Взаимодействие нейтронного излучения с веществом

Нейтрон может взаимодействовать в основном с ядрами атомов. В поле ядерных сил он испытывает рассеяние, передавая часть энергии ядру, или же захватывается ядром, вызывая те или иные реакции. В зависимости от энергии и процесса взаимодействия с веществом нейтроны делят на группы (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Энергетическая характеристика нейтронов и процессы их взаимодействия с веществом

Основными процессами взаимодействия нейтронов с горной породой являются неупругое и упругое рассеяние, а также их поглощение ядрами элементов, слагающих горную породу.

При неупругом рассеянии ядро переходит в возбужденное состояние, а затем возвращается в свое первоначальное состояние с излучением у-квантов. Рассеянный нейтрон в результате этого процесса отдает часть своей кинетической энергии, равной энергии возбуждения ядра. Неупругое рассеяние - это пороговая ядерная реакция. Энергия порога реакции, соответствующая энергии возбужденного уровня ядра, уменьшается с ростом атомной массы А от нескольких МэВ до сотен кэВ и ниже и составляет для легких элементов 1-2 МэВ, а для тяжелых - около 0,5 МэВ. И потому неупругому рассеянию подвергаются лишь быстрые нейтроны.

Упругое рассеяние является универсальным процессом, при котором ядру передается часть кинетической энергии, значение которой тем больше, чем меньше масса ядра. Поэтому наилучшим замедлителем нейтронов являются водородосодержащие среды, в которых в результате каждого соударения теряется примерно половина энергии нейтрона. При упругом рассеянии между нейтроном и ядром происходит перераспределение кинетической энергии нейтрона без изменения внутреннего состояния ядра, в результате чего быстрый нейтрон теряет часть своей энергии и рассеивается под некоторым углом к первоначальному направлению своего движения. Сечение упругого рассеяния ядер увеличивается с уменьшением энергии нейтрона. Процесс последовательного уменьшения энергии нейтронов примерно до 1 эВ за счет рассеяния на ядрах вещества получил в ядерной физике название процесса замедления. Снижение энергии нейтронов от 1 эВ до тепловых энергий происходит в результате их рассеяния связанными ядрами вещества и называется процессом термализации нейтронов. При термализации нейтрон будет испытывать неупругое и упругое рассеяние на молекулах и атомах вещества. Термализованные нейтроны распространяются в веществе по законам диффузии и сохраняют свою среднюю энергию неизменной до тех пор, пока не будут захвачены ядрами вещества.

Наилучшим замедлителем нейтронов являются водородосодержащие среды, поскольку водород характеризуется аномально высокими значениями сечений рассеяния.

Реакции поглощения нейтронов типа (п, р), (п, а) и (п, 2п) являются пороговыми, они протекают, как правило, при энергиях больше 2 МэВ и сопровождаются испусканием протона, а-частицы, нейтронов или у-квантов. Реакции типа (п, у) называются радиационным захватом нейтрона ядрами элементов и возможны в широком диапазоне энергий нейтрона, но наиболее вероятен этот процесс для медленных и особенно для тепловых нейтронов. В областях энергий Е > 10 эВ захват является основным преобладающим процессом. Радиационный захват нейтронов сопровождается испусканием одного или нескольких у-квантов различных энергий (до 10 МэВ), причем для каждого элемента характерен свой собственный энергетический спектр. Аномальными поглотителями тепловых нейтронов являются кадмий, хлор, бор, литий и др.

Таким образом, в целом по взаимодействию нейтронов с веществом различают замедляющую и поглощающую способности горных пород. Замедляющая способность горных пород определяется в основном их водородосодержанием, что связано с большой потерей энергии нейтронами при столкновении с ядрами водорода. Поглощающая способность горных пород определяется захватом тепловых нейтронов ядрами элементов, из которых они состоят. Возрастает поглощающая способность породы при наличии в ней элементов с большим сечением захвата (хлор, железо, марганец, бор, литий, кадмий и др.). Замедляющая и поглощающая способности горных пород определяют пространственно-временное распределение нейтронов.