4

При энергии нейтрона, превышающей первый уровень возбуждения ядра, может произойти неупругое рассеяние, в результате которого образуется рассеянный нейтрон и ядро отдачи в возбуждённом состоянии, которое снимается испусканием фотона,

Неупругое рассеяние можно считать изотропным. Неупругое рассеяние носит пороговый характер, с ростом порог смещается в область меньших энергий. Сечение неупругого рассеяния возрастает от нуля при пороге до 1÷2 барн на интервале 1÷2 МэВ, выходит на плато и затем снижается. Для неупругого рассеяния, когда из-

Помимо энергии уровня необходимо знать парциальные сечения рассеяния.

Так, на углероде первый уровень возбуждения равен 4,44, второй − 7,66, третий − 9,62 МэВ. Энергия испускаемых фотонов (4,42 ± 0,03) МэВ. Сечение неупругого рассеяния для нейтронов с энергией 6,5 МэВ равно (357 ± 60) мбарн. При энергии 14 МэВ сечение неупругого рассеяния на этом уровне уменьшается до 300 мбарн, но появляется возможность рассеяния через более высокие уровни: σ (7,5 МэВ) = 400 мбарн, а σ (9,6 МэВ) = 160 мбарн. Отметим, что сечение упругого рассеяния в этом диапазоне энергий около 1000 мбарн.

На азоте уровни возбуждения лежат при меньших энергиях: 2,31 и 3,95 МэВ. При энергии нейтрона 4 МэВ сечение неупругого рассеяния равно всего 6 мбарн.

В ядре кислорода уровни расположены весьма тесно, начиная с 6,06 МэВ: 6,13; 6,91; 7,11 МэВ. Энергия фотона при неупругом рас-

сеянии велика – 6,1 МэВ при сечении 104 ± 25мбарн.

Наряду с неупругим рассеянием при высоких энергиях нейтронов могут происходить ядерные реакции ( , ); ( ,α); ( ,2 ). Для

541

мышечной ткани важна реакция ( ,α), идущая на кислороде. Её порог ~ 3,6 МэВ. Ход сечения немонотонный. Первый большой и широкий максимум наблюдается при 4,15 МэВ и достигает 120 мбарн, второй максимум − при 4,6 МэВ (σ = 100 мбарн), третий всплеск сечения − при 5,15 МэВ (σ = 180 мбарн).

Из других элементов уместно упомянуть серу. Под действием

значение эффективного сечения – (250±5) мбарн.

Эффективное пороговое сечение − это аппроксимация истинного хода сечения прямоугольным распределением с резким порогом, которые подобраны так, чтобы влияние реальных спектров нейтронов на величину сечения было минимальным. Сера содержится в волосах, и были попытки использовать волосы как детектор в аварийных случаях, когда человек случайно оказывается в интенсивном поле нейтронов.

3. Расчёт кермы нейтронов в биологической ткани

Вспомним, что керма кинетическая – энергия всех заряженных частиц, возникших при взаимодействии косвенно ионизирующего излучения. Для определения кермы фотонного излучения требовалось обеспечение электронного равновесия. Это требование с ростом энергии фотонов выполнялось все труднее и труднее, так как пробег электронов с максимальной энергией рос быстрее среднего пробега фотонов. Для нейтронного излучения ситуация лучше, поскольку пробеги протонов и других ядер отдачи неизменно меньше средних пробегов нейтронов. Для примера рассмотрим полиэтилен, который часто является основным материалом камер, пропорциональных дозиметрических счётчиков, фантомов. Интересующие данные представлены в табл. 15.3.

Как видим, пробеги несовместимы, поэтому измерение кермы может быть легко обеспечено.

В литературе керму иногда называют первоударной дозой (the first collision dose).

