Коллоквиум №2

1. Ионизационные потери заряженных частиц

2. Пробеги заряженных частиц: средний, экстраполированный, максимальный

3. Тормозная способность веществ

4. Источники нейтронов и ионизационные потери электронов

5. Радиационные потери и критическая энергия электронов

6. Излучение Вавилова-Черенкова и его применение

7. Гамма-излучение ядер. Схемы распада. Метастабильные ядра.

8. Эффект Мессбауэра.

9. Рентгеновское излучение

10. Фотоэффект

11. Рассеяние квантов (комптоновское, рентгеновское)

12. Образование пар

13. Коэффициент передачи энергии квантов. Керма-эквивалент.

14. Коэффициент истинного поглощения гамма-квантов.

15. Цепная ядерная реакция

16. Эффективный коэффициент размножения

17. Реактивность

18. Критическая масса вещества

19. Возраст нейтрона

20. Средний логарифмический декремент энергии

21. Длина диффузии нейтронов

22. Длина миграции нейтрона

23. Коэффициент размножения нейтронов для бесконечной среды

24. Поток нейтронов

25. Плотность потока нейтронов

26. Флюенс нейтронов

27. Ядерный реактор. Основные составляющие

28. Мощность ЯР

29. Методы регис трации нейтронов

30. Методы регистрации гамма-квантов

31. Газонаполненные детекторы нейтронов

32. Пузырьковые детектора нейтронов

33. Сцинтилляционные детекторы нейтронов

34. Газонаполненные детектора гамма-квантов

35. Ионизационные камеры гамма-квантов

36. Счетчик Гейгера-Мюллера

37. Сцинтилляционные счетчики

38. Полупроводниковые детектора

39. Химические детектора гамма-квантов

40. Принцип действия ФЭУ

1. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - потери энергии заряженной частицей при прохождении через вещество, связанные с возбуждением и ионизацией его атомов. Удельные И. п. (- dE/dx), где E - кинетич. энергия частицы, называют тормозной способностью вещества. Они определяются как ср. энергия, потерянная частицей на единице длины пути. И. п. являются частью (для частиц тяжелее электрона преобладающей) общих электромагнитных потерь энергии, включающих также радиационные потери, Черенкова - Вавилова излучение ипереходное излучение .И. п. складываются из дискретных порций передач энергии атомам среды в отдельных столкновениях. В результате энергия частицы монотонно уменьшается, что приводит к её торможению, а при большой толщине вещества (или малой E)и к полной остановке. Различают полные, ограниченные и вероятные И. п. Полные И. п. отвечают любым передачам энергии в отдельных элементарных актах столкновений вплоть до максим, кинематически возможного предела T_макс. Полные удельные И. п. заряженных частиц тяжелее электрона (в г/см²) даются ф-лой Бете-Блоха:    Здесь A=0,1536 МэВ г^-1 см², z - заряд частицы в ед. заряда электрона, b~v/c (v - скорость частицы), g=(1- b²)^-1/2 - лоренц-фактор, Z и А- атомный номер 

2. ПРОБЕГ ЧАСТИЦЫ — путь, проходимый заряженной частицей до полного ее замедления в результате многочисленных упругих столкновений с ядрами атомов вещества, в котором движется эта частица Величина пробега зависит от энергии (скорости) движения частицы, ее заряда, массы, а также от свойств самого вещества (среды). Пробег увеличивается с энергией частиц и при заданной скорости примерно пропорционален массе частицы и обратно пропорционален квадрату ее заряда. Пробег чаще всего выражают не в единицах длины (сантиметрах), а в массовых единицах слоя вещества, проходимого частицей (г/см2).

3. ТОРМОЗНАЯ СПОСОБНОСТЬ ВЕЩЕСТВА - энергия, теряемая заряж. частицей в слое данного вещества единичной толщины. Энергия теряется за счёт возбуждения и ионизации атомов вещества (см. Ионизационные потери)и тормозного излучения (см. Радиационные потери).

4. Изотопные (ампульные) источники нейтронов.

В изотопных источниках нейтроны получаются либо в результате спонтанного деления (²⁵²Cf), либо в результате ядерных реакций (α,n) на легких ядрах, например ⁹Be(α,n)¹²C. В качестве источников альфа-частиц используются альфа-активные изотопы ²¹⁰Po, ²²⁶Ra, ²³⁹Pu, ²⁴¹Am. Интенсивность потока нейтронов от изотопных источников ограничена активностью препарата и обычно заметно меньше 10⁸ нейтронов в секунду.

