энергию и становятся тепловыми нейтронами с энергиями порядка 0.025 эВ. Большинство тепловых нейтронов поглощаются и становятся частью ядер атомов поглотителя. Затем эти ядра должны избавиться от избыточной энергии, обычно путем испускания гамма-излучения.

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 (у?10^-22 см²) по сравнению с сечением взаимодействия заряженной частицы с атомом (у?10^-16 см²). Вероятность прохождения той или иной реакции определяется микроскопическим сечением реакции у (n, б), у (n, p), у (n, г), у (n, 2n) и т. д. (первой в скобках записывается бомбардирующая частица — нейтрон, второй — испускаемая частица или гквант). Микроскопическое сечение у можно представить себе как сечение сферы, описанной вокруг ядра. Пересекая сферу, нейтрон может вступить в реакцию с ядром. Вне сферы радиусом r = у /р взаимодействия не происходят. Микроскопическое сечение измеряется в квадратных сантиметрах (см²) и барнах (1барн = 10²⁴ см²). 6].

Быстрые нейтроны передают энергию главным образом в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Энергия, переданная от нейтрона ядру (Е ядра), зависит от массы ядра и угла рассеяния. В среде из легких ядер нейтроны могут передавать практически всю свою энергию в результате одного столкновения, если столкновение лобовое. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (n, n) и неупругие (n, n') столкновения с атомными ядрами. В зависимости от типа ядра и энергии налетающего нейтрона величина сечения изменяется в интервале нескольких барн. На рисунке 1.2.1 ниже показана схема столкновения нейтрона с другой частицей.

Рисунок 1.2.1.

Формула 1.2.1.

По формуле 1.2.1 можно вычислить энергию ядра после столкновения нейтрона с частицей. M, m — масса ядра и масса нейтрона, Еn — начальная энергия нейтрона, и — угол между первоначальным направлением движения нейтрона и направлением движения ядра отдачи в лабораторной системе координат. нейтрон геофизический полупроводниковый детектор Для медленных нейтронов наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определенных значениях энергий нейтронов Еn, 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 (n, г). При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (n, n) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (n, г) растет по закону 1/v, где vскорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата. Наиболее существенные реакции, идущие под действием тепловых нейтронов, следующие указаны на рисунке 1.2.2.

Рисунок 1.2.2.

Для защиты от нейтронных источников высокой интенсивности наиболее употребительным материалом в промышленности является бетон. На рисунке приведены в полулогарифмическом масштабе кривые ослабления г-лучей, быстрых и тепловых нейтронов в бетоне. В лабораторных условиях для защиты от быстрых нейтронов обычно используют комбинированную защиту, состоящую из парафина (воды), кадмия (бора) и свинца. В такой защите последовательно происходит замедление быстрых нейтронов (парафин, вода), поглощение нейтронов в результате (n, г) реакции (кадмий, бор) и ослабление интенсивности образующихся г-квантов (свинец). [5].

Нейтроны, которые испускает источник не способны ионизировать вещество, сквозь которое проходят. А значит их необходимо выявлять по вторичным признакам. Этим признаком является гамма-излучение, которое фиксируется детектором в приборе. Гамма-излучение возникает, когда ядро атома захватывает нейтрон с низкой энергией (тепловые, надтепловые), поглощает его и выпускает поток гамма-излучения, которое и несет в себе информацию об исследуемом веществе. Однако, нейтроны, которые только что испустились от источника, как правило, являются быстрыми. И прежде чем они станут тепловыми, они много раз ударяются о ядра атомов вещества, теряя свою кинетическую энергию и постоянно меняя направление. Такой процесс, постоянного отскакивания нейтронов от атомов со сменой типа рассеивания называется диффузией нейтронов. И этот процесс разделяется по времени. Схематично этот процесс представлен на рисунке 1.2.3.

Рисунок 1.2.3.

Одним из основных нейтронных параметров среды является длина замедления нейтронов Ls. Длиной замедления называют среднее расстояние по прямой линии от места вылета нейтрона до точки, в которой нейтрон становится тепловым. Величина Ls зависит от водородосодержания и при содержании воды и нефти в порах породы изменяется от 15 до 35 см, а в воде составляет несколько сантиметров. Нейтроны, достигшие теплового состояния, продолжают двигаться (диффундировать) из областей большей плотности в области пониженной плотности, испытывая столкновения с ядрами элементов без изменения средней энергии и длины звеньев между отдельными столкновениями. В результате происходит поглощение (захват) нейтрона ядром атома. Скорость пространственной диффузии тепловых нейтронов характеризуется коэффициентомD (формула 1.2.2).

Формула 1.2.2.

где vт скорость движения тепловых нейтронов, равная 2200 м/с при Т=20°С, с увеличением температуры скорость возрастает; k —число элементов, составляющих вещество; уpi —сечение рассеяния тепловых нейтронов ядрами i-гo элемента в см2, отражает вероятность встречи нейтронов с ядром элемента и их рассеяния; zi —количество ядер i-ro элемента в 1 см³. Коэффициент диффузии обратно пропорционален содержанию водорода в среде. Чем больше водонасыщенность среды, тем медленнее «расползается» облако тепловых нейтронов (диффузия происходит в течение 102−104мкс) .