542

Таблица 15.3

Средние пробеги нейтронов, максимальные пробеги протонов и ионов углерода в полиэтилене

В области тепловых энергий нейтроны передают при соударениях с атомами среды такую же энергию, какую получают от атомов. Главный вклад вносит реакция ( , ) на азоте. Сечение реак-

ции уменьшается с ростом энергии по закону 1 . При захвате нейтрона ядром водорода рождается дейтерий (сечение захвата 0,333 барн) и фотон с энергией 2,185 МэВ. При испускании фотона захватного излучения часть энергии передаётся образовавшемуся ядру. В этом случае энергия ядра отдачи равна 0,87 кэВ. Сечение захвата на водороде также следует закону 1/v.

Таким образом, керма нейтронов в тепловой области энергий и в

ской ткани постоянны в промежуточной области, керма ядер отдачи будет увеличиваться пропорционально энергии нейтрона.

Значение кермы в СИ при единичном флюенсе нейтронов (1/см2) равно:

Долгое время использовалась внесистемная единица рад (1 рад

= =10 Гр), поэтому для сравнения с величинами дозы и кермы прошлых лет используют сантигрей (сГр).

Минимум кермы наблюдается при равенстве вкладов от протонов реакции на азоте и от ядер отдачи при рассеянии, он лежит около 30 эВ. При энергии нейтронов выше 10 кэВ сечение на водо-

543

Рис. 15.1. Керма нейтронов и её компоненты: 1 – полная керма; 2 – протоны отдачи от рассеяния на водороде; 3, 4 – ядра отдачи от упругого рассеяния на кислороде и углероде; 5 – ядра отдачи от упругого рассеяния на азоте; 6 – все ионы от неупругого рассеяния; 7 – протоны от всех ( , ) - реакций; 8 – -частицы от всех ( ,α) - реакций

545

Контрольные вопросы

1.Рассчитать макроскопическое сечение рассеяния нейтронов в воде, если известны сечения на ядрах водорода (20 барн) и кислорода (4,5 барн).

2.Рассчитать для тех же условий керму нейтронов с энергией 1 кэВ в воде.

3.В реакторе поддерживается температура 300 °С. Оцените по-

5.Представим себе сферический замедлитель. Сохраняется ли неизменным время диффузии 210 мкс при уменьшении радиуса сферы?

6.При захвате нейтрона ядра алюминия испускают каскад фотонов, в том числе с энергией 11 МэВ. Оцените максимальную энергию ядра отдачи.

7.Чем отличается резонансный интеграл от сечения, хотя оба измеряются барнами?

8.В области промежуточных нейтронов обычно средняя энергия

ли множитель перед энергией нейтрона для быстрых нейтронов? 9. В среде присутствует нуклид с мощным резонансом поглощения нейтронов в области промежуточных энергий. Как изменится спектр нейтронов?

Список литературы

1.Крамер-Агеев Е.А., Лавренчик В.Н., Самосадный В.Т. Экспериментальные методы нейтронных исследований. М.: Энергоатом-

издат, 1990.

2.Справочник по ядерно-физическим константам для расчёта реакторов. М.: Атомиздат, 1960.

3.Физические величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991.

546

4.Тканевые дозы нейтронов в теле человека. Справочник. В.Т.Золотухин, И.Б. Кеирим-Маркус, О.А. Кочетков, Г.М. Обауров, В.И. Цветков. М.: Атомиздат.

5.Приборы для контроля радиационной безопасности и их применение. (доклад 20 МКРЕ). В кн «Радиационная безопасность. Величины, единицы, методы и приборы» Пер. с англ. Под ред. И.Б. Кеирим-Маркуса. М.: Атомиздат, 1974.

547

Глава 16. Дозиметрия нейтронов

1. Источники нейтронов

По способу получения нейтронов источники можно классифицировать следующим образом:

1.Использование ядерных реакций, которые протекают в мишенях, устанавливаемых на ускорителях протонов, дейтронов, ядер гелия.

2.Применение фотоядерных реакций.

3.Источники спонтанного деления.

4.Изотопные (α, ) источники.

5.Ядерные реакторы.

