22. Взаимодействие нейтронов с веществом

22. Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтроны являются одними из частиц, находящихся в ядрах атомов и могут быть испущены при их делении или при ядерных реакциях. Все свободные нейтроны начинают жизнь как быстрые нейтроны, с энергиями больше 0.10 МэВ. Быстрые нейтроны замедляются, и их энергия уменьшается при столкновениях с ядрами атомов поглотителя. Затем нейтроны переопределяются как промежуточные (диапазон энергий от 0.025 эВ до 0.10 МэВ) или тепловые (ниже 0.025 эВ). (Отметим, что определения промежуточных и быстрых нейтронов неточные, и Вы можете обнаружить, что различные книги приводят различные диапазоны энергий. Эти различия не является важными при описании взаимодействий, приведенных в этом модуле.)

Нейтроны взаимодействую с веществом тремя способами:

  • Упругое рассеяние
  • Неупругое рассеяние
  • Поглощение нейтронов

Упругое и неупругое рассеяние являются процессами, в ходе которых быстрые и промежуточные нейтроны замедляются. Когда нейтроны достигают тепловых энергий, они поглощаются в процессе нейтронного захвата.

6.1         Упругое рассеяние

Упругое рассеяние – это название процесса, посредством которого быстрые или промежуточные нейтроны испытывают упругие столкновения на ядрах атомов поглотителя и нейтрон отклоняется или рассеивается. Упругое столкновение является столкновением, при котором суммарная кинетическая энергия частиц сохраняется, то есть она одинакова после и перед соударением. При упругом столкновении быстрый или промежуточный нейтрон соударяется с ядром поглотителя и теряет часть своей первоначальной энергии. Эта энергия передается ядру-мишени в виде кинетической энергии и ядро-мишень как бы отскакивает. Затем нейтрон отклоняется или рассеивается (смотрите Рисунок 9). Отметим, что направление, в котором отскакивает бомбардируемая частица, и величина рассеивания нейтрона зависит от переданной энергии.

Рисунок 9

Упругое рассеяние нейтронов

Наиболее эффективный путь, по которому кинетическая энергия нейтрона передается поглотителю, – взаимодействие с частицей с такой же массой, например, другим нейтроном или протоном. Если нейтрон ударяется о ядро атома мишени, масса которого намного больше, чем он сам, он отскакивает от мишени, как мячик для крикета отскочивший рикошетом от чего-либо, и теряет очень мало энергии. Аналогично, если нейтрон сталкивается с мишенью, которая меньше, чем он сам, мишень будет вытолкнута, как мячик для крикета отталкивает мячик для настольного тенниса, и очень малая часть энергии теряется нейтроном. Однако, если нейтрон соударяется с протоном или нейтроном, энергия падающего нейтрона делиться между частицей-мишенью и нейтроном. На практике, это означает, что материалы, обогащенные водородом (такие как вода, бетон и парафин) являются лучшими материалами для защиты от нейтронов, так как протон атомов водорода позволяет рассеять энергию падающих нейтронов относительно быстро.

Важно помнить, что отскакивающие в результате упругого рассеяния нейтронов ядра являются тяжелой заряженной частицей. Они теряют свою энергию с высокой скоростью, взаимодействуя с атомами среды таким же образом, как альфа-частицы и, следовательно, классифицируются как ионизирующее излучение с высокой ионизирующей способностью. По этой причине, учитывая, что упругое рассеяние является наиболее вероятным взаимодействием для быстрых нейтронов в биологической ткани, нейтроны могут быть особенно опасны при облучении тела человека.

6.2         Неупругое рассеяние

Более сложное взаимодействие может иметь место, когда быстрые или промежуточные нейтроны сталкиваются с мишенью, которая намного больше, чем они сами, и не отскакивает (как в случае упругого рассеяния), а временно поглощается ядром-мишенью. После короткого времени нейтрон переиспускается с уменьшенной энергией, а ядро-мишень остается в возбужденном состоянии. Затем ядро снимает возбуждение путем испускания гамма-излучения. Поскольку суммарная кинетическая энергия не сохраняется при этом столкновении (потому что часть энергии идет на образование гамма-излучения), этот тип столкновения называется неупругим столкновением. А сам тип взаимодействия называется неупругим рассеянием (смотрите Рисунок 10).

Рисунок 10

Неупругое рассеяние нейтронов

Вероятность неупругого рассеяния зависит от энергии нейтрона, возрастая по мере роста энергии нейтрона. Там, где возможен этот тип взаимодействия, при защите от нейтронов следует принимать во внимание испускание гамма-излучения.

