Невозможно отобразить презентацию
physicsSimilar presentations:
Лекция 7. Основные виды взаимодействия нейтронов с веществом
1 ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ЗАЩИТА ОТ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ЛЕКЦИЯ 7 Основные виды взаимодействия нейтронов с веществом Г.И.ПОЛТАРАКОВ 20142 Содержание курса 1.Виды ионизирующих излучений 2.Процесс передачи их веществу 3.Экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы 4.Биологические эффект излучения 5.Закон ослабления интенсивности излучения, коэффициенты ослабления 6.Основные виды взаимодействия нейтронов с ядрами атомов 7.Расчет биологической защиты ядерного реактора 8.Основные критерии биологической опасности радионуклидов в случае внутреннего облучения 9.Методы регистрации излучения3 Список сокращений И.и.
— ионизирующее излучение.
ЛПЭ — линейная передача энергии кк — коэффициент качества ПДД — предельно допустимая доза ДПП — допустимая плотность потока ПД — предел дозы4 Взаимодействие нейтронов с веществом5 Взаимодействие нейтронов с веществом Не имея электрического заряда, нейтрон не взаимодействует с электрическим полем заряженных частиц и ядер атомов и может пройти значительное расстояние в поглощающем веществе до столкновения с ядром, т.е.
при прохождении через поглощающее вещество нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов.
Нейтроны обладают весьма широким диапазоном энергий — от долей до десятков миллионов электрон-вольт.
На практике условно принято следующее разбиение нейтронов по энергиям:
• Медленные , E < 1 кэВ.
В эту группу входят ультрахолодные (E < 10-7 эВ), холодные (10-7 < E < 5·10-3 эВ), тепловые (5·10-3 < E < 0,2 эВ), надтепловые (0,2 эВ < E < 1 кэВ).
• Промежуточные , 1 кэВ < E < 0,2 МэВ.
• Быстрые , 0,2 < E < 20 МэВ.
• Сверхбыстрые , E > 20 МэВ.6 Взаимодействие нейтронов с веществом Тепловые нейтроны находятся в термодинамическом равновесии с атомами среды, в которой они распространены.
Наиболее вероятная скорость движения тепловых нейтронов при температуре 295 К (22°С) составляет 2200 м/с, а энергия—0,025 эВ.
В поле ядра атома нейтроны в зависимости от их энергии могут испытывать различные типы взаимодействия: упругое и неупругое рассеяния, радиационный захват с испусканием фотона, захватс испусканием заряженной частицыи деление ядер.
Упругое рассеяние.
В этом виде взаимодействия нейтрон рассеивается ядром, изменяет направление движения, теряя часть своей энергии.
Так как при упругом рассеянии полная кинетическая энергия системы нейтрон-ядро остается неизменной, то существует простая связь между энергией, переданной ядру, и углом рассеяния:Es/Ε0 = (Α2 + 2·Α·ω + 1)/(Α+1)2 , (2.28) где: E0 и Es — энергии до и после рассеяния соответственно;
ω — косинус угла рассеяния в системе центра масс;
А—атомная масса рассеивающего ядра.7 Взаимодействие нейтронов с веществом Упругое рассеяние играет большую роль в ослаблении потока быстрых нейтронов.
При столкновении с ядром водорода нейтрон в среднем теряет 50% своей энергии, при рассеянии на ядрах углерода — примерно 14- 17%, на ядрах аргона — не более 8—9 %.
Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего использовать водородосодержащие или легкие вещества — обычную или тяжелую воду, парафин, бериллий, углерод.
В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона постепенно уменьшается и приближается к энергии теплового движения атомов и молекул среды, равной примерно 0,025 эВ, т.е.
такие нейтроны становятся тепловыми.
Чтобы нейтрон с первоначальной энергией 1 МэВ стал тепловым, число столкновений с ядрами водорода должно быть n = 25.
В углероде энергия достигает 0,025 эВ после 100 столкновений, а при взаимодействии с ядрами урана — после 2100 столкновений.
Этот процесс завершается примерно через 10-6C.8 Взаимодействие нейтронов с веществом Нейтроны с энергией приблизительно до 1 МэВ испытывают в веществе преимущественно упругое рассеяние.
Тепловой нейтрон будет блуждать в веществе до тех пор, пока не будет захвачен одним из ядер атомов поглощающей среды, в результате чего произойдет следующая реакция:XZA+n01 →XZA+1 +γ, (2.29) т.е.
образуется изотоп исходного элемента, а избыточная энергия испускается в виде γ-кванта.
Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием фотона.
В ядерных реакторах, где создаются мощные потоки тепловых нейтронов, ядерная реакция указанного типа используется для получения искусственных радионуклидов.
Не только тепловые, но и быстрые нейтроны могут быть захвачены ядрами атомов.
В результате произойдет ядерная реакция с вылетом α-частицы, протона и т.д.
и образуется ядро другого элемента: XZA+n01 → XZ-2A-3+He24 Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием заряженной частицы.9 Взаимодействие нейтронов с веществом Неупругое рассеяние.
При захвате нейтрона ядром может произойти ядерная реакция, в процессе которой образуется ядро исходного нуклида, но при этом энергия испущенного нейтрона меньше энергии захваченного:XZA+n01 →XZA+n01+γ В этом случае произойдет процесс неупругого рассеяния, поскольку суммарная энергия системы нейтрон+ядро до взаимодействия не равна энергии системы после взаимодействия.
Неупругое рассеяние нейтронов имеет пороговый характер.
Оно может произойти лишь в том случае, если энергия падающего нейтрона E0 превысит энергию E* первого возбужденного состояния ядра-мишени.
После неупругого рассеяния ядро-мишень остается в возбужденном состоянии, а энергия нейтрона равна E0 — E*.
Энергия возбужденного ядра-мишени снимается путем испускания одного или нескольких фотонов, спектр которых определяется структурой энергетических уровней возбужденного ядра.10 Взаимодействие нейтронов с веществом Неупругое рассеяние нейтронов существенно лишь для тяжелых ядер.
Если энергия нейтронов становится ниже порога неупругого рассеяния, то из-за очень слабого замедления он может пройти в тяжелых материалах большое расстояние.
Для ослабления таких нейтронов необходимо вводить в защиту вещества с легкими ядрами, эффективно ослабляющие нейтронный поток вследствие упругого рассеяния.
Фотонное излучение, возникающее при радиационном захвате, имеет высокую энергию (6 — 8 МэВ) и часто играет определяющую роль в формировании поля излучения за защитой.
Это следует учитывать при выборе конструкционных материалов для проектирования защиты.
Реакции радиационного захватас испусканием α-частиц, протонов и т.
п.
зависят от энергии нейтрона и становятся возможными в том случае, когда быстрый (с энергией больше 1 МэВ) нейтрон передаст α-частице или протону энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.11 Взаимодействие нейтронов с веществом Деление ядер.
При захвате нейтрона некоторые тяжелые ядра способны делиться.
Главным образом это ядра урана, тория, плутония.
В процессе деления не только высвобождается более одного нейтрона, но и выделяется энергия около 200 МэВ на один акт деления.
Большинство продуктов деления радиоактивны с различными периодами полураспада.
Полное макроскопическое сечение Σ взаимодействия нейтронов равно Σ = ΣS + Σa+Σf где ΣS — макроскопическое сечение рассеяния, включающее в себя сечение упругого Σe1 и неупругого Σin рассеяний (Σs = Σe1 + Σin);
Σa — макроскопическое сечение, равное сумме сечений всех реакций, сопровождающих поглощение нейтрона:Σa=Σ n, γ+Σn,p + Σ n,α +……..;12 Реакция деления Consider the nuclear fission of236 U into92Kr,141 Ba, and three neutrons.236 U →92 Kr +141 Ba + 3 n The mass number of236 U is 236.