Для диффузионной фазы движения тепловых нейтронов характерны величины Ld —среднее расстояние от точки возникновения теплового нейтрона до точки его поглощения и фcp —среднее время жизни нейтрона, которое можно рассчитать по формуле 1.2.3.

Формула 1.2.3.

где — эффективное макроскопическое сечение захвата нейтронов, выражающее способность среды поглощать нейтроны. [12].

Захват медленного нейтрона сопровождается испусканием и квантов (радиационный захват), являющимся основной причиной вторичного гамма-излучения. Энергия г-лучей захвата колеблется в больших пределах и достигает 10 МэВ. Возникают глучи захвата в водородсодержащей среде в результате реакции. При захвате нейтронов в ядре создается некоторый избыток энергии, и оно приходит в возбужденное состояние. Переход в устойчивое состояние сопровождается испусканием г-квантов, число и энергия которых зависит от того, какому элементу (и какому его изотопу) соответствует ядро.

С удалением от источника плотность нейтронов (число нейтронов в единице объема) в среде уменьшается, и одновременно возрастает число нейтронов с меньшей энергией. Значительный интерес представляет характер изменения плотности надтепловых и тепловых нейтронов с изменением расстояния от источника. Плотность нейтронов зависит от замедляющих и поглощающих свойств среды. Для большинства горных пород поглощающие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием. Следовательно, чем выше водородосодержание, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.

Из рисунка 1.2.5 видно, что с удалением от источника плотность тепловых нейтронов nт быстро убывает. При повышении пористости (в данном случае водородосодержания) плотность нейтронов уменьшается более резко. Для надтепловых нейтронов картина аналогична, но значения плотности нейтронов меньшие.

Рисунок 1.2.5.

Зоны: 1-малых расстояний, 2-пересечения кривых (зона инверсии), 3-больших расстояний, соответствующих обычно длинам применяемых зондов.

Чем меньше масса ядра, тем больше потеря энергии, а значит большую энергию нейтрон будет терять соударяясь с атомами вещества маленькой атомной массой. Наименьшую атомную массу, как известно, имеет водород. Поэтому в горной породе замедляющая способность нейтронов определяется содержанием водорода в единице её объёма (водородосодержнаием). Наличие в породе даже малого количества воды или нефти, содержащих много водорода (порядка 10% по массе), приводит к тому, что замедление нейтронов происходит в основном на ядрах водорода.

Показания НГК будут резко возрастать при исследовании пород, окружающих прибор, с низким водородосодержанием. Так же на показания НГК влияют элементы, обладающие одновременно высоким сечением поглощения тепловых нейтронов и аномально высокой (или аномально низкой) интенсивностью гамма-излучения радиационного захвата. В осадочных горных породах таким элементом является хлор, дающий при захвате одного нейтрона в среднем 2,3 относительно высокоэнергетических гамма-квантов.

При отсутствии хлора основное количество нейтронов в осадочных горных породах поглощается водородом, дающим всего один гамма-квант на каждый поглощенный нейтрон. Поэтому повышение концентрации хлора в горной породе сопровождается при равном водородосодержании увеличением среднего числа испущенных гамма-квантов на один нейтрон, и, следовательно, ростом показаний НГК. В частности, водоносные пласты, насыщенные высокоминерализованной пластовой водой, отмечаются большими показаниями по сравнению с нефтеносными пластами той же пористости. Хотя этот эффект невелик (обычно до 15−20%), но в благоприятных условиях (высокая минерализация пластовых вод и малые изменения пористости) он может использоваться для определения положения водонефтяного контакта в обсаженных скважинах.

Кроме радиационного гамма-излучения (Iny), детектор будет фиксировать также и гамма-кванты другого происхождения. Суммарную зарегистрированную интенсивность гамма-излучения можно представить в виде ряда:

I?=Iny+Iy+Iф+Iyy, где.

Iyестественное гамма-излучение пород.

Iф — фоновое гамма-излучение источника нейтронов.

Iyy — гамма-излучения источника, претерпевшее комптоновское рассеяние в породах и обсадных трубах скважины.

Для выделения исследуемой составляющей Iny приходится прибегать к уменьшению влияния остальных перечисленных составляющих. Для уменьшения влияния естественной радиоактивности Iy выбирают, с одной стороны, мощность источника нейтронов такой, чтобы вызванное им гамма-излучение было, по крайней мере, на порядок больше естественного. С другой стороны, уровень естественное радиоактивности может быть учтен вычитанием показаний ГК из диаграмм НГК. Для ослабления фонового гамма-излучения источника Iф между источником и детектором располагается мощный свинцовый экран. Для поглощения мягкого рассеяния Iyy детектор излучения помещают в стальную гильзу. Таким образом, выделенная составляющая Iny зависит, в основном, от содержания водорода в исследуемой среде. [7].