6.3         Поглощение нейтронов

Когда быстрые и промежуточные нейтроны замедлены в результате упругих и неупругих столкновениях, они становятся тепловыми нейтронами с энергиями порядка 0.025 эВ. Большинство тепловых нейтронов поглощаются и становятся частью ядер атомов поглотителя. Затем эти ядра должны избавиться от избыточной энергии, обычно путем испускания гамма-излучения (смотрите Рисунок 11).

Рисунок 11

Поглощение нейтронов

Поглощение нейтрона может также быть результатом следующих реакций:

  • Для некоторых легких ядер поглощение нейтрона ведет к испусканию протона.
  • Поглощение нейтрона в боре или литии ведет к испусканию альфа-излучения.
  • Поглощение нейтрона тяжелым ядром, таким как уран или плутоний, может привести к ядерному делению.
  • При поглощении нейтронов могут образовываться радиоактивные изотопы, процесс известный как нейтронная активация (смотрите Модуль 1.3 «Ионизирующее излучение и радиоактивный распад»). Примером нейтронной активации является облучение нейтронами стабильного иридия с образованием иридия-192. (Этот изотоп является гамма/бета излучателем, который используется в промышленной гамма-радиографии.)

Способность атомов поглотителя захватывать нейтроны зависит от величины, называемой сечением захвата, которое измеряется в единицах, называемых барн. Кадмий, литий и бор являются очень хорошими поглотителями тепловых нейтронов, но при поглощении в кадмии и боре образуется гамма-излучение, которое следует учитывать при проектировании защиты от нейтронов. Атомы водорода в полиэтилене замедляют до тепловой энергии нейтроны, которые затем могут поглощаться ядрами бора или лития. Альфа-частицы, образующиеся при этом поглощении, быстро ослабляются, а основную опасность представляют кванты гамма-излучения с энергией 0.48 МэВ образующиеся при взаимодействии нейтронов с бором, и возможно, гамма-излучение с энергией 2.26 МэВ, которое образуется при поглощении нейтронов ядрами водорода. При этом поглощение тепловых нейтронов водородом не носит тотального характера, так как сечение захвата у водорода относительно низкое.

6.4         Резюме по взаимодействию нейтронов с веществом

В Таблице 2 обобщены данные по типам взаимодействия нейтронов с веществом.

Таблица 2

Взаимодействие нейтронов с веществом

Упругое рассеяние Неупругое рассеяние Поглощение нейтрона
Энергия нейтрона Быстрый Быстрый Тепловой
Зависимость от Z поглотителя Низкая Высокая Зависит от сечения захвата.
Проблемы Ядро отдачи является сильно ионизирующим.Наиболее распространенное взаимодействие в биологической ткани. Ядро отдачи является сильно ионизирующим.Испускается гамма-излучение и его следует принимать во внимание при проектировании защиты. Возможно образование высокоэнергетического гамма-излучения.

1.    Резюме по взаимодействию ионизирующего излучения с веществом

В Таблице 3 дано обобщение основных механизмов взаимодействия ионизирующиего излучения с веществом.

Таблица 3

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Ионизирующее излучение Процесс Замечания
Альфа Неупругие взаимодействие со связанными электронами Приводит к возбуждению и ионизации
Бета
  • Неупругие взаимодействия с электронами атомов
  • Приводит к возбуждению и ионизации
  • Торможение в поле ядра
  • Приводит к испусканию тормозного излучения
Гамма и рентгеновское
  • Фотоэффект
  • Фотон поглотился
  • Комптон-эффект
  • Фотон рассеялся
  • Образование пар
  • Образовались фотоны с энергией 0.51 МэВ
Нейтронное
  • Упругое рассеяние
  • Нет гамма-излучения
  • Неупругое рассеяние
  • Образуется гамма-излучение
  • Поглощение нейтронов
  • Возможно испускание других видов ионизирующего излучения

