4

7.Альбиков З.А., Веретенников А.И., Козлов О.В. Детекторы импульсного ионизирующего излучения. М.: Атомиздат, 1978.

8.Кронгауз А.Н., Ляпидевский В.К., Мандельцвейг Ю.Б., Подгорный В.Н. Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений. М.: Атомиздат, 1973.

9.Nakooka H., Nishimura M., Matsubara S., Tateishi N. Development of multi detector for personal dosimeter, - Proc. of international Symposium radiation safety, Moscow, 1994, p. 123 ÷ 129.

10.Rose M.E., Korff S.A. The behavior of proportional counters. Phys. Rev., 59, 850 (1941)

11.Публикация № 59 МКРЗ Биологические основы ограничения доз в коже. – М.: Радэкон, 1966.

12.Методические указания «Дозиметрический контроль внешнего профессионального облучения» (МУ 2.6.1.25 – 2000).

521

Глава 15. Основы дозиметрии нейтронов

1.Введение

Вконце 1930 г. Боте и Беккер обнаружили проникающее излу-

чение, возникающее при облучении некоторых легких ядер ̶частицами полония. Два года спустя Кюри и Жолио обнаружили возникновение протонов, исходящих из водородосодержащей мишени под действием нового вида излучения. Чедвик, проанализировав результаты экспериментов, пришёл к заключению, что новые частицы не имеют заряда, а их масса почти равна массе протона. эта частица была названа нейтроном.

Масса протона, выраженная через энергию покоя, равна (938,2796± 0,00028) МэВ, а наиболее точное значение массы нейтрона соответствует (939,5731 ± 0,00028) МэВ. Нейтрон приблизительно на 0,78 МэВ тяжелее протона и электрона, вместе взятых, и поэтому энергетически возможен распад свободного нейтрона на протон и электрон. Действительно, Снелл и Миллер в 1948 г. установили факт распада нейтрона. Последующие эксперименты ряда авторов позволяют установить = 10,25 мин. Гра-

− масса протона). Отношение магнитных моментов нейтро-

нов и протонов равно ~ 0,685.

Нейтрон, как элементарная частица, при взаимодействии с веществом проявляет волновые свойства. Длина волны, выраженная в см, определяется формулой де Бройля:

где − импульс нейтрона (до 90 МэВ нейтрон можно рассматривать как классическую нерелятивистскую частицу); − энергия нейтрона, эВ. Волновые свойства нейтронов в большей мере проявляются при низких энергиях, когда значение λ сравнимо с разме-

522

рами атомов. Энергии нейтронов предопределяют характер их взаимодействия с ядрами среды. Нейтроны обладают большой проникающей способностью в средах, лишённых специфических ядер с гигантскими резонансами захвата. Нейтроны испытывают упругое и неупругое рассеяние, уменьшают свою энергию при прохождении сред. Если спектр фотонов даже в такой среде, как вода, реально простирается до 30 кэВ, в бетоне − до 50 кэВ, то спектр

Нейтроны по энергии и характеру взаимодействия принято делить на группы. В зависимости от задач число групп может быть различно и границы их размыты. В качестве примера приведём подробную таблицу групп нейтронов (табл. 15.1).

В задачах, существующих в дозиметрии, нет необходимость столь детального представления групп. Можно без ущерба ограничиться четырьмя группами (Доклад 20 МКРЕ [5]): тепловые

нейтроны–энергии меньше 0,4 ÷ 0.5 эВ (точнее менее эффектив523

Нейтрон по мере прохождения через вещество помимо упругого рассеяния, в результате которого нейтрон теряет часть энергии и создаёт ядра отдачи, испытывает неупругое рассеяние, радиационный захват и вступает в ядерные реакции : (n,p), (n,α), (n,2n). В реакциях с тяжёлыми, делящимися ядрами может произойти акт деления с испусканием, как правило, двух радиоактивных ядер (осколков) и двух или более нейтронов.

Следует подчеркнуть, что радиационный захват нейтронов сопровождается каскадом фотонов, энергии некоторых из них доходят до десятка МэВ. При неупругом рассеянии энергии фотонов составляют сотни кэВ.

Для описания ядерных реакций под действием нейтронов можно сделать общую запись:

+= + + ,

дить при энергиях нейтронов больше порога. Энергия порога в системе центра масс равна по модулю величине , а в лабораторной

ем , выраженном обычно в специальных единицах, барн. 1 барн =

действия характеризуют суммой сечений отдельных процессов:

σ = Σ σ .

Рассмотрим характерные черты поведения нейтронов в каждой группе энергий, существенные для дозиметрии и регистрации нейтронов. Необходимо обратить внимание на часто совершаемую ошибку, когда какой-либо детектор регистрирующий частицы и нейтроны, в частности, называют дозиметром. Энергетическая чувствительность дозиметра должна воспроизводить функцию той или иной дозы от энергии частиц во всем энергетическом интервале или в пределах оговоренной энергетической группы.

2.Типичные виды взаимодействия нейтронов

сбиологической тканью и веществом детекторов

2.1.Тепловые нейтроны

В рамках представлений статистической физики нейтроны являются идеальным газом. Поэтому спектр нейтронов, замедлившихся до скоростей атомов и молекул окружающей среды, будет максвелловским.

