4.Взаимодействие нейтронного излучения с веществом

При прохождении нейтронов через вещество их взаимодействие происходит, главным образом, с ядрами атомов вещества. Основные виды реакций нейтронов с ядрами:

• упругое рассеяние;

• потенциальное рассеяние (дифракционное);

• неупругое рассеяние;

• захват нейтрона:

радиационный захват;

реакции , и т.п.;

реакции , и т.п.;

реакции (нейтронной) активации;

реакции деления.

В общем случае неупругого рассеяния нейтронов с кинетической энергией Е при энергии реакции Q, для угла рассеяния нейтрона, кинетической энергии рассеянного нейтрона и др. параметров имеют место следующие выражения:

для _s = cos_s

,

для кинетической энергии рассеянного нейтрона

;

для кинетической энергии ядра отдачи

,

где ;

пороговая энергия при неупругом рассеянии нейтронов

.

Здесь буквой А обозначена масса ядра в единицах массы нейтрона. В приемлемом для расчетов приближении она численно совпадает с массовым числом ядра, с которым взаимодействует нейтрон.

С точки зрения преобладания тех или иных эффектов взаимодействия нейтронов с веществом нейтроны классифицируют по диапазонам энергий следующим образом (табл. 2).

Таблица 2.

Классификация нейтронов по энергиям

Наименование	Диапазон кинетических энергий En, эВ	Скорость*, un м/с	Длина волны де Бройля**, n м	Средняя температура*** Tср, К
Медленные
Ультрахолодные	< 107	< 4,4	9108	< 1,2103
Холодные	107  5103	4,4  103	41010  9108	1,2103  58
Тепловые	5103  0,5	103  104	41011  41010	58  5,8103
Резонасные	0,5  104	104  1,4106	2,91013 41011	5,8103  1,2108
Промежуточные	104  106	1,4106  1,4107	2,91014 2,91013	1,2108  1,21010
Быстрые	106  2107	1,4107  6,1107	6,41015  2,91014	1,21010  2,31011
Сверхбыстрые	> 2107	> 6,1107	< 6,41015	> 2,31011

Для медленных нейтронов наиболее характерны реакции радиационного захвата (особенно на средних и тяжелых ядрах), а также реакции деления (особенно на тяжелых ядрах). Быстрые нейтроны, в основном, претерпевают реакции упругого рассеяния, способны выбивать частицы из ядер, а также эффективно вызывают деление некоторых тяжелых ядер (например, ²³⁸U, ²³²Th).

По характеру взаимодействия с нейтронами применяется следующая классификация нуклидов:

• Легкие нуклиды (А £ 25);

• Промежуточные нуклиды (25 < А < 150);

• Тяжелые нуклиды (А ³ 150).

Для нейтронов низких энергий (< 1 эВ) при взаимодействии с легкими нуклидами зависимость микроскопического сечения от энергии может быть описана следующей формулой:

_,

где первое слагаемое описывает упругое рассеяние, а второе – радиационный захват. Для твердых тел при энергиях ниже 0,01 эВ наблюдается брэгговское обрезание, т.е. энергии, ниже которых когерентное рассеяние на кристаллической решетке невозможно.

Для тяжелых элементов при низких энергиях нейтронов:

Задачи

1. Какую долю кинетической энергии теряет нейтрон при: а) упругом лобовом соударении с первоначально покоившимися ядрами , и ; б) упругом рассеянии под углом на первоначально покоившемся дейтроне, если равен , и ?

2. Какова должна быть толщина кадмиевой пластинки, чтобы поток тепловых нейтронов при прохождении через нее уменьшился в раз?

3. Оценить, во сколько раз ослабится узкий пучок быстрых нейтронов с кинетической энергией МэВ при прохождении свинцовой пластинки толщиной см. Считать, что эффективное сечение ядра ; − радиус ядра; − приведенная длина волны де Бройля для нейтрона.

4. В центре сферического слоя графита, внутренний и внешний радиусы которого см и см находится точечный источник нейтронов с кинетической энергией МэВ. Интенсивность источника с^-1. Сечение взаимодействия нейтронов данной энергии с ядрами углерода барн. Определить плотность потока нейтронов на внешней поверхности графита, проходящих данный слой без столкновений.

5. Интенсивность узкого пучка медленных моноэнергетических нейтронов уменьшается в раз при прохождении через пластинку естественного изотопного состава бора. Массовая толщина пластинки г/см². Определить энергию нейтронов, имея в виду справедливость в данном случае соотношения .

6. Пучок нейтронов с энергиями в диапазоне, для которого сечение реакции пропорционально , проходит через тонкую фольгу из массовой толщиной мг/см². Какова средняя скорость нейтронов, если известно, что выход реакции равен ?

7. Тонкий образец металлического натрия, масса которого г, поместили в изотропное поле тепловых нейтронов с плотностью потока нейтронов см^-2∙с^-1. Считать скорость образования радионуклида постоянной, определить: а) активность образца при насыщении и относительную долю накопившихся в этом состоянии ядер ; б) промежуток времени облучения, через который активность образца будет равна активности при насыщении.

8. Удельная активность золотой фольги, предварительно активированной нейтронами, мКи/г. Сколько времени необходимо дополнительно облучать эту фольгу в поле тепловых нейтронов с плотностью потока см^-2∙с^-1, чтобы увеличить ее активность в раз?

9. Тонкую пластинку меди облучают в изотропном поле тепловых нейтронов с плотностью потока см^-2∙с^-1. Определить удельную активность пластинки через ч после начала облучения.

10. Тонкую индиевую фольгу массой г облучали изотропным потоком тепловых нейтронов в течение ч. Через ч после окончания облучения активность фольги оказалась мКи. Определить плотность потока нейтронов .