Ðèñ. 12.8. Схема траекторий нейтронов с начальной кинетической эне ргией 1 МэВ, входящих в цилиндр вещества снизу и затем испытавших рассеяние или поглощение (результаты получены моделированием методом Монте-Карло )

лов. Средняя длина свободного пробега зависит как от типа материала, так и от энергии нейтрона. После каждого столкновения энергия нейтрона уменьшается и, соответственно, изменяется средняя длина свободного пробега нейтрона. Как видно из рис. 12.8, цилиндр из полиэтилена более эффективно препятствует переносу нейтронов, чем цилиндр из тяжелых металлов. Нейтрон теряет большую часть своей энергии при столкновении с легкими ядрами в полиэтилене, вследствие чего средняя длина свободного пробега нейтрона уменьшается, а сечения взаимодействия увеличиваются. Важное свойство полиэтилена заключается в том, что он накапливает большую часть нейтронов на определенной глубине; эти нейтроны испытали достаточное количество столкновений и потеряли почти всю свою кинетическую энергию. Если детектор тепловых нейтронов помещается в эту область, вероятность обнаружения нейтронов становит ся оптимальной.

12.4 ЭФФЕКТЫ ЗАМЕДЛЕНИЯ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ ВЕЩЕСТВА

Часто задачей проектирования является уменьшение или замедление скорости нейтронов в объеме образца, или в объеме детектора, или в них обоих. Напомним, что сечения взаимодействия изменяются по общему закону 1/v (см. рис. 12.3 — 12.6). Поэтому задача обычно сводится к увеличению вероятности

взаимодействия. В других случаях, наоборот, необходимо уменьшить взаимодействия, выбрав материал, являющийся плохим замедлителем, либо удалить нейтроны после их замедления, добавив материалы-поглотители, которые поглощают низкоэнергетические нейтроны.

Таблица 12-3 — Нейтронные сечения для распространенных материалов [2]

Окончание таблицы 12.3

* Нули означают нулевое значение для нескольких показанных цифр.

Например, при анализе плутония замедление в объеме образца дает нежелательный эффект. Высокоэнергетические нейтроны способны глубже проникать в образец и имеют меньшие сечения деления, поэтому размножение для высокоэнергетических нейтронов меньше, чем для низкоэнергетических. С другой стороны, замедление нейтронов в рабочем объеме детектора повышает эффективность регистрации для таких детекторов, как пропорциональные газонаполненные

счетчики с 3He-наполнением. Размещая водородосодержащее вещество (например, полиэтилен) вокруг детекторов, можно регистрировать нейтроны более эффективно. Также необходим фильтр, пропускающий высокоэнергетические нейтроны в объем детектора, в котором они замедлятся. В то же время такой фильтр не должен позволить замедленным нейтронам снова вернуться в объем образца, в котором они могли бы вызвать дополнительные деления. Очень эффективен для этой цели слой вещества с большим сечением поглощения медленных нейтронов (такого как кадмий, см. рис. 12.5), помещенный между рабочей полостью детектора и объемом замедлителя.

Для сравнения замедляющих свойств различных веществ используется замедляющая способность. Если одно вещество имеет большую замедляющую способность, чем другое, то потребуется меньшее количество этого вещества для получения той же степени замедления. При этом важны два фактора: вероятность взаимодействия посредством рассеяния (вероятность рассеяния) и среднее изменение кинетической энергии нейтрона после такого взаимодействия. Для того чтобы вещество было эффективным замедлителем, необходимо, чтобы вероятность взаимодействия и средние энергетические потери были бы высокими. Замедляющая способность определяется как ξΣs, ãäå Σs —макроскопическое сечение взаимодействия, а ξ — средний логарифмический декремент энергии (или потеря

энергии в одном акте рассеяния). Этот декремент равен ln(Eäî) — ln(Eпосле), ãäå Eäî, Eпосле — энергии до и после рассеяния, соответственно. Когда в веществе с массо-

вым числом A преобладает процесс упругого рассеяния, средний логарифмиче- ский декремент энергии равен

Для A > 2ξ средний логарифмический декремент можно аппроксимировать выражением 2/(A + 0,67) [3]. Замедляющая способность вещества со сложным химическим составом определяется как

M

где ρ – плотность соединения;

M – молекулярная масса соединения; Na – число Авогадро;

ni – количество атомов i-го элемента в одной молекуле;

σi – макроскопическое сечение рассеяния для i-го элемента; ξi – логарифмический декремент энергии для i-го элемента.

Тем не менее материал с большой замедляющей способностью может оказаться бесполезным в качестве замедлителя, если он имеет большое сечение поглощения. Такой замедлитель будет эффективно уменьшать скорость непоглощенных нейтронов, однако доля оставшихся нейтронов может оказаться слишком незначительной для практического использования. Более полной мерой замедляющих свойств материалов является коэффициент замедления ξΣs/Σa. Если необходимо, чтобы коэффициент замедления был большим, то имеется ввиду не только