Рассмотрим бесконечную среду с малым поглощением нейтронов. В результате рассеяния нейтроны теряют энергию. Но при малых энергиях они могут как отдавать энергию атомам среды, так и получать её в соударениях. Рассмотрим энергию нейтронов источ-

525

ника, во много раз превосходящую энергию теплового движения. Тогда в фазовом пространстве среды можно записать равенство [1]:

где ˈ − энергии нейтронов, превосходящие интересующую нас энергию ; а Σ и Σ − полное сечение и сечение упругого рассеяния. Учитывая, что в области замедления спектр описывается уравнением Ферми:

Cпектр тепловых нейтронов описывается законом Максвелла:

где T − средняя температура замедлившихся нейтронов, k ̶ постоянная Больцмана, 8,62∙10 эВ/K. Вероятная энергия плотности потока равна kT .

В нейтронной физике часто используют понятие концентрации нейтронов, в области тепловых нейтронов распределение концентрации по энергиям, ( ), выглядит следующим образом:

ное число нейтронов максвелловского спектра.

Средняя энергия тепловых нейтронов оказывается несколько выше средней энергии теплового движения атомов среды, что вы-

526

звано непрерывным поглощением нейтронов, нарастающим с уменьшением энергии. Нейтронный газ оказывается горячее, чем среда. Температура нейтронного газа, ,может быть оценена по формуле

= 2200

Необходимо отметить, что максвелловский спектр плавно переходит в спектр замедляющихся нейтронов. Условно считают гра-

гии нейтроном и возрастания плотности потока. Для жёстко связанных атомов сечение рассеяния вычисляют путём умножения сечения свободного атома, экспериментально измеренного в области энергий (10 ÷ 20) эВ, на множитель, равный квадрату приведённой массы:

σсвяз = σ . (15.9)

Однако, если вблизи области тепловых энергий в сечениях наблюдается резонансы, то такого пересчёта делать нельзя. Например, для газа водород сечение рассеяния 38 барн, а связанное сечение 81,5 барна, для углерода – 4,8 и 5,53 соответственно.

В практической дозиметрии принято пользоваться понятием эффективный поток тепловых нейтронов. Эффективный поток тепловых нейтронов – это часть общего потока, которая отсекается

527

кадмиевым фильтром. У Cd сечение захвата тепловых нейтро-

нов достигает 2 ∙ 10 барн. Содержание этого изотопа в природном кадмии не превосходит 12,3 %, но он определяет использование кадмия для отсечки тепловых нейтронов. Резонанс в сечении кадмия расположен в переходной области от спектра тепловых нейтронов к спектру промежуточных нейтронов. Функция пере-

граничная энергия зависит от формы кадмиевого фильтра и различна для изотропного и мононаправленного потоков.

тора и экрана в изотропном поле гр возрастает до 0,62 эВ. Для

экрана толщиной 1,52 мм граничные энергии увеличиваются и для тех же геометрий равны 0,57; 0,62; 0,77 эВ соответственно.

Здесь была рассмотрена слабопоглощающая среда. Но тем не менее поглощение нейтронов имеет место или в актах радиационного захвата, например водородом, или в актах ядерных экзотермических реакций, например на азоте.

Сечение взаимодействия нейтронов в тепловой области обычно относят к стандартной энергии при нормальной температуре (293 К). Обычно в тепловой области сечение поглощения изменяется по закону 1/v. Число поглощений нейтронов в единице объёма равно

нейтронов в оговоренных выше условиях равно

528

Для расчётов принимают, что нейтрон имеет одну и ту же скорость, наиболее вероятную в распределении по скоростям; от

все величины имеют статистическую природу.

Нейтрон, пройдя средний путь λ , снижает, сталкиваясь с ядром среды, логарифм энергии на величину ξ. Если скорость нейтрона , то число столкновений в единицу времени будет равна

=λ = ∙Σ . Логарифмический декремент ξ характеризу-

ет среднее изменение логарифма энергии в каждом столкновении:

Изменение энергии замедляющихся нейтронов в единицу времени равно:

Используя модель непрерывного замедления, можно определить время замедления от некоторой начальной энергии б до тепловой

(E0 Eб):

энергия спектра деления) до 0,025 эВ равно 6,7 мкс, а время диффузии – 210 мкс. Ещё большее различие будет в графитовой сборке: 149 мкс и 1,5∙ 10 мкс соответственно. Время пребывания нейтронов в тепловой области во много раз больше времени замедления, и нейтроны накапливаются в тепловой области. Различие в плотностях потока не будет столь значительным из-за умножения концентрации нейтронов на их скорость.

Состав мягкой биологической ткани предписан международными нормами и рекомендациями. Он включает кислород, углерод, водород и азот. Содержание водорода − 10,1 % (для сравнения в воде, которая часто выступает в качестве заменителя стандартной ткани, водорода несколько больше – 11,1 %, в полиэтилене ещё больше – 14,3 %). Для нейтронов этот состав необходимо дополнить некоторыми элементами: серой (0,2 %), фосфором (0,2%), натрием (0,14 %). Из-за малого содержания эти элементы не принимают участия в формировании дозы, но они могут быть использованы для дозиметрических целей в аварийных ситуациях, когда источник нейтронов выходит из-под контроля, и нет возможности получить приборную информацию о дозе. В этом случае может помочь активация нейтронами натрия, серы, фосфора.

Тепловые нейтроны в результате актов рассеяния не способны передать энергию, достаточную для ионизации среды. Керма теп-

– 1,7 барн, пробег протонов с такой энергией в ткани около 1

ства таких протонов, усреднённый по длине пробега, равен 15,5. Поэтому эта реакция вносит существенный вклад в эквивалентную дозу.

Другой реакцией, определяющей поглощённую дозу в теле человека от тепловых нейтронов, является радиационный захват нейтронов атомами водорода. Сечения реакции захвата по разным справочникам различаются: 322 ±2 мбарн [2], 333 мбарн [3], 313

530