Взаимодействие нейтронов с веществом. Лекция № 06

Механизмы взаимодействия нейтронов с веществом
Взаимодействие нейтронов с веществом происходит, в основном, благодаря их взаимодействию с атомными ядрами.
Электромагнитное взаимодействие нейтрона с электронами определяется взаимодействием между их магнитными моментами и в большинстве случаев оказывается пренебрежимо мало.

Механизмы взаимодействия нейтронов с веществом
Нейтроны взаимодействуют с веществом в результате следующих механизмов:
– упругого рассеяния;
– неупругого рассеяния;
– ядерных реакций;
– деления ядер.

Механизмы взаимодействия нейтронов с веществом

Упругое и неупругое рассеяние нейтронов

Упругое и неупругое рассеяние нейтронов
Рис. 2.1. Упругое рассеяние нейтрона

Упругое и неупругое рассеяние нейтронов

Упругое и неупругое рассеяние нейтронов

Упругое и неупругое рассеяние нейтронов

Упругое и неупругое рассеяние нейтронов
Рис. 19.2. Неупругое рассеяние нейтрона

Ядерные реакции нейтронов

Ядерные реакции нейтронов

Ядерные реакции нейтронов
Рис. 3.1 Ядерные реакции нейтронов

Ядерные реакции нейтронов

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом
Сечение взаимодействия нейтронов с веществом условно можно разделить на область разрешенных резонансов, область неразрешенных резонансов и дифракционных максимумов.
Первые две области относятся к сечениям взаимодействия медленных нейтронов с ядрами, а третья ‒ к сечениям взаимодействия с ними быстрых нейтронов.
Область разрешенных резонансов имеет место при небольших энергиях нейтронов. В ней с большой вероятностью происходит радиационный захват нейтронов.

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Сечение взаимодействия нейтронов с веществом

Пробег нейтронов в веществе

Пробег нейтронов в веществе
На качественном уровне движение нейтронов в веществе, например в воде, выглядит примерно так. Если нейтроны имеют большую энергию, то они либо осуществляют ядерные реакции, либо рассеиваются по всей глубине вещества. В результате ядерных реакций возникают вторичные заряженные частицы, ядра отдачи, фотоны и электроны. Поскольку число нейтронов в зависимости от глубины проникновения пучка уменьшается экспоненциально, то и количество образовавшихся вторичных частиц быстро уменьшается.

Пробег нейтронов в веществе
Пробег вторичных заряженных частиц составляет, как правило, составляет не больше нескольких миллиметров. Вторичные фотоны взаимодействуют с веществом в результате фотоэффекта и комптоновского рассеяния. Небольшой вклад будут давать фотоядерные реакции. Под действием нейтронов, вторичных заряженных частиц и фотонов возникают вторичные электроны, которые, в основном, имеют небольшие энергии и останавливаются в тех же точках, где и возникли.

Пробег нейтронов в веществе
Таким образом, часть первичных нейтронов выходит из пучка, поглощаясь ядрами. Другая часть нейтронов в результате рассеяния постепенно теряет энергию в каждом акте рассеяния. При этом возникают ядра отдачи, ионизирующие вещество. Когда энергия нейтронов становится сравнимой с энергией теплового движения атомов в веществе, нейтроны называют тепловыми. Они дальше не уменьшают свою энергию и распространяются в веществе благодаря процессу диффузии.

Пробег нейтронов в веществе
В качестве источника нейтронов применяются реакторы, а также ускорители ‒ циклотроны и высоковольтные ускорители трансформаторного типа, которые часто называют генераторами нейтронов.
В реакторах получают нейтроны с широким спектром энергий от 0 до 17 МэВ; средняя энергия нейтронов составляет около 2 МэВ.
Количество нейтронов высоких энергий мало из-за быстрого уменьшения их числа с ростом энергии нейтронов. Поэтому нейтроны с энергией несколько МэВ можно получить только на ускорителях.

Пробег нейтронов в веществе

Пробег нейтронов в веществе
Применение ускорителей для получения пучков нейтронов связано с использованием реакций (5.2) и (5.3). Высоковольтные ускорители дешевые и компактные. В них получается более интенсивный первичный пучок заряженных частиц и, следовательно, интенсивность пучка нейтронов оказывается высокой. Циклотроны имеют преимущество над высоковольтными ускорителями, поскольку позволяют получать нейтроны высоких энергий, причем спектр нейтронов имеет широкие пределы.

Пробег нейтронов в веществе

Пробег нейтронов в веществе