4.5. Взаимодействие нейтронов с веществом

Впервые распад нейтрона изучен экспериментально в 1950 г. Установлено, что время жизни нейтрона равно около 17 мин. Это самое большое время жизни для частицы, распадающейся за счет слабого взаимодействия.

Нейтронное излучение. Источниками нейтронов могут быть только ядра. Нейтроны в веществе ведут себя иначе, чем заряженные частицы и  - кванты. Из-за отсутствия заряда они могут близко подходить к ядру - мишени и вызывать ядерные реакции.

Условно нейтроны можно разделить на следующие основные группы:

1. Тепловые нейтроны с энергией 0,025 эВ.

2. Промежуточные нейтроны (0,025 эВ ≤ Е ≤ 1,44 МэВ).

3. Быстрые нейтроны (1,44 МэВ ≤ Е ≤ 20).

4. Сверхбыстрые нейтроны с энергией выше 20 МэВ.

В зависимости от энергии нейтронов преобладают различные виды их взаимодействия с веществом. При прохождении пучка протонов через вещество проявляется поглощение нейтронов с возникновением ядерных реакций типа (n, α), (n, p), (n, 2p), упругое и неупругое рассеяние на ядрах и деление тяжелых ядер.

Поглощение нейтрона в веществе происходит в результате его захвата ядром-мишенью. Возбуждение образовавшегося ядра снимается испусканием  - кванта. Это так называемое захватное излучение. Такой захват нейтрона наиболее вероятен в низкоэнергетической области или ядер тяжелых элементов. С увеличением энергии нейтронов и уменьшением атомного номера вещества вероятность захвата нейтрона уменьшается.

Упругое взаимодействие нейтронов с ядрами аналогично столкновению бильярдных шаров. Суммарная энергия обоих шаров до и после столкновения не изменится.

Известно, что чем больше масса неподвижного шара, по сравнению с подвижным, тем меньшая доля энергии ему будет передана. Если массы сталкивающихся шаров одинаковы, то при каждом столкновении движущийся шар теряет примерно половину своей энергии.

В процессе упругого рассеяния чем меньше масса ядер среды, тем большую энергию теряет падающие нейтроны. Например, при каждом акте упругого рассеяния на ядрах водорода нейтрон теряет в среднем половину энергии, на ядрах углерода - примерно 14 - 17%, а на ядрах аргона - не более 8 - 9%. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше использовать легкие материалы - обычную и тяжелую воду, парафин, бериллий и окись бериллия, углерод. Чтобы нейтрон с энергией равной 1 МэВ стал тепловым, число столкновений с ядрами водорода должно быть 25, с ядрами углерода - 100, а с ядрами урана - 2100 столкновения. Процесс завершается примерно через 10^-6 с.

Наиболее типичным процессом для промежуточных нейтронов является упругое рассеяние и ядер легких элементов, хотя возможен и радиационный захват.

В результате неупругого рассеяния налетающий высокоэнергетический нейтрон поглощается тяжелым ядром и возбуждение снимается испусканием нейтрона пониженной энергии и  - кванта, а также может произойти ядерная реакция с вылетом -частицы, протона и т.д. с образованием ядра другого элемента.

Для быстрых нейтронов основным процессом является упругое рассеяние, хотя как и для других групп нейтронов возможны со значительно меньшей степенью вероятности неупругое рассеяние, радиационный захват и ядерные реакции.

Для сверхбыстрых нейтронов основным видом взаимодействия является неупругое рассеяние. Значительный вклад дают ядерные реакции.

Таким образом, процесс снижение энергии нейтронов в веществе сводится к рассеянию их на ядрах элементов или за счет ядерных реакций с вылетом заряженных частиц и мягкого  - излучения.

Полное микроскопическое сечение взаимодействия нейтронов σ_полн равно сумме сечений поглощения σ_п и упругого σ_ур и неупругого рассеяния σ_нр.

σ_полн = σ_п + σ _Ур + σ_нр

Микроскопическое σ_выв и макроскопическое (Σ_выв = ρ·σ_выв) сечения выведения показывают вероятность взаимодействия быстрых нейтронов в данной среде.

Сущность понятия микроскопического сечения σ заключается в следующем. Пусть тепловые нейтроны проходят через 1 см³ азота (в 1 см³ азота при нормальных условиях содержится 10¹⁸ ядер). Эффективное микроскопическое сечение реакции (n, p) при 10⁶ падающих тепловых нейтронах и соответствующем одном ядерном превращении будет равно:

σ = 1 / (10⁶ ∙ 10¹⁸) = 10^-24 см², или 1 барн

Ослабление плотности потоков нейтронов dI веществом слоем dx пропорционально плотности потока нейтронов I, ядерной плотности ρ и длине пути нейтронов в веществе, т.е.

dI = - ρσ Idx,

Интегрируя данное выражение и учитывая, что при х = 0 плотность потока нейтронов равна I₀, получим формулу для расчета ослабления потока нейтронов I_x за слоем защиты x.

I_x = I₀ exp(- ρ σ x).