Because the actual mass is 236.045563u, the mass excess is +0.045563u .
Calculated in the same manner, the mass excess for92Kr,141 Ba, and a neutron are -0.073843u , ( -0.085588)uand 0.0086648 u, respectively.
The mass excess of the reactant is +0.045563 u, and the mass excess of the products is -0.073843 +(-0.085588)+3 ⃰ (0.0086648)= -0.1334366 The difference between reactants and products is +0.045563-(-0.1334366)=0.1789996u, which shows that the mass excess of the products is less than that of the reactants, and so the fission can occur – a calculation which could have been done also with only the masses of the reactants.
The resulting difference in mass (excess) can be converted into energy using 1 u = 931.494 MeV/c², yielding 166 MeV.13 Реакция деления Рассмотрим деление236 U на92Kr,141 Ba, and три нейтрона.236 U →92 Kr +141 Ba + 3 n массовое число236 U is 236.
Так как реальная масса 236.045563 а.е., избыток массы равен +0.045563 а.е..
Рассчитанный подобным образом избыток массы для92Kr,141 Ba, и нейтрона равен ( -0.073843u), ( -0.085588) а.е.and 0.0086648 а.е.
соответственно.
Избыток массы исходного атома +0.045563 а.е., а избыточная масса продуктов деления равна: (-0.073843) +(-0.085588)+3 ⃰ (0.0086648)= - 0.1334366 Разность между исходным и конечным продуктом: +0.045563-(-0.1334366)=0.1789996 а.е., это показывает, что избыток массы конечного продукта меньше исходного, и реакция деления возможна – расчеты могут быть выполнены также только для исходного продукта.
Конечная разность масс может быть конвертирована в энергию через соотношение1 а.е.
= 931.494 MeV/c², суммарная энергия деления урана-235 равна 166 MeV.14 Реакция деления Масса ядра М меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов на величину М, определяющую энергию связи М=Zmp +(A-Z)mn -(A)A, где(А)с - энергия связи, приходящаяся на один нуклон, достигающая максимума в середине таблицы Менделеева и убывающая после максимума к большим значениям А.
Пусть тяжелое ядро с атомным весом А и массой М разделилось на два ядраА1 и А2 с массами соответственно М1 и М2 , причем А1 + А2 равно А либо несколько меньше его, так как в процессе деления могут вылететь несколько нейтронов.
Возьмем для наглядности случай А1 + А2 = А.
Рассмотрим величину разности масс начального ядра и двух конечных ядер, причем будем считать что А1=А2 , так, что (А1 )= (А2 ), М=М-М1-М2 =- (А)А+ (А1 )(А1+А2) =А( (А1 )- (А1)).
Если А соответствует тяжелому ядру в конце Периодической системы, тоА1 находится в середине и имеет максимальное значение (А2).
Значит, М>0 и, следовательно, в процессе деления выделяется энергияЕд = Мс2.
Для тяжелых ядер, например для ядер урана, ((А1 )- (А))с2 =1 МэВ.
Так что при А=200 имеем оценку Ед = 200 МэВ.15 Энергетический спектр при делении235U Энергетический спектр мгновенного нейтронного(1)и γ-излучения(2) при делении235U16 Взаимодействие нейтронов с веществом Доминирующими процессами взаимодействия нейтронов с поглощающим веществом являются: Для быстрых нейтронов — упругое рассеяние, хотя, как и для всех других групп, возможны со значительно меньшей степенью вероятности и неупругое рассеяние, ядерные реакции, радиационный захват.
Для промежуточных нейтронов наиболее характерным является неупругое рассеяние, а также радиационный захват.
Для тепловых нейтронов — радиационный захват.
Вероятность этого процесса пропорциональна 1/V, или 1/Е1/2 , т.е.
возрастает с уменьшением энергии (скорости) нейтронов.
Таким образом, при всех процессах взаимодействия нейтронов с веществом образуются либо заряженные частицы — ядра отдачи, α-частицы, протоны, дейтроны и т.д., непосредственно производящие ионизацию — либоγ -излучение, которое, как было показано ранее, также производит ионизацию в результате вторичных процессов.17 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом Для заряженных частиц( непосредственно ионизирующее излучение ) акт передачи и поглощения энергии как бы совмещены во времени и пространстве, т.е.
передача и поглощение энергии происходят в одном и том же элементарном объеме.
При взаимодействии косвенно ионизирующего излучения (нейтронов, фотонов) с веществом процессы идут по-другому.
Здесь при единичном акте взаимодействия доля переданной энергии может быть различной и зависит от угла рассеяния фотонов при комптоновском эффекте или нейтронов при упругом взаимодействии;
в случае фотоэлектрического поглощения или образования пар происходит передача всей энергии фотона в единичном акте взаимодействия.
Образованные в процессе взаимодействия заряженные частицы могут произвести ионизацию не только в том элементарном объеме, где они образовались, но и вне этого объема.
Для косвенно ионизирующего излучения энергия, переданная веществу в данном элементарном объеме в процессе взаимодействия, не всегда равна поглощенной энергии в этом же элементарном объеме.18 Преобразование энергии нейтронов в веществе Чем легче ядра поглощающей среды, тем большую долю энергии теряют нейтроны в процессе упругого рассеяния.
Первоначально моноэнергетический пучок нейтронов, попадая в поглощающую среду, в результате столкновений нейтронов с ядрами приобретает непрерывный спектр.
Наибольшее число нейтронов будет в области низких энергий.
Радиационный захват — характерный вид взаимодействия тепловых и, отчасти, промежуточных нейтронов — заключается в захвате ядром нейтрона с испусканием гамма-кванта.
Испускаемое гамма-излучение при радиационном захвате имеет обычно энергию порядка миллиона электрон-вольт.
Радиационный захват может происходить на ядрах почти всех элементов.19 Преобразование энергии нейтронов в веществе В процессе взаимодействия с вылетом заряженных частиц нейтрон в интервале энергий от нескольких МэВ до приблизительно 20 МэВ захватывается ядром и испускаются, в так называемом процессе испарения, заряженные частицы , такие как p,d,α и т.
п.
а также, иногда, вторичные нейтроны.
При энергии первичного нейтрона более 20 МэВ процессу испарения предшествует стадия прямого выбивания частиц из ядра.
Для промежуточных и тепловых нейтронов расщепление с вылетом заряженных частиц маловероятно, за исключением четырех случаев:6 Li( n,α)3H;10 B(n, α)7Li;3 He(n, p)3 H и14 N(n, p)14C.
При взаимодействии нейтронов с веществом следует различать поглощенную энергию нейтронов и энергию, преобразованную в энергию вторичного излучения , при этом рассеянные нейтроны ко вторичному излучению не относят.
Под поглощенной энергией следует понимать ту часть энергии вторичного излучения, которая фактически пошла на ионизацию и возбуждение атомов и молекул поглощающей среды.20 Особенности взаимодействия нейтронов с живой тканью21 Особенности взаимодействия нейтронов с живой тканью При попадании нейтронов на тело человека, так же как и γ-квантов илиα,β -частиц, их воздействие сводится в конечном счете к ионизации биологической ткани, Эта ионизация обусловлена главным образом тремя основными процессами: захватом нейтронов ядрами азота по реакции14 N(n, p)14С6 .
В результате образуются протоны со средней энергией 0,6 МэВ, ионизирующие биологическую ткань;
захватом нейтронов ядрами водорода по реакцииН (п,γ)2Н1.
