IV. Взаимодействие нейтронов

A. Общие Свойства

Также как и гамма-излучение нейтроны не являются носителями заряда и поэтому не могут взаимодействовать в веществе посредством кулоновских сил, которые преобладают в механизмах пердачи энергии у заряженных частиц и электронов. Нейтроны могут также пройти сквозь многие сантиметры среды без какого либо взаимодействия, и, таким образом, могут быть совершенно «невидимыми» для детектора. Когда нейтроны все-таки подвергается взаимодействию, то это происходит с ядрами поглощающего материала. В результате взаимодействия нейтрон может либо полностью поглотиться и замениться вторичным излучением, либо энергия или направление движения нейтрона заметно изменятся.

В отличие от гамма-излучения, получающимся вторичным излучением почти всегда являются тяжелые заряженные частицы. Эти частицы могут возникнуть либо в результате ядерных реакций, вызванных нейтроном, либо они могут быть непосредственно ядрами поглощающего материала, которым передалась энергия в результате нейтронных столкновений. В большинстве нейтронных детекторов используют способ преобразования налетающего нейтрона во вторичные заряженные частицы, которые могут быть непосредственно обнаружены. Специальные примеры самых широко-применяемых конверсионных процессов разобрано в Главах 14 и 15.

Относительные вероятности для различных типов нейтронных взаимодействий заметно изменяются в зависимости от энергии нейтронов. Для простоты мы разделим нейтроны на две категории на основе их энергии: «быстрые нейтроны» и «медленные нейтроны», и обсудим их свойства при взаимодействиях отдельно. Разделительная линия будет приблизительно около 0.5 эВ, или около энергии резкого снижения сечения захвата в кадмии (пороговая (граничная) энергия кадмия).

B. Взаимодействия Медленных Нейтронов

Для медленных нейтронов преобладающими взаимодействиями являются упругое рассеяние с ядрами поглотителя, и большое количество ядерных реакций, вызванных нейтроном. При упругом рассеянии из-за малой кинетической энергии медленных нейтронов ядру может быть передано очень немного энергии. Следовательно, это не является тем взаимодействием, на котором базируются детекторы медленных нейтронов. Упругие соударения имеют вероятностный характер, однако, часто служат причиной того, что приводят медленный нейтрон в тепловое равновесие со средой поглотителя прежде, чем будет иметь место другой тип взаимодействия. Поэтому большая часть нейторонов из «медленного» энергетического диапазона будет обнаруживаться среди тепловых нейтронов, у которых при комнатной температуре средняя энергия приблизительно составляет 0.025 эВ.

Действительно значимые взаимодействия медленных нейтронов – это ядерные реакции под действием нейтронов, которые могут создавать вторичное излучение достаточной энергии, которое можно обнаружить непосредственно. Поскольку энергия, несомая нейтроном низка, то у всех таких реакций должно быть положительным значение Q, чтобы реакция была энергетически осуществима. В большинстве материалов, реакция захвата [(n, γ) реакция] является наиболее вероятной и играет важную роль в ослаблении нейтронного потока. Излучение реакции захвата могжет быть полезными при косвенном обнаружении нейтронов, с использованием activation foils активационной фольги, как это описано в Главе 19, но этот метод не широко применим в активных(???) нейтронных детекторах active neutron detectors, потому что вторичное излучение является гамма-излучением, которое также трудно регистрировать. Вместо этого способа, такие реакции как (n, α), (n, p), и (n, осколки деления) намного более привлекательны, потому что вторичное излучение - это заряженные частицы. Многие реакции этих типов подробно рассмотрены в Главе 14.

C. Взаимодействия Быстрых Нейтронов

Вероятности прохождения большинсва реакций под действием нейтронов используемых при детектировании нейтронов, сильно снижаются с увеличением нейтронной энергии. Вклад рассеяния становится больше, это происходит потому, что нейтрон может передать большее количество энергии при единичном столкновении. Вторичное излучение в этом случае - это ядра отдачи, которые увеличивают регистрацию энергии нейтронных взаимодействий. При каждом акте рассеяния нейтрон передает энергию, и таким образом замедляется, понижая свою энергию. Самый эффективный замедлитель - водород, потому что нейтрон может потерять всю свою энергию при единственном столкновении с ядром водорода. Для более тяжелых ядер возможна только частичная передача энергии [см. формулу (15-4) и соответсвующее описание].

