Мощность экспозиционной дозы:

dX/dt [Р/с] = I [эрг/г] * μ_п [см^-1] / 0.114

1Р = 0.114 [эрг/см³] = 87.7 [эрг/г] = 0.87 рад – энергетический эквивалент рентгена

I [эрг/г] = φ * E [Эрг/cм²*c] – интенсивность излучения в воздухе = плотность потока энергии

φ -плотность потока [cм^-2*c^-1]

На практике: если известна активность γ-источника А, тогда

плотность потока φ на расстоянии R:

φ = А [мКu]*3,7*10⁷*n / 4πR²

n - выход гамма-квантов на 1 распад – из справочника

Например, для Cs-137 n =0,85

Взаимодействие нейтронов с веществом

Защита от нейтронов и методы их регистрации основаны на процессах взаимодействия нейтронов с веществом.

Нейтрон - нестабильная частица с периодом полураспада Т_1/2 = 11,7 мин.

.

Нейтрон стабилен в ядре, когда он является нуклоном.

На практике принято следующая классификация нейтронов по энергиям:

• Медленные:

1. ультрахолодные (Е ~ 10^-7 эВ);

2. холодные (Е < 5×10^-3 эВ);

3. тепловые (E = kT = 0,025 эВ);

4. надтепловые (0,5 < Е < 10 эВ).

• Промежуточные (1 кэВ < Е < 0,2 МэВ).

• Быстрые (0,2 < E < 20 МэВ).

• Сверхбыстрые (Е > 20 МэВ).

Основными процессами взаимодействия нейтронов с веществом, являются:

1) упругое рассеяние ( n, n );

2) неупругое рассеяние ( n, n'g);

3) радиационный захват ( n,g);

4) реакция с вылетом заряженных частиц ( n, a ), ( n, p ) и др. ;

5) деление ядер ( n, f );

Сечения этих процессов сложным образом зависят от энергии нейтронов.

Все виды взаимодействий описываются микроскопическими и макроскопическими сечениями:

s, S и 1/S = L, где L - длина релаксации.

Упругое рассеяние ( n, n ) - нейтронов энергетически возможно при любой энергии нейтронов и почти на всех ядрах. При упругом рассеянии начальная кинетическая энергия нейтрона распределяется между нейтроном и ядром. Чем меньше масса ядра, тем большую кинетическую энергию оно может получить. Изменение энергии нейтрона при упругом рассеянии однозначно связано с углом рассеяния. У нейтрона изменение энергии при упругом соударении тем больше, чем ближе его масса к массе рассеивающего ядра и чем больше угол рассеяния Q. При рассеянии нейтрона на ядре водорода - протоне ( m_р = m_n ) на угол, близкий 90^o, нейтрон теряет почти всю энергию.

Если нейтрон с энергией 12 МэВ направить на водородную мишень, то будет необходимо 1520 соударений, чтобы замедлить его до тепловых энергий.

Вещество	H	D	He	Be	C
Число соударений	17	24	40	81	108

Неупругое рассеяние (n, n'g) - энергетически возможно лишь для быстрых нейтронов. Оно является частным случаем захвата нейтрона ядром. Процесс неупругого рассеяния (n, n'g) возможен для нейтронов с энергией, превышающей энергию первого возбужденного уровня. После взаимодействия ядро может остаться в возбужденном состоянии и испускает g-кванты.

При рассеянии на ядрах водорода, неупругого рассеяния не происходит при любой энергии нейтронов, так как у протона нет возбуждённых состояний.

Радиационный захват (n,g) - является наиболее распространённой реакцией, происходит на ядрах практически всех элементов. Некоторые ядра захватывают нейтроны при определенных энергиях надтепловых нейтронов происходит так называемый резонансный захват. В некоторых реакциях (n,g) конечное ядро представляет собой стабильный изотоп облучаемого ядра (например, 113 Cd ( n,g) 114 Cd ). Но у большинства ядер радиационный захват приводит к образованию радиоактивного ядра.

Гамма-лучи, испускаемые при захвате нейтрона, имеют энергию в несколько МэВ. Данное фотонное излучение часто играет определяющую роль в формировании поля излучения за защитой.

Эффективное сечение захвата нейтронов сильно зависит от энергии нейтронов и свойств конкретного ядра и может различаться на несколько порядков даже для изотопов. В области низких энергий сечение:

.

Реакции с вылетом заряженных частиц (n,p), (n, d ), (n,g) и т.д. Примеры таких реакций, протекающих на тепловых нейтронах:

³He (n,p) ³H, ⁶Li (n,a) ³H, ¹⁰B (n,a) ⁷Li, ¹³N (n,p) ¹⁴С.

Первые три реакции используются для детектирования тепловых нейтронов, реакция на ядрах азота протекает в тканях человеческого тела при поглощении тепловых нейтронов.

Деление ядер ( n, f ). При делении ядер составное ядро делится на два и более осколков с испусканием одного или нескольких нейтронов. Захват нейтрона, сопровождаемый делением, наблюдается практически только для очень тяжелых ядер, атомные ядра с массовым числом A<220 практически не делятся. Некоторые ядра делятся под влиянием тепловых нейтронов ( ²³⁵U, ²³³U, ²³⁹Pu и др. ), другие - только под действием быстрых нейтронов ( ²³⁸U, ²³²Th ). Процесс деления тяжелых ядер сопровождается выделением большого количества энергии (до 150 МэВ ), которой обладают полученные в результате распада осколки деления. Помимо осколков деления происходит испускание нейтронов, которые получаются вследствие того возможность цепной реакции, а следовательно, и развитие ядерной энергетики вообще.

Полное макроскопическое сечение S взаимодействия нейтронов равно:

S = S_S + S_a + S_f ,

где S_S - макроскопическое сечение рассеяния;

S_a - макроскопическое сечение поглощения;

S_f - макроскопическое сечение деления.

Постепенно замедляясь, нейтрон может попасть из одного энергетического диапазона в другой, и следовательно, испытывать другой вид взаимодействия. Таким образом, длина релаксации меняется.