Ионизацию производят γ-квантыс энергией 2,18 МэВ, возникающие при радиационном захвате;
упругим рассеянием нейтронов на ядрах водорода, кислорода, углерода и азота.
Ионизацию производят ядра отдачи.
Нейтроны взаимодействуют с живой тканью очень сложным образом, включая наведенную гамма-активность.
Из-за сильной зависимости характера взаимодействия от энергии нейтронов и состава ткани, понятие эквивалентной биологической дозыв нейтронной лучевой терапии не имеет точного определения.22 Состав тела человека Тканевая доза нейтронов обусловлена поглощенной энергией вторичного излучения , возникающего при взаимодействии нейтронов с тканью организма.
Значимость тех или иных процессов взаимодействия нейтронов определяется составом ткани.
В состав тела человека входит водород (10 вес%), углерод (18%), азот (3%), кислород (65%),Ca (1,5%),P (1%), Остальные элементы: Mg, Na, S, Cl, K и др.
вместе дают примерно 1,5%.
Приближенно химический состав мягкой биологической ткани можно определить воображаемой тканевой «молекулы»(С5Н40О18N)x Для живой ткани характерно то, что она в основном состоит из легких элементов.
Самый легкий из элементов – водород – по числу атомов занимает первое место среди элементов ткани.
Преобладание того или иного из перечисленных ранее процессов взаимодействия нейтронов с веществом определенного химического состава целиком определяется энергией нейтронов.23 Преобразование энергии медленных нейтронов Преобразование энергии медленных нейтронов в биологической ткани происходит в результате упругого рассеяния и через реакцию14 N(n,p)14 C.
Ядра отдачи, возникающие в ткани при упругом рассеянии медленных нейтронов, в большинстве своем обладают энергией, недостаточной для ионизации, и их вклад в биологический эффект незначителен.
Рассеяние приводит к быстрому замедлению нейтронов до тепловых энергий.
Тепловые нейтроны, которые образовались в результате замедления медленных нейтронов или попали в ткань извне, захватываются ядрами элементами ткани, наибольшее значение имеют две: радиационный захват ядрами водорода1 Н(n,γ)2 H и реакция на азоте14 N(n,p)14 C, вероятность которой для тепловых нейтронов значительно выше, чем для нейтронов высоких энергий.
Возникающие при радиационном захвате γ-квант ы с энергией 2,23_МэВ, взаимодействуя с тканью, дают существенный вклад в дозу.24 Преобразование энергии медленных нейтронов Преобразование энергии медленных нейтронов в биологической ткани происходит в результате упругого рассеяния и через реакцию14 N(n,p)14C.
Ядра отдачи, возникающие в ткани при упругом рассеянии медленных нейтронов, в большинстве своем обладают энергией, недостаточной для ионизации, и их вклад в биологический эффект незначителен.
Рассеяние приводит к быстрому замедлению нейтронов до тепловых энергий.
Тепловые нейтроны, которые образовались в результате замедления медленных нейтронов или попали в ткань извне, захватываются ядрами элементами ткани, наибольшее значение имеют две: радиационный захват ядрами водорода1 Н(n,γ)2 H и реакция на азоте14 N(n,p)14 C, вероятность которой для тепловых нейтронов значительно выше, чем для нейтронов высоких энергий.
Возникающие при радиационном захвате γ-квант ы с энергией 2,23_МэВ, взаимодействуя с тканью, дают существенный вклад в дозу.25 Биологическая доза от нейтронов Из процессов взаимодействия деление тяжелых ядер под действием нейтронов не характерно для ткани и может наблюдаться лишь при наличии инкорпорированных делящихся веществ, таких как уран, торий, плутоний и т.д.
Остальные процессы могут иметь место при взаимодействии нейтронов с тканью, хотя роль их будет различной в зависимости от энергий нейтронов.
В реакции на азоте образуются протоны с энергией 0,62 МэВ и радиоактивный углерод14С.
Протоны имеют в ткани малые пробеги и практически поглощаются в месте своего возникновения.
Распределение тканевой дозы, обусловленной протонами, однозначно определяется распределением тепловых нейтронов.
Радиоактивный углерод14 С распадается с вылетом β-частиц, обладающих средней энергией 0,05 МэВ.
Вклад в дозу за счет распада14 С пренебрежимо мал.26 Биологическая доза от нейтронов Распределение поглощенной энергии между γ-излучением и протонами , образующимися в реакции на азоте таково, что доза за счет γ-излучения в 20 раз больше , чем доза за счет протонов.
Для медленных нейтронов роль γ-излучения в создании тканевой физической дозы значительно больше, чем роль протонов, возникающих в реакции на азоте.
Но взвешивающий коэффициент для данного вида излучения,WR для протонов намного больше, чем для γ-квант ов, и, следовательно, оба вида излучения вносят примерно одинаковый вклад в биологическую дозу.
С изменением энергии нейтронов максимум дозы смещается по- разному для различных энергетических групп.
Для медленных нейтронов глубина расположения максимальной дозы увеличивается с ростом энергии нейтронов.
Основной вклад в дозу дают замедлившиеся нейтроны, и положение максимума дозы примерно соответствует максимуму концентрации тепловых нейтронов.
Растёт и абсолютное значение максимальной дозы.27 Биологическая доза от нейтронов При облучении нейтронами с энергией 0,1 кэВ глубина максимальной дозы∼ 4 см, для тепловых нейтронов она равна 0,3 см.
Доза для нейтронов с энергией 0,1 кэВ более чем в два раза выше, чем для тепловых.
В области промежуточных энергий нейтронов до 30 кэВ положение максимума дозы не меняется Дальнейшее увеличение энергии нейтронов повышает роль ядер отдачи, что смещает максимум дозы ближе к поверхности.
При энергии 100-500 кэВ тканевая доза на поверхности максимальная.
Для быстрых нейтронов максимальное значение дозы сохраняется на поверхности объекта вплоть до энергии 10 МэВ.28 Биологическая доза от нейтронов В связи с неравномерностью распределения дозы по глубине при вычислении или измерении дозы необходимо точно указывать, к какому месту облучаемого объекта доза относится.
Для радиобиологических целей иногда полезно знать среднюю тканевую дозу где D(x) – доза на глубине х биологического объекта, имеющего толщину h.
При контроле за радиационной опасностью в целях обеспечения необходимой защиты следует ориентироваться на максимальные значения тканевых доз.29 Биологическая доза от нейтронов Особенность биологического действия нейтронов - различные виды вторичного излучения , создающие тканевую дозу, имеют различные относительные биологические эффективности.
Так как вклад в тканевую дозу того или иного вида вторичного излучения изменяется с энергией нейтронов, то зависимость биологической дозы, выражаемой в бэрах , от энергии нейтронов будет отличаться от энергетической зависимости тканевой дозы, выраженной в радах Тканевая доза нейтронов может быть представлена как сумма составляющих, обусловленных протонами отдачиDп, тяжелыми ядрами отдачиD яд, ионизирующими частицами , возникающими в ядерных реакциях Dp , и γ-квантами, возникающими при захвате нейтронов Dγ:D тн = Dп+ D яд+Dр+ Dγ Чтобы получить биологическую дозу необходимо значение каждой оставляющей умножить на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, WR:Dб= WпDп+ W ядD яд+ WрDр+ WγDγ Зная зависимость от энергии нейтронов каждой составляющей в этой формуле, можно рассчитать энергетическую зависимость биологической дозы30 Биологическая доза от нейтронов Зависимость максимальной биологической дозы для единичного потока от энергии нейтронов.31 Биологическая доза от нейтронов Расчеты показывают, что при одной и той же плотности потока , доза, создаваемая быстрыми нейтронами существенно выше , чем доза от тепловых нейтронов.