Если энергия быстрого нейтрона достаточна высока, то может происходить неупругое рассеяние на ядрах, при котором ядра отдачи переходят в возбужденное состояние на время столкновения. Ядро быстро снимает возбуждение, испуская гамма-квант, и нейтрон потеряет большую часть энергии, по сравнению с упругим соударением. Неупругое рассеяние и последующие испускание вторичных гамма-квантов играет важную роль в защите от высокоэнергетичных нейтронов, но является нежелательным процессом при детектировании быстрых нейтронов, основанном на упругом рассеивании.

D. Эффективные Сечения

Для нейтронов определенной энергии вероятность взаимодействия, приходящаяся на единицу длины пути - это константа для любого из механизмов взаимодействия. Поэтому эту вероятность удобно выразить через эффективное сечение σ приходящееся на ядро для каждого типа взаимодействия. Эффективное сечение имеет единицы измерения как у площади, и традиционно измеряется в барнах (10^{-28 м2}). Например, для каждого типа ядер различаются эффективные сечения упругого рассеяния, сечения захвата, и так далее, каждое из которых будет функцией энергии нейтронов. Некоторые примеры зависимостей сечений приведены на Рис. 14-1 и 14-2.

Если эффективное сечение умножить на количество ядер N в единице объема, то эффективное сечение σ преобразуется в макроскопическое эффективное сечение Σ:

(2-26)

Которое имеет размерность обратнопропорцональную длине. Σ - имеет физический смысл вероятности определенного процесса в единицу длины пути, описываемого "микроскопическим" эффективным сечением σ. Если все процессы объединить, учитывая эффективные сечения для каждого отдельного процесса взаимодействия, то получим:

(2-27).

Получающийся параметр Σ_общ– вероятность на ед. длины пути, что произойдет любой тип взаимодействия. Эта величина имеет тот же смысл для нейтронов, как и линейный коэффициент поглощения для гамма-излучения. Если эксперимент «narrow beam» «узкий пучек» (с коллимированным пучком????) ослабления излучения будет выполнен для нейтронов, как это описывалось ранее для гамма-квантов, то результатом будет то же самое: число обнаруженных нейтронов уменьшится экспоненциально с увеличением толщины поглотителя. В этом случае соотношение для ослабления запишется:

(2-28)

Для нейтронов λ обозначает длину своболного пробега, и по аналогии со случаем для гамма-излучения, задается как 1/Σ_общ. В твердых телах, λ для медленных нейтронов может иметь порядки сантиметров и меньше, тогда как для быстрых нейтронов, составляет обычно десятки сантиметров.

В большинстве случаев нейтроны не коллимируются в достаточно узнкий пучек, поэтому в типичных случаях для защиты учитывают «широкий пучок» или «плохую геометрию» broad beam or "bad geometry". Так же, как в случае гамма-излучения, экспоненциальное ослабление не корректно описывать формулой (2-28) из-за вклада рассеянных нейтронов, попадающих на детектор. В этом случае требуются более сложные вычисления чтобы оценивать количество провзаимодействовавших нейтронов и их энергетическое распределение.

Обсуждая реакции под действием нейтронов, удобно ввести понятие нейтронного потока. Если мы рассматривать нейтроны с одинаковой энергией или одинаковой скоростью υ, произведение υ Σ даст частоту взаимодействий определенного процесса, для которого Σ - макроскопическое эффективное сечение. Плотность реакций (количество реакции в единицу времени в единице объема) тогда задается как n(r) υ Σ, где n(r) векторная плотность нейтронов по направлению r, и υn(r)называется поток нейтронов φ(r) с единицей измерения [длина² время¹]. Таким образом, плотность реакций задается произведением потока нейтронов и макроскопического эффективного сечения для интересующих процессов взаимодействий: