1 Взаимодействие нейтронов с веществом 1. Природа сил взаимодействия нейтронов с веществом. 2. Общая характеристика сечений взаимодействия. 3. Виды взаимодействия нейтронов с веществом. 4. Разделение нейтронов на энергетические группы. 5. Взаимодействие с веществом нейтронов с энергией до 10 МэВ 6. Взаимодействие быстрых и сверхбыстрых нейтронов с веществом.

2 1. Природа сил взаимодействия нейтронов с веществом Взаимодействие нейтронов с ядрами происходит в основном за счет действия ядерных сил. Нейтроны (наряду с протонами) входят в состав любого атомного ядра, в котором они прочно связаны ядерными силами. Поэтому при сближении с ядром нейтроны должны с ним эффективно взаимодействовать, причем в отличие от протонов, которые из-за кулоновского барьера не могут эффективно взаимодействовать с ядром при малых энергиях, нейтроны, не имеющие зарядов, взаимодействуют с ядром и при низких энергиях.

3 2. Общая характеристика сечений взаимодействия нейтронов с веществом Сечения взаимодействия нейтронов с веществом на много порядков ниже, чем заряженных частиц и гамма-квантов. Сечение ионизационного торможения нейтрона (т.е. его взаимодействия с электронами вещества) составляет примерно см 2, что почти в 10 6 раз меньше, чем для заряженной частицы. Основной вид взаимодействия нейтронов с веществом - взаимодействие с ядрами атомов, так как при ядерном столкновении нейтрон может потерять значительную долю энергии (в отличие от взаимодействия с электронами).

4 2. Общая характеристика сечений взаимодействия нейтронов с веществом Нейтронное сечение - эффективная площадь ядра (с точки зрения возможности взаимодействия нейтрона с ним). Сечение взаимодействия нейтронов с ядрами часто выражают в единицах см -1 и называют макроскопическим сечением : = n Я, где n Я – число ядер в 1 см 3. Вероятность взаимодействия нейтрона на толщине x определяется как x. Вероятность пройти нейтрону слой вещества x без взаимодействия равна exp(- x). Средняя длина свободного пробега равна 1/.

5 2. Общая характеристика сечений взаимодействия нейтронов с веществом Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами являются: сложной функцией энергии нейтрона, в определенных областях энергий значительно отличаются для различных элементов и даже изотопов одного элемента.

6 3. Виды взаимодействия нейтронов с веществом Все виды взаимодействия нейтронов с ядрами разделяют на следующие группы: упругое рассеяние нейтронов ядрами, когда кинетическая энергия нейтрона перераспределяется между нейтроном и ядром, причем ядро при этом не возбуждается; неупругое рассеяние: нейтрон после попадания в ядро может перевести его в возбужденное состояние и снова вылететь из него (причем не обязательно тот же самый), но уже с меньшей энергией (суммарная кинетическая энергия системы ядро-нейтрон изменяется); ядерные реакции, в т.ч. деление ядер.

7 3. Виды взаимодействия нейтронов с веществом В зависимости от того, попадает нейтрон в ядро или нет, его взаимодействие с ядрами можно разделить на 2 класса: без попадания нейтрона в ядро; так может происходить упругое рассеяние на ядерных силах; с заходом нейтрона в ядро; так происходят все остальные виды взаимодействия: упругое рассеяние с заходом нейтрона в ядро (упругое резонансное рассеяние), неупругое рассеяние, ядерные реакции разных типов, деление ядер.

8 3. Виды взаимодействия нейтронов с веществом Относительная роль каждого процесса определяется соответствующим сечением. Полное сечение взаимодействия является суммой парциальных сечений упругого и неупругого рассеяний, ядерных реакций и деления ядер.

9 4. Разделение нейтронов на энергетические группы Энергетические группы нейтронов: теплоовые (под кадмиевые) нейтроны – с энергией около 0,4 эВ; эти нейтроны обычно находятся в термодинамическом равновесии с атомами окружающей среды и их распределение по энергиям можно описать максвелловским; промежуточные нейтроны – нейтроны с энергией в интервале от 0,4 эВ до 200 кэВ; эта область энергий характеризуется резонансным характером сечения взаимодействия нейтронов с ядрами; быстрые нейтроны – нейтроны с энергией от 200 кэВ до МэВ; сверхбыстрые нейтроны – нейтроны с энергией выше 20 МэВ.

10 5. Взаимодействие с веществом нейтронов с энергией до 10 МэВ Основными видами ядерных взаимодействий, идущих под действием нейтронов с энергией до 10 МэВ, являются: - процессы упругого и неупругого рассеяния, - деление ядер, - ядерные реакции типа (n, ), (n,p), (n, ), т.е. реакции с выходом из ядра гамма-кванта, протона или -частицы.

11 5. Взаимодействие с веществом нейтронов с энергией до 10 МэВ 5.1. Замедление нейтронов В процессе упругих (а также неупругих) соударений с ядрами нейтроны теряют свою кинетическую энергию – замедляются. Наиболее быстрый сброс энергии в процессе замедления наблюдается при упругих соударениях нейтронов с водородом. Средняя энергия нейтронов после n соударений с ядрами водорода равна Е n = E 0 /2 n (E 0 – начальная энергия), среднее число соударений, необходимое для замедления нейтронов от энергии Е 0 до энергии Е равно n=ln(E 0 /E)/ln2.

Замедление нейтронов Упругое рассеяние нейтронов на водороде в области энергий выше 100 эВ является практически единственным процессом взаимодействия. Сечение этого процесса является плавной функцией энергии нейтрона. Рис. 1. Зависимость сечения рассеяния нейтронов на ядрах водорода от энергии нейтронов.