При оценке дозы от лабораторных источников нейтронов необходимо помнить, что доза от них создается не только нейтронным излучением, но и сопутствующим ему γ-излучением.
Доза от γ-излучения может быть существенно выше (примерно в 103 –105 раз)32 Взаимодействие нейтронов с ядрами атомов33 Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода.
Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, но значительный ионизирующий эффект происходит за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ.
Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать наведенную радиоактивность .
Нейтронное излучение образуется при работе ядерных реакторов и т.
д.
Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью.
Радиоактивные изотопы характеризуются величиной активности, видом излучения, энергией излучаемых частиц и периодом полураспада.34 Взаимодействие нейтронов с веществом При столкновении нейтрона с ядром в основном могут происходить следующие реакции: упругое рассеяниеZA X (n,n)ZA X ;
неупругое рассеяниеZA X(n,n и γ)ZA X ;
радиационный захватZA X (n,γ)Z1A1Y ;
испускание заряженных частицZA X(n,β)Z1A1Y ,ZA X(n,р),ZA X (n,α)Z1A1 Y и др.;
делениеZA X(n, несколько n и γ) — осколки деления.· упругое рассеяние на ядрах - когда часть энергии нейтрона передается ядру, другая часть остается у рассеянного нейтрона.
При упругом рассеянии внутренняя энергия ядра не изменяется, она лишь приобретает кинетическую энергию;· неупругое рассеяние на ядрах - когда внутренняя энергия отдачи изменяется.
Ядро становится возбужденным и возвращаясь в нормальное состояние может испустить гамма-квант;· захват нейтронов ядрами - при захвате нейтронов ядрами образуется сильно возбужденное ядро, которое, возвращаясь в нормальное состояние, может испустить различные частицы.35 Упругое рассеяние нейтронов Упругое взаимодействие нейтрона с ядрами аналогично столкновению бильярдных шаров.
Если бильярдный шар, движущийся с большой скоростью, столкнется с неподвижным шаром, он передаст ему большую или меньшую часть энергии в зависимости от параметров удара, а сам изменит направление движения.
Суммарная энергия обоих шаров до и после взаимодействия не изменится.
Чем больше масса неподвижного шара по сравнению с массой движущегося, тем меньшая доля энергии будет ему передана при столкновении.
Если массы сталкивающихся шаров равны, то при каждом столкновении движущийся шар будет терять в среднем половину своей энергии.
Нейтроны, обладающие определенным запасом энергии, взаимодействуя с ядрами атомов, передают им часть энергии, а сами изменяют направление своего движения.
Этот процесс называется упругим рассеянием.36 Замедление нейтронов Ядра атомов, получившие в результате столкновения определенный запас кинетической энергии, - ядра отдачи - "выскакивают" из электронной оболочки и, проходя через вещество, производят ионизацию (поскольку они обладают зарядом).
Чем меньше масса ядер среды, через которые проходят нейтроны, тем большую долю энергии они теряют в процессе упругого рассеяния.
При каждом акте рассеяния на ядрах водорода нейтрон теряет в среднем половину энергии, при рассеянии на ядрах углерода - примерно 14 - 17 %, а при рассеянии на ядрах аргона - не более 8 - 9 %.
Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего использовать водородосодержащие или легкие вещества - обычную или тяжелую воду, парафин, бериллий, углерод.
В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона постепенно уменьшается и приближается к энергии теплового движения атомов и молекул среды, равной примерно 0,025 эВ.
Такие нейтроны называются тепловыми.37 Замедление нейтронов Чтобы нейтрон с первоначальной энергией 1 МэВ стал тепловым, число столкновений с ядрами водорода должно быть n = 25.
В углероде энергия этого нейтрона достигает 0,025 эВ после 100 столкновений, а при взаимодействии с ядрами урана - после 2100 столкновений.
Этот процесс завершается примерно через 10-6 секунды.
Так как нейтрон имеет нулевой электрический заряд, он практически не взаимодействует с электронами атомных оболочек.
Поэтому атомные характеристики среды не играют никакой роли в распространении нейтронов в веществе.
Это чисто ядерный процесс.38 Радиационный захват нейтронов При радиационном захвате происходит следующая ядерная реакция: т.е.
образуется изотоп исходного элемента, а избыточная энергия, полученная ядром вследствие такой перестройки, испускается в видеγ -кванта.
В ядерных реакторах, где создаются мощные потоки тепловых нейтронов, ядерная реакция указанного типа используется для получения искусственных радионуклидов.
Не только тепловые, но и могут быть захвачены ядрами атомов.
При захвате быстрых нейтронов произойдет ядерная реакция с вылетом a-частицы, протона и т.д.
и образуется ядро другого элемента:39 Замедление нейтронов Сечения различных нейтрон-ядерных реакций зависят от энергии нейтронов, сильно и нерегулярно изменяются от ядра к ядру при изменении A или Z.
Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами в среднем растут по закону "1/v" при уменьшении энергии нейтрона.
По этому свойству нейтроны разделяются на две большие группы – медленных и быстрых нейтронов.
Граница между этими группами не является строго определённой.
Она лежит в области 1000 эВ.
Заметим, что “медленность” медленных нейтронов весьма относительна.
Даже нейтрон с энергией 0.025 эВ имеет скорость 2 км/сек.
Медленные нейтроны принято подразделять на холодные, тепловые и резонансные .
Холодными называют нейтроны с энергиями ниже 0.025 эВ.
У холодных нейтронов очень сильно проявляются волновые свойства, т.к.
длина волны холодного нейтрона намного больше междуатомных расстояний.
Энергия Е тепл = 0.025 эВ определяет порядок энергий тепловых нейтронов.40 Замедление нейтронов В температурной шкале Е тепл = kT, где k - постоянная Больцмана, для абсолютной температуры, соответствующей энергии тепловых нейтронов, получается значение Т = 3000 , т.е.
комнатная температура.
Таким образом, энергия Е тепл соответствует наиболее вероятной скорости нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой при комнатной температуре.
Нейтроны с энергиями от 0.5 эВ до 1 кэВ называют резонансными, потому что в этой области для средних и тяжёлых ядер полное нейтронное сечение велико и его зависимость от энергии представляет собой густой частокол резонансов.
Нейтроны с энергиями от 1 до 100 кэВ называют промежуточными.
Часто в промежуточные включают и резонансные нейтроны.
В этой области энергий сечения в среднем падают с ростом энергии.К быстрым относят нейтроны с энергиями от 100 кэВ до 14 МэВ.41 Замедление нейтронов Рассмотрим среднюю потерю энергии быстрого нейтрона при столкновении с ядром водорода – протоном.
Так как массы нейтрона и протона примерно равны, то баланс энергии при столкновении имеет вид где E0 , v – начальные энергия и скорость нейтрона, vn, vp – соответственно скорости нейтрона и протона после столкновения.
Средняя энергия нейтрона после столкновения Таким образом, в водороде энергия нейтрона в среднем уменьшается вдвое при каждом столкновении.
При рассеянии нейтрона на ядре с массовым числом А средняя потеря энергии: E1 = (1-a/2), где Например, если замедлителем является углерод12 С, то E1 ≈ 0.8E0.42 Замедление нейтронов При столкновении с атомом водорода нейтрон с энергией 1 МэВ теряет 0.5 МэВ, а нейтрон с энергией в 10 эВ – всего 5 эВ.
Поэтому длительность замедления и проходимый при замедлении путь обычно слабо зависят от начальной энергии нейтрона.