Основные понятия

  • Ионизация – это процесс, при котором электроны выбиваются из атома и образуются ионные пары.
  • Ионизирующее излучение (альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи, рентгеновские лучи и нейтроны) – это излучение с энергией, достаточной для того, чтобы вызвать ионизацию.
  • Когда происходит возбуждение, электрон перемещается на более высокий энергетический уровень, не покидая атома.
  • Излучения с высокой ионизирующей способностью образует высокую плотность ионов вдоль траектории, например, альфа-частицы и другие относительно тяжелые заряженные частицы.
  • Бета-частицы вызывают меньшую ионизацию вдоль своей траектории, чем альфа-частицы, и относятся к ионизирующим излучениям со средней ионизационной способностью.
  • Рентгеновское и гамма излучения образуют наименьшую плотность ионов при прохождении через вещество, и поэтому относятся к ионизирующим излучениям с низкой ионизационной способностью.
  • Продукты взаимодействия нейтронов могут варьироваться от низко до сильно ионизирующих.
  • Любой вид ионизирующего излучения, который несет электрический заряд (такие как альфа или бета частицы) называются непосредственно ионизирующим излучением.
  • Виды излучения, которые не несут электрического заряда, такие как рентгеновские, гамма и нейтроны, являются косвенно ионизирующими.
  • Альфа-частицы обладают очень короткой длинной пробега в воздухе.
  • Бета-частицы обладают средней длинной пробега в воздухе.
  • Интенсивность рентгеновского и гамма излучения уменьшается при прохождении через вещество, и они обладают высокой проникающей способностью.
  • При взаимодействии бета-частиц с веществом, они могут отклоняться в электрическом поле ядра с образованием рентгеновского излучения, называемым тормозным излучением.
  • Часть энергии падающего бета-излучения преобразуется в тормозное рентгеновское излучение, интенсивность которого прямо пропорциональна максимальной энергии бета-частиц и атомному номеру поглотителя.
  • Рентгеновское и гамма излучения взаимодействую с веществом посредством фотоэффекта, комптоновского рассеяния и образования пар. Механизм взаимодействия зависит от энергии излучения и вещества, через которое проходит излучение.
  • При фотоэффекте фотон относительно низкой энергии (менее 1 МэВ) может передать всю свою энергию сильно связанному электрону внутренней оболочки, вызывая его испускание из атома-поглотителя и образование характеристического рентгеновского излучения.
  • В некоторых случаях образованное при фотоэффекте рентгеновское излучение будет взаимодействовать с электронами внешней оболочки и вызвать их испускание из атома. такие электроны называют Оже-электронами.
  • Фотоэффект преобладает в материалах с высоким атомным номером и для фотонов с относительно низкой энергией (менее 1 МэВ).
  • Комптоновское рассеяние это взаимодействие фотонов с электронами внешней оболочки. Электроны испускается из атома и могут вызвать вторичную ионизацию. Фотон рассеивается с уменьшением энергии.
  • Комптоновское рассеяние преобладает в поглотителях с высоким атомным номером и для фотонов в энергиями в диапазоне 0.2 – 5.0 МэВ.
  • Образование электрон-позитронных пар происходит, когда фотоны с энергиями более 1.02 МэВ взаимодействуют с сильным электрическим полем тяжелого ядра атома-поглотителя.
  • Электроны и позитроны, образующиеся при образовании пар, теряют кинетическую энергию в ходе вторичной ионизации. Так как позитрон не может существовать без кинетической энергии, то когда он ее теряет, то взаимодействует с электроном атома-поглотителя и происходит аннигиляция.
  • В процессе аннигиляции две частицы (позитрон и электрон поглотителя) превращаются в два аннигиляционных фотона с энергией 0.51 МэВ каждый. Эти фотоны испускаются в противоположных направлениях по отношению друг к другу.
  • Образование пар преобладает для высокоэнергетических фотонов (более 1.02 МэВ) в материалах с высоким атомным номером.
  • Нейтроны классифицируют как быстрые, промежуточные и тепловые в зависимости от их энергии.
  • Быстрые нейтроны имеют энергию более 0.1 мэВ.
  • Промежуточные нейтроны имеют энергии в диапазоне от 0.025 эВ до 0.1 МэВ.
  • Тепловые нейтроны имеют энергию около 0.025 эВ.
  • Быстрые и промежуточные нейтроны замедляются при упругом и неупругом рассеянии до тепловых нейтронов.
  • Тепловые нейтроны затем поглощаются атомами-мишенями.
  • Упругими являются столкновения, при которых суммарная кинетическая энергия частиц сохраняется.
  • Упругое рассеяние – это название, данное процессу, при котором быстрые или промежуточные нейтроны испытывают упругие столкновения с ядрами атомов поглотителя в результате которых нейтроны отклоняется или рассеивается.
  • Упругое рассеяние наиболее опасно при воздействии на тело человека, поскольку это доминирующий тип взаимодействия с биологическими тканями тела, а ядра отдачи, относящиеся к излучениям с высокой ионизирующей способностью, вызывают вторичную ионизацию.
  • Неупругим является взаимодействие, при котором суммарная кинетическая энергия частиц не сохраняется.
  • Неупругое рассеяние происходит, когда быстрые или промежуточные нейтроны сталкиваются с мишенью, намного большей, чем они сами, и поглощается в ядре-мишени. После короткого времени нейтрон переиспускается с уменьшенной энергией, а ядро-мишень остается в возбужденном состоянии. Затем ядро быстро снимает возбуждение путем испускания гамма-излучения.
  • Когда быстрые и промежуточные нейтроны замедлились в результате упругих и неупругих столкновений, они становятся тепловыми нейтронами. Большинство тепловых нейтронов поглощается и становится частью ядра-поглотителя. Далее ядро стремится избавиться от избыточной энергии, обычно путем испускания кванта гамма-излучения.

Заключительное задание

Это задание должно быть завершено перед тестовым заданием, поэтому потратьте некоторое время, чтобы изучить этот модуль. Затем свяжитесь с вашим руководителем, чтобы договориться о подходящем времени, чтобы завершить это задание. Помните, что лабораторная работа должна также быть завершена с положительной оценкой, перед тем, как Вы получите положительную оценку за этот модуль.


Глоссарий

Активация нейтронами Процесс, при котором нейтроны поглощаются ядром стабильного атома, с образованием искусственных радионуклидов
Аннигиляция Процесс, при котором позитрон, потерявший свою энергию, соединяется с электроном, чтобы образовать два аннигиляционных фотона с энергией 0.51 МэВ каждый. При этом позитрон и электрон разрушаются, а результирующие фотоны излучаются в противоположных направлениях.
Быстрый нейтрон Нейтрон с энергией более 0.1 МэВ.
Возбуждение Когда внутренний электрон получает достаточно энергии, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень, но недостаточно для того, чтобы покинуть атом.
Вторичная ионизация Процесс, при котором электроны, образованные при первичной ионизации продолжают ионизировать другие атомы в поглотителе.
Излучение с высокой ионизационной способностью Излучение, которое производит высокую плотность ионизации вдоль своей траектории.
Излучение с низкой ионизационной способностью Излучение, которое производит низкую плотность ионизации вдоль своей траектории.
Ионизация Процесс, при котором при воздействии излучений на вещество образуются ионы.
Ионизирующее излучение Излучение, обладающее достаточной энергией для ионизации атомов среды.
Ионная пара Комбинация из положительного и отрицательного ионов.
Кинетическая энергия Энергия, обусловленная движением предметов.
Комптоновское рассеяние Упругое столкновение фотонов и электронов, при котором только часть энергии фотона передается атому-поглотителю.
Косвенная ионизация Ионизация атомов вещества поглотителя излучениями не несущими электрического заряда.
Моноэнергетический Частицы или излучения, которые имеют одинаковую энергию.
Непосредственная ионизация Ионизация атомов вещества поглотителя частицами, несущими электрический заряд, за счет сил электрического взаимодействия.
Неупругое рассеяние Результат неупругого соударения между нейтроном и мишенью, которая намного больше, чем он сам, который ведет к поглощению нейтрона в ядре-мишени и затем его переиспусканию с уменьшенной энергией. Суммарная кинетическая энергия после рассеивания уменьшается, так как часть энергии идет на сопровождающее процесс гамма-излучение, испускаемое возбужденным ядром-мишенью.
Неупругое столкновение Столкновение, при котором суммарная кинетическая энергия частиц после взаимодействия меньше, чем она была до взаимодействия.
Образование пар Процесс, при котором фотон с энергией более 1.02 МэВ взаимодействуя с сильным электрическим полем тяжелого ядра атома-поглотителя с образованием двух частиц, электрона и позитрона.
Оже-электрон Электрон, который иногда образуется в результате фотоэффекта. Он образуется, когда рентгеновское излучение, возникшее при переходе орбитальных электронов на более низкие энергетические уровни, взаимодействует с электроном внешней оболочки, вызывая его испускание атомом.
Первичная ионизация Первоначальная ионизация, которая имеет место, как результат взаимодействия ионизирующего излучения с веществом.
Поглощение нейтронов Процесс, при котором тепловые нейтроны захватываются и становятся частью ядра-поглотителя. При этом избыточная энергия обычно испускается в виде гамма-излучения.
Промежуточный нейтрон Нейтрон с энергией в диапазоне от 0.025 эВ до 0.1 МэВ.
Сечение захвата Вероятность того, что нейтрон будет поглощен ядром атома-поглотителя.
Тепловой нейтрон Быстрый нейтрон, который был замедлен в серии упругих и неупругих соударений. Его энергия обычно около 0.025 эВ.
Тормозное излучение Рентгеновское излучение, образующееся при отклонении бета-частицы положительно заряженным ядрам, оно известно как тормозное рентгеновское излучение.
Упругое рассеяние Результат упругого столкновения между нейтроном и ядрами атомов поглощающей среды, в результате которого ядро-мишень приобретает кинетическую энергию, а нейтрон отражается или рассеивается.
Упругое столкновение Столкновение, при котором суммарная кинетическая энергии частиц после столкновения такая же, как и перед столкновением.
Фотон Маленький волновой пакет энергии, передаваемой в виде волны-частицы.
Фотоэлектрон Электрон, образующийся в результате фотоэффекта.
Фотоэффект Процесс, при котором фотон относительно низкой энергии (менее 1МэВ) передает всю свою энергию сильно связанному электрону внутренней оболочки атома. Затем этот электрон испускается атомом.