Ядерные реакторы

Нейтронные генераторы

Использование ускорителей для генерации нейтроновые генераторы

Нейтронный источник на пироэлектрических кристаллах

Ионизационные потери энергии электронами. В области низких энергий электронов (E < 1 МэВ) определяющий вклад в потери энергии дают неупругие ионизационные процессы взаимодействия с атомными электронами, включающие ионизацию атомов. Передаваемая в одном столкновении энергия в среднем очень мала и при движении в веществе потери складываются из очень большого числа таких малых потерь.  Статистические флуктуации в ионизационных процессах ведут к разбросу потерь и величин пробегов.

5. Радиационные потери наблюдаются при ускоренном движении свободной заряженной

частицы в электрическом поле ядра. Пролетая вблизи ядра, заряженная частица отклоняется от своего

первоначального направления под действием кулоновской силы F. Эта сила связана с массой частицы m

и ее ускорением a вторым законом Ньютона F = ma. Свободный заряд, движущийся с ускорением a ,

излучает электромагнитные волны, энергия которых пропорциональна порядковому номеру элемента a

Следовательно, радиационные потери тяжелых заряженных частиц значительно меньше радиационных

потерь (электронов и позитронов). С увеличением энергии электронов их электрическое поле в

перпендикулярном направлении усиливается, поэтому радиационные потери растут пропорционально

кинетической энергии электронов Ее- Следовательно, удельные радиационные потери энергии Ее-пропорциональны энергии и квадрату порядкового номера вещества:

Энергия электронов Екрит, при которой величина удельных радиационных потерь равна величинеудельных ионизационных потерь (К=1) - называется критической.

6.Эффект Вавилова — Черенко́ва (излучение Вавилова — Черенкова) — свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Черенковское излучение широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей

7. Гамма излучение (‑излучение) - испускание кванта электромагнитного излучения при спонтанном переходе ядра с более высокого

энергетического уровня на любой нижележащий. Очевидно, что в этом случае А и Z ядра не изменяются. В отличие от рентгеновских и квантов видимого света, испускаемых при переходах атомных электронов, фотоны, испускаемые ядрами, называются -квантами, хотя для обозначения квантов любого происхождения сохраняется обобщающее название фотон. Излучение -кванта является основным процессом освобождения ядра от избыточной энергии, при условии, что эта энергия не превосходит энергию связи нуклона в ядре. Таким образом, по своей физической природе -квант - это порция энергии E_ =   электромагнитного поля. Переходы, при которых испускаются -кванты, называются радиационными.

Метастабильное состояние ядер наблюдается в том случае, если время жизни возбужденного состояния ядра сохраняется более 10^-13 с. и составляет от долей секунд до тысячелетий. Такие ядра называют изомерами, и их изомерия проявляется в том, что одни и те же по составу ядра находятся на различных энергетических уровнях. Ядро - изомер, которое расположено на более высоком энергетическом уровне, принято называть возбужденным или метастабильным. Метастабильное ядро обозначают звездочкой или буквенным индексом m. Переход ядра из метастабильного в основное состояние называют изомерным переходом. Изомерный переход сопровождается g-излучением определенной энергий. Поскольку и основное, и метастабильное состояния ядер могут подвергаться радиоактивному распаду, то они одновременно могут обладать различными видами радиоактивного распада.

8. Эффект Мёссбауэра или ядерный гамма-резонанс, открытый в 1957 или 1958 году Рудольфом Мёссбауэром в Институте им. М. Планка в Гейдельберге (ФРГ), состоит в резонансном испускании или поглощении гамма-фотонов без изменения фононного спектра излучателя или поглотителя излучения соответственно. Иными словами, эффект Мёссбауэра — это резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи.

9. РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ-невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо.

10. Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит.

11. Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие упругого рассеивания его электронами.

Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение частоты света, претерпевающего рассеяние на релятивистских электронах, имеющих энергию выше, чем энергия фотонов. То есть в процессе такого взаимодействия происходит передача энергии от электрона фотону.

малоугловое рентгеновское рассеяние сокр., МРР (англ. small angle X-ray scattering сокр., SAXS) — упругое рассеяние рентгеновского излучения на неоднородностях вещества, размеры которых существенно превышают длину волны излучения, которая составляет λ = 0,1–1 нм; направления рассеянных лучей при этом лишь незначительно (на малые углы) отклоняются от направления падающего луча.