Остановимся в начале этого раздела на первом типе получения нейтронов. Такие генераторы являются уникальными установками, которые позволяют получить набор моноэнергетических нейтронов. Все ядра, кроме водорода, содержат нейтроны и, если в такое ядро внести энергию, превышающую энергию связи нейтрона в ядре, появляется вероятность генерации нейтрона. Пусть налетаю-

только при энергии налетающей частицы больше порогового значения пор. Из решений системы кинетических уравнений было

получено пор. = − 1+ . Это значение называют передним

порогом реакции. Рождённая частица не может появиться под углом, большим π 2, если её энергия не превосходит ещё один пре-

548

+. При энергии налетающей частицы, заключённой между

пороговыми значениями, наблюдается два значения энергии рождённой частицы (нейтрона в нашем случае). При энергии¸ большей пор. , величина энергии нейтрона становится однозначной функ-

цией угла наблюдения θ .

Рассмотрим кратко некоторые реакции [1, 2].

( , ) . пор. = 1,88 МэВ. Максимальная энергия нейтро-

нов 30 кэВ, нейтроны с такой энергией летят в узком конусе. Сечение образования нейтронов имеет широкий резонанс возле энергии 2,25 МэВ (σ = 0,6 барн). Для нейтронной физики и метрологии нейтронов эта реакция интересна тем, что образуются нейтроны с энергиями в области десятков кэВ, разлетающихся под углами, большими 90 град. по отношению к пучку протонов, хотя выход реакции под такими углами невелик. Максимальная энергия моноэнергетических нейтронов равна 650 кэВ.

сорбцией трития при высоких температурах слоями циркония (10 мкг/см2), нанесёнными на вольфрамовую или платиновую подложку. Потери энергии протонов в такой мишени составляют 10 кэВ и определяют ширину линии нейтронов.

конкурирующая реакция ( , )

ции даже несколько выше и равна 4,032 МэВ. Для энергий дейтронов 0,156 ÷ 0,456 МэВ испускание нейтронов более вероятно, чем протонов. Сечение образования нейтронов при энергии 10 кэВ достигает пологого максимума со значением около 100 барн при энергии дейтронов от 1 до 4 МэВ и далее медленно спадает.

549

России разработаны малогабаритные генераторы нейтронов, поставляемые и за рубеж. В реакции формируются нейтроны с энергией 14,1 МэВ. Энергия нейтрона из-за большого значения мало чувствительна к углу вылета. Для энергии дейтронов 200 кэВ нейтроны, выходящие под углом 90° к пучку дейтронов, имеют энергию 14 МэВ; для любых других углов энергия нейтронов изменяется не более, чем на ± 7 %. Возникающие ядра гелия имеют энергию 3,7 МэВ, могут быть зарегистрированы и с высокой точностью свидетельствовать о потоке нейтронов. При энергии дейтронов 110 кэВ в сечении обнаруживается резонанс со значением 5 барн. Для энергии дейтронов менее 400 кэВ угловое распределение в системе центра инерции практически изотропно. При длительном использовании мишеней происходит накопление дейтерия и может возникнуть группа нейтронов с энергиями, характерными для ре-

акции D( , ) He.

( , ) Изотопные нейтронные источники. Именно бомбарди-

ровка бериллия − частицами привела в 1932 г. к открытию нейтрона. Существуют две ветви этой реакции:

Во второй ветви реакции углерод находится в возбуждённом состоянии и испускает фотон с энергией 4,42 МэВ. Реакция зкзоэнергетическая и позволяет получить нейтроны с энергиями от 7,7 до 10,6 МэВ при использовании −частиц с энергиями от 2 до 5 МэВ. Отметим, что выход нейтронов по второй ветви больше, чем по первой. Раньше для получения нейтронов использовали α ̶излуче-

МэВ), реже − америций. Спектр нейтронов имеет сложный характер, с несколькими широкими пиками. Спектр зависит от технологии изготовления источников.

550