Время замедления нейтрона даже в тяжёлом замедлителе, свинце, от энергии 1 МэВ до 1 эВ равно∼4.10-4 сек.
Возраст нейтроновτ = /6 где среднеквадратичное расстояние, на которое нейтрон уходит от источника в процессе замедления в интервале энергий от 1 МэВ до 1 эВ.43 Диффузия нейтронов Длина диффузии L, определяется соотношениемL2 = /6 где — среднеквадратичное расстояние, на которое уходит тепловой нейтрон в веществе от места рождения до поглощения.
Длина диффузии имеет примерно тот же порядок, что и длина замедленияτ1/2 .
Обе величины определяют расстояние от источника.
Замедлителиτ (см2) L(см)H2 O (вода) 312.72D2 O (тяжёлая вода) 125159 Be (бериллий)8621 C (графит)31358 Величиныτ и L для наиболее употребительных замедлителей: Из этой таблицы видно, что у обычной водыτ1/2 > L, что указывает на сильное поглощение.
У тяжёлой воды, наоборот,τ1/2 >> L.
Поэтому она является лучшим замедлителем.
Дополнительной характеристикой диффузии является среднее времяτд жизни диффундирующего нейтрона.44 Альбедо нейтронов Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения с ядрами (диффузное отражение) и после ряда столкновений может вылететь обратно.
Вероятность такого вылета носит название альбедо нейтронов для данной среды.
Очевидно, что альбедо тем выше, чем больше сечение рассеяния и чем меньше сечение поглощения нейтронов ядрами среды.
Хорошие отражатели отражают до 90% попадающих в них нейтронов, т.е.
имеют альбедо до 0.9.
В частности, для обычной воды альбедо равно 0.8.45 Нейтроны в реакторе Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения1 Мгновенные нейтроны сопровождают процесс деления ядер топлива2 Запаздывающие нейтроны испускаются возбужденными ядрами осколков деления3 Нейтроны активации испускаются при радиоактивном распаде продуктов некоторых ядерных реакций4 Фотонейтроны образуются в результате (α , n)-реакций на некоторых ядрах46 Тип реакцииСечение ядерных реакций под действием нейтронов Радиационный захват (n,) Идёт на всех ядрах.
Сечение: для тепловых нейтронов варьируется в широком интервале от 0,1 до 103 и даже >104 барн ( ) для быстрых нейтронов – от 0.1 до нескольких барн.
Упругое и неупругое рассеяние (n,n) Сечение варьируется в интервале нескольких барн.
(n,p) Наиболее важные реакции: тепл.
нейтр = 5400 барн, тепл.
нейтр.=1.75 барн.(n,α ) Наиболее важные реакции: тепл.нейтр.=945 барн, тепл.
нейтр.=3840 барн (n,2n) Пороговая реакция.
Порог ~10 - 15 МэВ.
Сечение: несколько десятых барн.
(n,f) В большинстве случаев пороговая реакция.
Сечение очень мало, исключая , и др.47 Ядерный реактор – источник ионизирующего излучения48 Энергия нейтронов, вызывающих деление ядер В зависимости от кинетической энергии нейтрона и типа ядра при их столкновении может быть получен любой из указанных выше процессов.
В ядерных реакторах наиболее важное значение имеют реакции ядер с нейтронами, обладающими кинетической энергией менее 2 — 3 МэВ.
Для проектирования радиационной защиты в первую очередь необходимо знать энергию нейтронов, вызывающих деление ядер.
Эта энергия обычно не более 0,2 эВ в реакторах на тепловых нейтронах ;
составляет 0,2 эВ÷100 кэВ в реакторах на промежуточных нейтронах и превышает 100 кэВ в реакторах на быстрых нейтронах.
По составу ядерного топлива классифицируются урановые, плутониевые и ториевые реакторы.
Топливо может находиться в твердой, жидкой или газообразной фазе.
В зависимости от размещения топлива в замедлителе определяются гомогенные и гетерогенные реакторы.49 Зависимость сечения поглощения (σα ) от энергии нейтронов Зависимость полного микроскопического сечения235 U от энергии нейтрона.50 Энергия нейтронов, вызывающих деление ядер Таблица 8.1.
Осредненные плотности нейтронных потоков и плотности потоков энергии фотонов в реакторах разных типов.
Тип реактора Плотность нейтронного потока, 1/(см2⋅с) Плотность потока энергии фотонов, МэВ/(см2⋅с) На тепловых нейтронах (2-5)*1013 ;
до 95% нейтронного потока составляют медленные и тепловые нейтроны (2÷5)·1013 На промежуточных нейтронах (1-2)*1013 ;
в спектре примерно 50% быстрых и 50% промежуточных нейтронов≈1014 На быстрых нейтронах около 1014 ;
максимум в спектре нейтронов, падающих на защиту, соответствует энергии нейтронов 50÷ 100 кэВ≈101351 Влияние видов излучения ядерного реактора Особенностями различных видов излучения ядерного реактора с точки зрения влияния на характеристики защиты являются:- радиационное охрупчивание корпуса (конструкций) реактора и защиты быстрыми нейтронами, а также определяющий вклад быстрых нейтронов в характеристики пространственного распределения тепловых и медленных нейтронов при использовании водородсодержащих материалов;
- определяющий вклад промежуточных нейтронов в мощность эквивалентной дозы за «безводородной» защитой;- активация конструкций реактора тепловыми нейтронами;
формирование ими источников захватногоγ - излучения;
- определяющая роль мгновенного и запаздывающегоγ - излучений с энергией, меньшей приблизительно 3 МэВ, в тепловыделение во внутренних слоях защиты;
- определяющая роль высокоэнергетической части захватногоγ- излучения в мощность эквивалентной дозы за защитой.52γ -кванты в работающем реакторе1 Мгновенноеγ- излучение деления Сопровождает процесс деления за время, меньшее 1 мксек.
• полная энергия мгновенногоγ -излучения деления235 U равна 7,5 МэВ,
• средняя энергияγ -квантов - 0,9 МэВ,
• среднее числоγ -квантов - 8,3 шт на один акт деления.2γ -излучение короткоживущих продуктов деления Большая частьγ -излучения испускается из продуктов деления в первые 10 минут после деления.
Энергетический спектрγ -излучения от короткоживущих источников подобен спектру мгновенногоγ -излучения.3γ -излучение долгоживущих продуктов деления Испускается при радиоактивном распаде за время.
большее чем 10 минут после процесса деления, и состоит главным образом изγ -квантов с малой энергией.
Из них около 88% имеют энергию меньше 1,8 МэВ;
максимальная энергия - 2,8 МэВ.53γ -кванты в работающем реакторе4 Захватноеγ- излучениеγ -излучение, сопровождающее радиационный захват нейтрона {реакции вида (n,γ )}.
Полная энергия, испускаемая в видеγ -квантов при радиационном захвате нейтрона, складывается из энергии связи нейтрона и некоторой доли кинетической энергии нейтрона, захваченного ядром.5γ -излучение при неупругом рассеянии нейтронов Испускается в процессе прохождения быстрых нейтронов через вещество.
В процессе неупругого рассеяния нейтрон передает часть своей энергии ядру и переводит его в возбужденное состояние.
В течение очень короткого времени (~10-14 сек) ядро теряет свою энергию возбуждения путем испускания одного или несколькихγ -квантов.
Если энергия нейтрона больше энергии нескольких возбужденных уровней, переход в основное состояние часто происходит путем каскадного процесса.