12. Образование пар − процесс рождения фотоном электрон-позитронной пары в кулоновском поле ядра или электрона. Это пороговый процесс. Энергия фотона должна быть больше удвоенной энергии покоя электрона Eγ > mec2. Вероятность процесса образования электрон-позитронной пары в поле ядра пропорциональна квадрату заряда ядра Z2 и быстро растёт от порога с увеличением энергии фотонов. Если энергия фотона достаточно велика, то он может рождать и другие пары частиц с нулевым электрическим зарядом и нулевыми лептонным и барионным зарядами. Например, пару мюонов (μ+μ-) или пару протон-антипротон (p).

13. Коэффициент передачи энергии излучения

Ослабление пучка гамма-квантов в слое вещества обусловлено процессами поглощения и рассеяния квантов и характеризуется коэфициентом ослабления ц (см.(10)), который может быть представлен в виде двух слагаемых

м = м_г + м_s

где м_г - часть, обусловленная преобразованием энергии косвенно ионизирующего излучения в энергию вторичного излучения (электронов), м_s – коэффициент рассеяния.

Керма-эквивалент Ке - мощность воздушной кермы К фотонного излучения с энергией

фотонов больше заданного порогового значения δ точечного изотропно излучающего источника,

находящегося в вакууме, на расстоянии r от источника, умноженная на квадрат этого расстояния: Ке=Кr2.

Единица керма-эквивалента - грэй на метр в квадрате в секунду (Гр.м/с). Предпочтительная единица - аГр.м/с. Нетрудно показать, что числовое значение керма-эквивалента в нГр.м/с (множитель н (нано) =10-9) в 2,04 раза больше числового значения радиевого γ-эквивалента, выраженного в мг-экв. Rа

14. Коэффициент µе называют коэффициентом истинного поглощения или коэффициентом

электронного преобразования. Он определяет долю энергии γ-излучения, переданную электронам и

позитронам в слое вещества. Значения µ и µe в различных средах даны в Табл. 7. µs - линейный

коэффициент рассеяния, он определяет долю энергии γ-излучения, преобразованную в энергию

вторичного γ-излучения. Используя линейный коэффициент поглощения, легко рассчитать энергию

излучения Е, поглощенную в единице объема вещества. Если поток моноэнергетических Y - квантов с

энергией Eγ равен Ф, то:

Ee=µe*ФЕγ.

15. Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

16. Эффективный коэффициент размножения отношение числа нейтронов данного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения в реакторе. Он определяет динамику цепной ядерной реакции: при k = 1 реакция идет с постоянной скоростью, при k > 1 ускоряется, при k < 1 затухает. Состояние реактора, при котором эффективный коэффициент размножения Kэфф = 1 называется критическим. Состояния с Kэфф >1 и Kэфф < 1 называются соответственно надкритическим и подкритическим.

17. Реактивность ядерного реактора ρ — величина, характеризующая динамику цепной реакции в активной зоне ядерного реактора. Реактивность выражается через коэффициент размножения нейтронов следующим образом:

Понятие реактивности широко используется при описании некритических состояний реакторов. Поскольку k обычно мало отличается от единицы, ρ ≈ k − 1, то есть реактивность показывает превышение k над единицей. В критическом реакторе ρ=0, в надкритическом реактивность положительна, в подкритическом — отрицательна. Если какое-либо явление приводит к снижению коэффициента размножения, говорят, что оно порождает отрицательную реактивность. Если в результате некоторого эффекта k увеличивается, эффект сопровождается появлением положительной реактивности.

18. Критическая масса — в ядерной физике минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими.

19. Возраст нейтронов с энергией Е - это шестая часть среднего

квадрата пространственного смещения нейтрона в среде при

замедлении от начальной энергии Ео до данной энергии Е.

Величина возраста обозначается греческой буквой t(E) с указанием на

энергию Е замедляющихся нейтронов, которой соответствует возраст.

Возраст нейтронов, как квадрат длины замедления, имеет размерность

площади - см2

20. Средняя потеря энергии нейтрона на одно столкновение выражается логарифмическим декрементом, описываемым уравнением:

 = ln ( E_o / E ) = 1 + [( A - 1 )² / 2A ] ln [ ( A - 1 )/( A + 1 ) ]

21. Диффузионная длина равна среднему расстоянию между точками, где нейтрон стал тепловым и где он был поглощен ядром атома. ДИФФУЗИЯ НЕЙТРОНОВ - распространение нейтронов в веществе, сопровождающееся многократным изменением их энергии и направления движения в результате столкновений с атомными ядрами.

22. Ранее было введено важное понятие физики реакторов — площадь миграции нейтроновМ 2.