- •Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
- •Изучение процессов, возникающих при прохождении
- •Прохождение тяжелых заряженных частиц (альфа-частиц и протонов) через вещество
- •Таким образом, вплоть до некоторой определенной толщины поглощающего слоя вещества через него проникают
- •Скорость, с которой энергия тяжелой частицы теря- ется при столкновениях с электронами вещества,
- •Вэксперименте измеряют массу поглотителя M и
- •На рисунке пока-
- •При энергиях выше ионизационного минимума поте-
- •Экспериментально установлено, что независимо от
- •Расчетным путем и последующей эксперименталь-
- •Защита от альфа-частиц
- •Защита от протонов
- •Например, пробег протона с энергией 40 МэВ в воздухе по формуле (51.8) составит
- •Прохождение легких заряженных частиц (электронов) через вещество
- •Распределения по энергиям и по углам в пучке
- •Т.к. траектория электрона не яв-
- •Потери энергии на излучение пропорциональны ква-
- •Сравнивая эту формулу с формулой (51.2), можно
- •Защита от бета-излучения
- •Прохождение гамма-квантов через вещество
- •Ослабление пучка гамма-квантов в веществе идет, в
- •Фотоэффект
- •При энергии фото-
- •Эффект Комптона
- •Элементарная теория осно-
- •В результате компто-
- •Образование электронно-позитронных пар
- •Другой особенностью этого процесса является то, что он не может происходить в пустоте,
- •Сечение образования электрон-позитронных пар имеет энергетический порог, равный 2mec2, и растет с увеличением
- •Полное сечение поглощения и рассеяния фотонов при прохождении через вещество
- •Защита от гамма-излучения
- •Применение нейтронов
- •Источники нейтронов
- •Прохождение нейтронов через вещество
- •Защита от нейтронов
- •После замедления до тепловых скоростей нейтроны можно эффективно поглотить. Известны 2 эффек- тивных
- •Защита от нейтронов
- •Схема лабораторной
Сечение образования электрон-позитронных пар имеет энергетический порог, равный 2mec2, и растет с увеличением энергии гамма-квантов. Расчетная кри- вая "Без экранирования" построена в пренебреже-
нии экранированием заряда ядра атомными элект-
ронами. Образование электрон-позитронных пар мо-
жет происходить и на электронах, но вероятность
этого процесса пренебрежимо мала.
Полное сечение поглощения и рассеяния фотонов при прохождении через вещество
Защита от гамма-излучения
Полностью поглотить гамма-излучение невозможно,
поэтому цель защиты - ослабить поток гамма- квантов до безопасных значений. При этом в от-
личие от альфа- и бета- излучений, толщина за-
щитного экрана зависит не только от энергии гам- ма-излучения, но и от интенсивности, т.к. поток
гамма-квантов экспоненциально ослабевает с
расстоянием внутри вещества по закону Бугера- Ламберта. Хорошо поглощают гамма-излучение тяжелые металлы (вольфрам, свинец), однако вольфрам дорог, а свинец химически ядовит, поэ-
тому, если позволяют условия, лучше использо-
вать обычные материалы (сталь, бетон).
Применение нейтронов
Нейтроны играют исключительно важную роль как в фундаментальных, так и в прикладных разделах
ядерной физики. Ядерные реакции под действием
нейтронов - самый большой и самый важный с практической точки зрения класс ядерных реакций
(самая важная среди них - цепная реакция деле-
ния тяжелых ядер). Среди других применений нейтронов можно отметить:
активационный анализ (получение короткоживущих
радиоактивных веществ облучением нейтронами; примененяется в медицине, в геологоразведке, в криминалистике),
нейтронография (изучение дифракции нейтронов на
ядрах атомов, нейтронный микроскоп).
Источники нейтронов
Наиболее мощным источником нейтронов является
ядерный реактор. Пучки нейтронов больших энер-
гий получают с помощью ускорителей. В лаборато- риях, не располагающих ускорителями и реактора-
ми, применяются источники нейтронов, работа ко-
торых основана на применении радиоактивных изотопов. Чаще всего используются источники, в
которых протекает реакция
4He2 + 9Be4 → 12C6 + n. |
(51.23) |
Вэтих источниках альфа-частицы получают от како- го-либо альфа-активного изотопа: 226Ra88, 210Po84,
239Pu94. Соответственно источники называются: ра- дий-бериллиевый, полоний-бериллиевый и плуто- ний-бериллиевый.
Прохождение нейтронов через вещество
Нейтроны не имеют электрического заряда, и поэто-
му, как и гамма-кванты, обладают большой прони- кающей способностью. Нейтроны практически не
взаимодействуют с электронными оболочками ато-
мов, беспрепятственно подлетают к ядрам и всту- пают с ними в ядерные реакции. Сечение таких ре-
акций зависит от энергии нейтрона: чем меньше
скорость нейтрона, тем, как правило, больше сече- ние реакции. Быстрые нейтроны, проходя через вещество, сначала испытывают многократные упругие столкновения с ядрами атомов, двигаясь
по сложной ломаной траектории (типа броуновс-
кой), постепенно замедляются, и после этого за- хватываются ядрами.
Защита от нейтронов
Эффективной защиты от быстрых нейтронов не су-
ществует, поэтому прежде всего необходимо замед-
лить нейтроны. Наиболее эффективно нейтроны за- медляются в результате столкновений с протонами (т.к. массы этих частиц почти одинаковы). Поэтому
самыми лучшими замедлителями являются вещест-
ва, содержащие в большом количестве водород: во- да и парафин. Плотность потока нейтронов, выходя- щего из замедлителя толщиной d, окружающего то- чечный источник интенсивностью Q, можно оценить
по эмпирической формуле: BQe 0.6 |
d |
нейтрон |
|
||||||
N |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
4 R |
2 |
|
см |
с |
(51.24) |
||||
|
|
|
|
|
|
где R - расстояние до источника, μ - показатель осла-
бления (для парафина 0.161см-1), B ≈ 5 - "фактор на- копления", учитывающий многократное рассеяние.
После замедления до тепловых скоростей нейтроны можно эффективно поглотить. Известны 2 эффек- тивных поглотителя тепловых нейтронов:
бор-10, сечение поглощения σ=4010 барн (природная смесь содержит 18.8% изотопа бор-10, эффектив- ное сечение смеси σ=769 барн),
кадмий-113, сечение поглощения σ=20800 барн (при- родная смесь содержит 12.3% изотопа кадмий-10, эффективное сечение смеси σ=2550 барн).
(Для сравнения: сечение поглощения тепловых нейт- ронов другими ядрами не превышает 100 барн).
Некоторые источники нейтронов (например, радий- бериллиевый) дают очень интенсивный сопровож- дающий гамма-фон, от которого также требуется защита, например, свинцовая.
Защита от нейтронов
Итак, в лабораторных условиях защита от
нейтронов осуществляется в три этапа:
1. Замедление нейтронов до тепловых ско-
ростей (используется вода или парафин),
2.Поглощение тепловых нейтронов (исполь- зуется кадмий или бор),
3.Поглощение сопровождающего гамма-из-
лучения (используется свинец, сталь,
бетон).
Схема лабораторной
установки для прове-
дения активационного анализа.
1- стержень-держатель
источника нейтронов 2- стержни-держатели
облучаемых образцов
3- вода
4- парафин
5- карбид бора
6- ампула с источником
нейтронов
7- источник нейтронов
8- свинцовая защита