При этом энергия одногоγ -кванта не равна энергии, потерянной нейтроном.54γ -кванты в работающем реакторе6γ -излучение продуктов реакций Сопровождает испускание заряженных частиц ядрами, поглотившими нейтроны.
В качестве примера может служить реакция (n, a) на10В, содержащемся в естественном боре в количестве 19,8% и широко применяемом в качестве поглотителя нейтронов при регулировании реакторов ВВЭР.7γ -излучение продуктов активации Испускается из продуктов радиоа
— ионизирующее излучение.
ЛПЭ — линейная передача энергии кк — коэффициент качества ПДД — предельно допустимая доза ДПП — допустимая плотность потока ПД — предел дозы4 Взаимодействие нейтронов с веществом5 Взаимодействие нейтронов с веществом Не имея электрического заряда, нейтрон не взаимодействует с электрическим полем заряженных частиц и ядер атомов и может пройти значительное расстояние в поглощающем веществе до столкновения с ядром, т.е.
при прохождении через поглощающее вещество нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов.
Нейтроны обладают весьма широким диапазоном энергий — от долей до десятков миллионов электрон-вольт.
На практике условно принято следующее разбиение нейтронов по энергиям:
• Медленные , E < 1 кэВ.
В эту группу входят ультрахолодные (E < 10-7 эВ), холодные (10-7 < E < 5·10-3 эВ), тепловые (5·10-3 < E < 0,2 эВ), надтепловые (0,2 эВ < E < 1 кэВ).
• Промежуточные , 1 кэВ < E < 0,2 МэВ.
• Быстрые , 0,2 < E < 20 МэВ.
• Сверхбыстрые , E > 20 МэВ.6 Взаимодействие нейтронов с веществом Тепловые нейтроны находятся в термодинамическом равновесии с атомами среды, в которой они распространены.
Наиболее вероятная скорость движения тепловых нейтронов при температуре 295 К (22°С) составляет 2200 м/с, а энергия—0,025 эВ.
В поле ядра атома нейтроны в зависимости от их энергии могут испытывать различные типы взаимодействия: упругое и неупругое рассеяния, радиационный захват с испусканием фотона, захватс испусканием заряженной частицыи деление ядер.
Упругое рассеяние.
В этом виде взаимодействия нейтрон рассеивается ядром, изменяет направление движения, теряя часть своей энергии.
Так как при упругом рассеянии полная кинетическая энергия системы нейтрон-ядро остается неизменной, то существует простая связь между энергией, переданной ядру, и углом рассеяния:Es/Ε0 = (Α2 + 2·Α·ω + 1)/(Α+1)2 , (2.28) где: E0 и Es — энергии до и после рассеяния соответственно;
ω — косинус угла рассеяния в системе центра масс;
А—атомная масса рассеивающего ядра.7 Взаимодействие нейтронов с веществом Упругое рассеяние играет большую роль в ослаблении потока быстрых нейтронов.
При столкновении с ядром водорода нейтрон в среднем теряет 50% своей энергии, при рассеянии на ядрах углерода — примерно 14- 17%, на ядрах аргона — не более 8—9 %.
Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего использовать водородосодержащие или легкие вещества — обычную или тяжелую воду, парафин, бериллий, углерод.
В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона постепенно уменьшается и приближается к энергии теплового движения атомов и молекул среды, равной примерно 0,025 эВ, т.е.
такие нейтроны становятся тепловыми.
Чтобы нейтрон с первоначальной энергией 1 МэВ стал тепловым, число столкновений с ядрами водорода должно быть n = 25.
В углероде энергия достигает 0,025 эВ после 100 столкновений, а при взаимодействии с ядрами урана — после 2100 столкновений.
Этот процесс завершается примерно через 10-6C.8 Взаимодействие нейтронов с веществом Нейтроны с энергией приблизительно до 1 МэВ испытывают в веществе преимущественно упругое рассеяние.
Тепловой нейтрон будет блуждать в веществе до тех пор, пока не будет захвачен одним из ядер атомов поглощающей среды, в результате чего произойдет следующая реакция:XZA+n01 →XZA+1 +γ, (2.29) т.е.
образуется изотоп исходного элемента, а избыточная энергия испускается в виде γ-кванта.
Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием фотона.
В ядерных реакторах, где создаются мощные потоки тепловых нейтронов, ядерная реакция указанного типа используется для получения искусственных радионуклидов.
Не только тепловые, но и быстрые нейтроны могут быть захвачены ядрами атомов.
В результате произойдет ядерная реакция с вылетом α-частицы, протона и т.д.
и образуется ядро другого элемента: XZA+n01 → XZ-2A-3+He24 Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием заряженной частицы.9 Взаимодействие нейтронов с веществом Неупругое рассеяние.
При захвате нейтрона ядром может произойти ядерная реакция, в процессе которой образуется ядро исходного нуклида, но при этом энергия испущенного нейтрона меньше энергии захваченного:XZA+n01 →XZA+n01+γ В этом случае произойдет процесс неупругого рассеяния, поскольку суммарная энергия системы нейтрон+ядро до взаимодействия не равна энергии системы после взаимодействия.
Неупругое рассеяние нейтронов имеет пороговый характер.
Оно может произойти лишь в том случае, если энергия падающего нейтрона E0 превысит энергию E* первого возбужденного состояния ядра-мишени.
После неупругого рассеяния ядро-мишень остается в возбужденном состоянии, а энергия нейтрона равна E0 — E*.
Энергия возбужденного ядра-мишени снимается путем испускания одного или нескольких фотонов, спектр которых определяется структурой энергетических уровней возбужденного ядра.10 Взаимодействие нейтронов с веществом Неупругое рассеяние нейтронов существенно лишь для тяжелых ядер.
Если энергия нейтронов становится ниже порога неупругого рассеяния, то из-за очень слабого замедления он может пройти в тяжелых материалах большое расстояние.
Для ослабления таких нейтронов необходимо вводить в защиту вещества с легкими ядрами, эффективно ослабляющие нейтронный поток вследствие упругого рассеяния.
Фотонное излучение, возникающее при радиационном захвате, имеет высокую энергию (6 — 8 МэВ) и часто играет определяющую роль в формировании поля излучения за защитой.
Это следует учитывать при выборе конструкционных материалов для проектирования защиты.
Реакции радиационного захватас испусканием α-частиц, протонов и т.
п.
зависят от энергии нейтрона и становятся возможными в том случае, когда быстрый (с энергией больше 1 МэВ) нейтрон передаст α-частице или протону энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.11 Взаимодействие нейтронов с веществом Деление ядер.
При захвате нейтрона некоторые тяжелые ядра способны делиться.
Главным образом это ядра урана, тория, плутония.
В процессе деления не только высвобождается более одного нейтрона, но и выделяется энергия около 200 МэВ на один акт деления.
Большинство продуктов деления радиоактивны с различными периодами полураспада.
Полное макроскопическое сечение Σ взаимодействия нейтронов равно Σ = ΣS + Σa+Σf где ΣS — макроскопическое сечение рассеяния, включающее в себя сечение упругого Σe1 и неупругого Σin рассеяний (Σs = Σe1 + Σin);
Σa — макроскопическое сечение, равное сумме сечений всех реакций, сопровождающих поглощение нейтрона:Σa=Σ n, γ+Σn,p + Σ n,α +……..;12 Реакция деления Consider the nuclear fission of236 U into92Kr,141 Ba, and three neutrons.236 U →92 Kr +141 Ba + 3 n The mass number of236 U is 236.
Because the actual mass is 236.045563u, the mass excess is +0.045563u .
Calculated in the same manner, the mass excess for92Kr,141 Ba, and a neutron are -0.073843u , ( -0.085588)uand 0.0086648 u, respectively.
