Методы регистрации нейтронов.

1. Ионизационный метод.

При взаимодействии быстрых нейтронов с веществом возникающие в процессе рассеяния ядра отдачи способны производить ионизацию среды. На этом основано применение ионизационных камер, регистрирующих быстрые нейтроны. Энергия ΔЕ, передаваемая в единицу времени нейтронами ядрам отдачи в единице объема газа камеры, содержащегося при температуре Т и давлении р число молекул М_Т,р, определяется равенством

(14.3)

где – плотность потока нейтронов; n_i – число атомов типа i в молекуле газа, – сечение рассеяния на ядрах типа i, – средняя энергия, передаваемая ядру типа i в одном акте рассеяния. Если есть число молекул газа при р=760 мм рт.ст., то .

Поглощенная энергия зависит от пробега ядер отдачи в газе, наполняющем камеру. Если пробег значительно меньше линейных размеров камеры, то энергия нейтронов ΔЕ, переданная ядрам отдачи, будет равна поглощенной энергии ΔQ:

(14.4)

где q – ионизация, определяемая числом пар ионов, ежесекундно образующихся в единице объема камеры в результате поглощения ядер отдачи; w – энергия ионообразования, усредненная по ядрам различных типов. Предполагая, что происходит только упругое рассеяние и что облучение производится моноэнергетическими нейтронами с энергией E₀, для ионизации в камере, размеры которой значительно превосходят пробег ядер отдачи, из формул (14.3) и (14.4) получим

(14.5)

Из (14.5) следует, что в этом случае ионизация прямо пропорциональна давлению газа в камере и плотности потока нейтронов.

В газонаполненной камере, размеры которой меньше пробега ядер отдачи, поглощенная энергия ΔQ < ΔЕ, так как часть энергии ядер отдачи уносится за пределы объема камеры. Пусть – отношение пути ядра отдачи типа в пределах объема камеры к полному пробегу в данном газе при нормальном давлении (рис.14.1).

при давлении р отношение . По аналогии с рассмотренным выше случаем для ионизации в камере, линейные размеры которой меньше пробега ядер отдачи, легко получить выражение

(14.6)

Итак, для камер подобного типа ионизация пропорциональна квадрату давления и при постоянном давлении пропорциональна плотности потока нейтронов. Формулы (14.5) и (14.6) справедливы, если можно пренебречь ионизацией, обусловленной ядрами отдачи, выбитыми из стенок камеры.

Камеры без стеночного эффекта можно использовать для измерения плотности потока нейтронов после предварительной градуировки; мощность дозы в этом случае можно определить расчетным путем при известной энергии падающих нейтронов.

Если газ, наполняющий камеру, тканеэквивалентен по атомному составу, ионизация может служить мерой тканевой дозы. Хорошим приближением к такому газу служит смесь: метан 64,4, углекислый газ 32,5, азот 3,1 (числа указывают парциальное давление). Более удобно использовать маленькие ионизационные камеры, к которым применим принцип Брегга-Грея. Энергия, поглощенная в единице объема материала стенки

(14.7)

где – средняя энергия ионообразования, и – тормозные способности стенки и газа для ионизирующих частиц. Формула (14.7) имеет общий вид как для γ-излучения, так и для нейтронов, однако значения и и различны; в первом случае ионизирующими частицами являются электроны, во втором – протоны и тяжелые ядра отдачи.

Нейтронный поток практически всегда сопровождается γ-излучением, поэтому полезно рассмотреть работу маленькой ионизационной камеры в смешанном потоке γ-нейтронного излучения.

Для нейтронов

(14.8)

Для γ-излучения

(14.9)

Отсюда суммарная ионизация, производимая в газовой полости электронами и ядрами отдачи, выбитыми из стенок камеры:

(14.10)

q есть та величина, которую фактически измеряют в камере. Суммарная энергия, поглощаемая в стенке камеры: . Из формулы (14.10) следует, что в общем случае по измеренной ионизации нельзя определить суммарную поглощенную дозу в стенках камеры, если неизвестен вклад в дозу γ-излучения или нейтронов. Положение облегчается, если используют гомогенную камеру, у которой материал стенки и газ близки по атомному составу.

Наибольший практический интерес представляют гомогенные тканеэквивалентные камеры. Стенки такой камеры, наполненной указанной выше смесью газов, выполняют из токопроводящей тканеэквивалентной пластмассы. Пластмасса может иметь следующий состав, %: водород 10,1; азот 3,5; углерод со следами кислорода 86,4. для гомогенной камеры , где и – плотность газа и материала стенки. Для тканеэквивалентной камеры и соответствуют поглощенной тканевой дозе для нейтронов и γ-излучения, поэтому определяет поглощенную в ткани дозу смешанного излучения. По измеренной ионизации q в тканеэквивалентной гомогенной камере можно однозначно определить , если положить . В этом случае

(14.11)

Поглощенная доза

(14.12)

Итак, с помощью наперстковых тканеэквивалентных гомогенных камер можно измерять поглощенную дозу смешанного γ-нейтронного излучения. При этом следует иметь в виду, что и могут заметно различаться между собой.

Практически более важно измерять эквивалентную дозу. Основная трудность при этом заключается в различном значении коэффициента качества γ- и нейтронного излучений. При более строгом подходе следует учитывать также, что ядра отдачи различных типов имеют

различные коэффициенты качества.

Эквивалентная доза Н для смешанного излучения определяется соотношением

(14.13)

где k – коэффициент качества, усредненный по всем ядрам отдачи. Из сопоставления соотношений (14.12) и (14.13) видно, что тканеэквивалентной ионизационной камерой нельзя измерить эквивалентную дозу без разделения нейтронной и γ-составляющих. Такое разделение обеспечивает дифференциальная системам из двух ионизационных камер, одна из которых малочувствительна к нейтронам, а другая тканеэквивалентна. Разность токов двух камер будет соответствовать поглощенной дозе, обусловленной нейтронами.