Замедление нейтронов В тяжелых замедлителях, где сброс энергии нейтрона при одном соударении невелик, замедление может рассматриваться как процесс непрерывного спуска нейтрона по энергии. В этом случае энергия нейтрона является функцией времени замедления. Условие эффективного протекания процесса замедления: существенное превышение сечения рассеяния нейтронов над сечением захвата.

Замедление нейтронов Процесс замедления нейтронов в среде продолжается до захвата нейтрона или до тех пор, пока нейтроны не придут в теплоовое равновесие с атомами замедлителя (теплоовые нейтроны). Энергия теплоовых нейтронов Е тепло =kT, где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура замедлителя. При достижении теплоовой энергии нейтроны диффундируют в замедлителе без дополнительного сброса энергии, т.е. оставаясь теплоовыми.

Замедление нейтронов Нейтроны в замедлителе: -холодные; -теплоовые; -надтеплоовые. Рис. 2. Спектр нейтронов в замедлителе Кадмий – хороший поглотитель теплоовых нейтронов. В зависимости от прохождения через слой кадмия теплоовые нейтроны делятся на: - под кадмиевые (не проходят); - закадмиевые (проходят).

Резонансные нейтроны Среди медленных нейтронов (Е 0 < 100 кэВ) выделяют нейтроны с некоторой энергией, при которой они с очень большой вероятностью захватываются или рассеиваются ядрами. Каждое вещество характеризуется резкой избирательной способностью захвата по отношению к нейтронам определенной (резонансной) энергии. Причем области резонанса для разных веществ не перекрываются между собой. Эти нейтроны называют резонансными. Именно они инициируют ядерные реакции или деление ядер.

Резонансные нейтроны Сечение взаимодействия нейтронов с ядрами в области малых энергий подчиняется закону 1/v (v – скорость нейтрона), резко возрастает при достижении нейтронами резонансной энергии Е рез и затем снова спадает. Рис.3. Сечение взаимодействия нейтронов с ядрами в области малых энергий. (Пики – область резонансных взаимодействий).

Ядерные реакции Ядерные реакции типа (n,p), (n, ). Под действием нейтронов с энергией Е 0,5..10 МэВ с большой вероятностью идут реакции вида (n,p) и (n, ): (A, Z) + n (A, Z-1) + p; (A, Z) + n (A-3, Z-2) +. В результате этих реакций появляются заряженные частицы, поэтому они удобны для регистрации нейтронов и измерения их энергии, поскольку энергии протонов и -частиц (или других заряженных частиц) связаны с энергией нейтрона, энергией реакции и углом вылета.

Ядерные реакции Реакции вида (n, ) - один из самых распространенных видов ядерных реакций под действием нейтронов. Они сводятся к захвату нейтрона с последующим испусканием гамма-кванта. Поэтому они называются реакциями радиационного захвата нейтрона. В результате образуется нестабильный изотоп, по активности которого и судят о потоках нейтронов и их энергетическом составе. Реакции радиационного захвата с большой вероятностью идут под действием нейтронов с энергией от 0 до 500 кэВ и широко используются для их детектирования.

Ядерные реакции: деление ядер При облучении тяжелых ядер (90Th, 91Pa, 92U, трансурановые элементы) нейтронами с энергией больше 1 МэВ (а для некоторых изотопов урана и трансурановых элементов даже теплоовыми нейтронами) происходит реакция разделения тяжелого ядра на два осколка-ядра со средними массами, примерно относящимися как 2:3, (A, Z) + n (A1, Z1) + (A2, Z2), где A1+A2 = A+1; Z1+Z2=Z. Реакции деления широко используются для получения атомной (точнее, ядерной) энергии.

5.3. Ядерные реакции: деление ядер Вероятность деления существенно зависит от энергии возбуждения ядра. Если при поглощении нейтрона энергия возбужденного состояния выше кулоновского барьера для образуемых осколков деления, то вероятность деления велика. Если же энергия возбуждения ниже кулоновского барьера, то деление сильно заторможено. 21

5.3. Ядерные реакции: деление ядер Энергия связи нейтрона в четно-четных ядрах обычно выше энергии связи нейтрона в четно- нечетных ядрах. Поскольку значение кулоновского барьера для изотопов одного элемента одно и то же, то четно-нечетные изотопы имеют эффективные пороги деления ниже, чем четно-четные. Этим и объясняется тот факт, что изотопы 233 U, 235 U, 239 Pu делятся с большой вероятностью при поглощении теплоовых нейтронов, а такие изотопы, как 232 Th, 238 U, 240 Pu, с большей вероятностью делятся, если энергия поглощенного нейтрона выше 0,5-1,5 МэВ. 22

Реакции деления ядер Сечения деления 233 U, 235 U, 239 Pu можно считать постоянными в области энергий 0,1..5 МэВ и равными соответственно 2; 1,2 и 1,8 барн. Сечение деления 238 U в области энергий 2..6 МэВ равно примерно 0,5 барн и в области МэВ – примерно 1 барн. Сечения деления 233 U, 235 U и 239 Pu теплоовыми нейтронами равны соответственно 527, 582 и 746 барн.

24 6. Взаимодействие быстрых и сверхбыстрых нейтронов с веществом Быстрые нейтроны (с энергией МэВ) с большой вероятностью испытывают неупругое и упругое дифракционное рассеяние, сечение которых примерно равно R 2 (R – радиус ядра). Суммарное сечение рассеяния примерно равно их сумме, т.е. 2 R 2 и в этой области энергий составляет подавляющую долю полного сечения взаимодействия нейтронов с ядрами. Для тяжелых ядер это около 6 барн. Сверхбыстрые нейтроны (с энергией свыше 10 МэВ): под действием нейтронов идут реакции, сопровождающиеся вылетом двух или большего числа частиц ((n,2n), (n,pn), (n,3n) и др.).