The mass excess of the reactant is +0.045563 u, and the mass excess of the products is -0.073843 +(-0.085588)+3 ⃰ (0.0086648)= -0.1334366 The difference between reactants and products is +0.045563-(-0.1334366)=0.1789996u, which shows that the mass excess of the products is less than that of the reactants, and so the fission can occur – a calculation which could have been done also with only the masses of the reactants.
The resulting difference in mass (excess) can be converted into energy using 1 u = 931.494 MeV/c², yielding 166 MeV.13 Реакция деления Рассмотрим деление236 U на92Kr,141 Ba, and три нейтрона.236 U →92 Kr +141 Ba + 3 n массовое число236 U is 236.
Так как реальная масса 236.045563 а.е., избыток массы равен +0.045563 а.е..
Рассчитанный подобным образом избыток массы для92Kr,141 Ba, и нейтрона равен ( -0.073843u), ( -0.085588) а.е.and 0.0086648 а.е.
соответственно.
Избыток массы исходного атома +0.045563 а.е., а избыточная масса продуктов деления равна: (-0.073843) +(-0.085588)+3 ⃰ (0.0086648)= - 0.1334366 Разность между исходным и конечным продуктом: +0.045563-(-0.1334366)=0.1789996 а.е., это показывает, что избыток массы конечного продукта меньше исходного, и реакция деления возможна – расчеты могут быть выполнены также только для исходного продукта.
Конечная разность масс может быть конвертирована в энергию через соотношение1 а.е.
= 931.494 MeV/c², суммарная энергия деления урана-235 равна 166 MeV.14 Реакция деления Масса ядра М меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов на величину М, определяющую энергию связи М=Zmp +(A-Z)mn -(A)A, где(А)с - энергия связи, приходящаяся на один нуклон, достигающая максимума в середине таблицы Менделеева и убывающая после максимума к большим значениям А.
Пусть тяжелое ядро с атомным весом А и массой М разделилось на два ядраА1 и А2 с массами соответственно М1 и М2 , причем А1 + А2 равно А либо несколько меньше его, так как в процессе деления могут вылететь несколько нейтронов.
Возьмем для наглядности случай А1 + А2 = А.
Рассмотрим величину разности масс начального ядра и двух конечных ядер, причем будем считать что А1=А2 , так, что (А1 )= (А2 ), М=М-М1-М2 =- (А)А+ (А1 )(А1+А2) =А( (А1 )- (А1)).
Если А соответствует тяжелому ядру в конце Периодической системы, тоА1 находится в середине и имеет максимальное значение (А2).
Значит, М>0 и, следовательно, в процессе деления выделяется энергияЕд = Мс2.
Для тяжелых ядер, например для ядер урана, ((А1 )- (А))с2 =1 МэВ.
Так что при А=200 имеем оценку Ед = 200 МэВ.15 Энергетический спектр при делении235U Энергетический спектр мгновенного нейтронного(1)и γ-излучения(2) при делении235U16 Взаимодействие нейтронов с веществом Доминирующими процессами взаимодействия нейтронов с поглощающим веществом являются: Для быстрых нейтронов — упругое рассеяние, хотя, как и для всех других групп, возможны со значительно меньшей степенью вероятности и неупругое рассеяние, ядерные реакции, радиационный захват.
Для промежуточных нейтронов наиболее характерным является неупругое рассеяние, а также радиационный захват.
Для тепловых нейтронов — радиационный захват.
Вероятность этого процесса пропорциональна 1/V, или 1/Е1/2 , т.е.
возрастает с уменьшением энергии (скорости) нейтронов.
Таким образом, при всех процессах взаимодействия нейтронов с веществом образуются либо заряженные частицы — ядра отдачи, α-частицы, протоны, дейтроны и т.д., непосредственно производящие ионизацию — либоγ -излучение, которое, как было показано ранее, также производит ионизацию в результате вторичных процессов.17 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом Для заряженных частиц( непосредственно ионизирующее излучение ) акт передачи и поглощения энергии как бы совмещены во времени и пространстве, т.е.
передача и поглощение энергии происходят в одном и том же элементарном объеме.
При взаимодействии косвенно ионизирующего излучения (нейтронов, фотонов) с веществом процессы идут по-другому.
Здесь при единичном акте взаимодействия доля переданной энергии может быть различной и зависит от угла рассеяния фотонов при комптоновском эффекте или нейтронов при упругом взаимодействии;
в случае фотоэлектрического поглощения или образования пар происходит передача всей энергии фотона в единичном акте взаимодействия.
Образованные в процессе взаимодействия заряженные частицы могут произвести ионизацию не только в том элементарном объеме, где они образовались, но и вне этого объема.
Для косвенно ионизирующего излучения энергия, переданная веществу в данном элементарном объеме в процессе взаимодействия, не всегда равна поглощенной энергии в этом же элементарном объеме.18 Преобразование энергии нейтронов в веществе Чем легче ядра поглощающей среды, тем большую долю энергии теряют нейтроны в процессе упругого рассеяния.
Первоначально моноэнергетический пучок нейтронов, попадая в поглощающую среду, в результате столкновений нейтронов с ядрами приобретает непрерывный спектр.
Наибольшее число нейтронов будет в области низких энергий.
Радиационный захват — характерный вид взаимодействия тепловых и, отчасти, промежуточных нейтронов — заключается в захвате ядром нейтрона с испусканием гамма-кванта.
Испускаемое гамма-излучение при радиационном захвате имеет обычно энергию порядка миллиона электрон-вольт.
Радиационный захват может происходить на ядрах почти всех элементов.19 Преобразование энергии нейтронов в веществе В процессе взаимодействия с вылетом заряженных частиц нейтрон в интервале энергий от нескольких МэВ до приблизительно 20 МэВ захватывается ядром и испускаются, в так называемом процессе испарения, заряженные частицы , такие как p,d,α и т.
п.
а также, иногда, вторичные нейтроны.
При энергии первичного нейтрона более 20 МэВ процессу испарения предшествует стадия прямого выбивания частиц из ядра.
Для промежуточных и тепловых нейтронов расщепление с вылетом заряженных частиц маловероятно, за исключением четырех случаев:6 Li( n,α)3H;10 B(n, α)7Li;3 He(n, p)3 H и14 N(n, p)14C.
При взаимодействии нейтронов с веществом следует различать поглощенную энергию нейтронов и энергию, преобразованную в энергию вторичного излучения , при этом рассеянные нейтроны ко вторичному излучению не относят.
Под поглощенной энергией следует понимать ту часть энергии вторичного излучения, которая фактически пошла на ионизацию и возбуждение атомов и молекул поглощающей среды.20 Особенности взаимодействия нейтронов с живой тканью21 Особенности взаимодействия нейтронов с живой тканью При попадании нейтронов на тело человека, так же как и γ-квантов илиα,β -частиц, их воздействие сводится в конечном счете к ионизации биологической ткани, Эта ионизация обусловлена главным образом тремя основными процессами: захватом нейтронов ядрами азота по реакции14 N(n, p)14С6 .
В результате образуются протоны со средней энергией 0,6 МэВ, ионизирующие биологическую ткань;
захватом нейтронов ядрами водорода по реакцииН (п,γ)2Н1.
Ионизацию производят γ-квантыс энергией 2,18 МэВ, возникающие при радиационном захвате;
упругим рассеянием нейтронов на ядрах водорода, кислорода, углерода и азота.
Ионизацию производят ядра отдачи.
Нейтроны взаимодействуют с живой тканью очень сложным образом, включая наведенную гамма-активность.
Из-за сильной зависимости характера взаимодействия от энергии нейтронов и состава ткани, понятие эквивалентной биологической дозыв нейтронной лучевой терапии не имеет точного определения.22 Состав тела человека Тканевая доза нейтронов обусловлена поглощенной энергией вторичного излучения , возникающего при взаимодействии нейтронов с тканью организма.
Значимость тех или иных процессов взаимодействия нейтронов определяется составом ткани.
В состав тела человека входит водород (10 вес%), углерод (18%), азот (3%), кислород (65%),Ca (1,5%),P (1%), Остальные элементы: Mg, Na, S, Cl, K и др.
вместе дают примерно 1,5%.
Приближенно химический состав мягкой биологической ткани можно определить воображаемой тканевой «молекулы»(С5Н40О18N)x Для живой ткани характерно то, что она в основном состоит из легких элементов.
Самый легкий из элементов – водород – по числу атомов занимает первое место среди элементов ткани.
Преобладание того или иного из перечисленных ранее процессов взаимодействия нейтронов с веществом определенного химического состава целиком определяется энергией нейтронов.23 Преобразование энергии медленных нейтронов Преобразование энергии медленных нейтронов в биологической ткани происходит в результате упругого рассеяния и через реакцию14 N(n,p)14 C.
Ядра отдачи, возникающие в ткани при упругом рассеянии медленных нейтронов, в большинстве своем обладают энергией, недостаточной для ионизации, и их вклад в биологический эффект незначителен.
Рассеяние приводит к быстрому замедлению нейтронов до тепловых энергий.
Тепловые нейтроны, которые образовались в результате замедления медленных нейтронов или попали в ткань извне, захватываются ядрами элементами ткани, наибольшее значение имеют две: радиационный захват ядрами водорода1 Н(n,γ)2 H и реакция на азоте14 N(n,p)14 C, вероятность которой для тепловых нейтронов значительно выше, чем для нейтронов высоких энергий.
Возникающие при радиационном захвате γ-квант ы с энергией 2,23_МэВ, взаимодействуя с тканью, дают существенный вклад в дозу.24 Преобразование энергии медленных нейтронов Преобразование энергии медленных нейтронов в биологической ткани происходит в результате упругого рассеяния и через реакцию14 N(n,p)14C.
Ядра отдачи, возникающие в ткани при упругом рассеянии медленных нейтронов, в большинстве своем обладают энергией, недостаточной для ионизации, и их вклад в биологический эффект незначителен.
Рассеяние приводит к быстрому замедлению нейтронов до тепловых энергий.
Тепловые нейтроны, которые образовались в результате замедления медленных нейтронов или попали в ткань извне, захватываются ядрами элементами ткани, наибольшее значение имеют две: радиационный захват ядрами водорода1 Н(n,γ)2 H и реакция на азоте14 N(n,p)14 C, вероятность которой для тепловых нейтронов значительно выше, чем для нейтронов высоких энергий.
Возникающие при радиационном захвате γ-квант ы с энергией 2,23_МэВ, взаимодействуя с тканью, дают существенный вклад в дозу.25 Биологическая доза от нейтронов Из процессов взаимодействия деление тяжелых ядер под действием нейтронов не характерно для ткани и может наблюдаться лишь при наличии инкорпорированных делящихся веществ, таких как уран, торий, плутоний и т.д.
Остальные процессы могут иметь место при взаимодействии нейтронов с тканью, хотя роль их будет различной в зависимости от энергий нейтронов.
В реакции на азоте образуются протоны с энергией 0,62 МэВ и радиоактивный углерод14С.
Протоны имеют в ткани малые пробеги и практически поглощаются в месте своего возникновения.
Распределение тканевой дозы, обусловленной протонами, однозначно определяется распределением тепловых нейтронов.
Радиоактивный углерод14 С распадается с вылетом β-частиц, обладающих средней энергией 0,05 МэВ.
Вклад в дозу за счет распада14 С пренебрежимо мал.26 Биологическая доза от нейтронов Распределение поглощенной энергии между γ-излучением и протонами , образующимися в реакции на азоте таково, что доза за счет γ-излучения в 20 раз больше , чем доза за счет протонов.
Для медленных нейтронов роль γ-излучения в создании тканевой физической дозы значительно больше, чем роль протонов, возникающих в реакции на азоте.
Но взвешивающий коэффициент для данного вида излучения,WR для протонов намного больше, чем для γ-квант ов, и, следовательно, оба вида излучения вносят примерно одинаковый вклад в биологическую дозу.
С изменением энергии нейтронов максимум дозы смещается по- разному для различных энергетических групп.
Для медленных нейтронов глубина расположения максимальной дозы увеличивается с ростом энергии нейтронов.
Основной вклад в дозу дают замедлившиеся нейтроны, и положение максимума дозы примерно соответствует максимуму концентрации тепловых нейтронов.
Растёт и абсолютное значение максимальной дозы.27 Биологическая доза от нейтронов При облучении нейтронами с энергией 0,1 кэВ глубина максимальной дозы∼ 4 см, для тепловых нейтронов она равна 0,3 см.
Доза для нейтронов с энергией 0,1 кэВ более чем в два раза выше, чем для тепловых.
В области промежуточных энергий нейтронов до 30 кэВ положение максимума дозы не меняется Дальнейшее увеличение энергии нейтронов повышает роль ядер отдачи, что смещает максимум дозы ближе к поверхности.
При энергии 100-500 кэВ тканевая доза на поверхности максимальная.
Для быстрых нейтронов максимальное значение дозы сохраняется на поверхности объекта вплоть до энергии 10 МэВ.28 Биологическая доза от нейтронов В связи с неравномерностью распределения дозы по глубине при вычислении или измерении дозы необходимо точно указывать, к какому месту облучаемого объекта доза относится.
Для радиобиологических целей иногда полезно знать среднюю тканевую дозу где D(x) – доза на глубине х биологического объекта, имеющего толщину h.
При контроле за радиационной опасностью в целях обеспечения необходимой защиты следует ориентироваться на максимальные значения тканевых доз.29 Биологическая доза от нейтронов Особенность биологического действия нейтронов - различные виды вторичного излучения , создающие тканевую дозу, имеют различные относительные биологические эффективности.
Так как вклад в тканевую дозу того или иного вида вторичного излучения изменяется с энергией нейтронов, то зависимость биологической дозы, выражаемой в бэрах , от энергии нейтронов будет отличаться от энергетической зависимости тканевой дозы, выраженной в радах Тканевая доза нейтронов может быть представлена как сумма составляющих, обусловленных протонами отдачиDп, тяжелыми ядрами отдачиD яд, ионизирующими частицами , возникающими в ядерных реакциях Dp , и γ-квантами, возникающими при захвате нейтронов Dγ:D тн = Dп+ D яд+Dр+ Dγ Чтобы получить биологическую дозу необходимо значение каждой оставляющей умножить на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, WR:Dб= WпDп+ W ядD яд+ WрDр+ WγDγ Зная зависимость от энергии нейтронов каждой составляющей в этой формуле, можно рассчитать энергетическую зависимость биологической дозы30 Биологическая доза от нейтронов Зависимость максимальной биологической дозы для единичного потока от энергии нейтронов.31 Биологическая доза от нейтронов Расчеты показывают, что при одной и той же плотности потока , доза, создаваемая быстрыми нейтронами существенно выше , чем доза от тепловых нейтронов.
При оценке дозы от лабораторных источников нейтронов необходимо помнить, что доза от них создается не только нейтронным излучением, но и сопутствующим ему γ-излучением.
Доза от γ-излучения может быть существенно выше (примерно в 103 –105 раз)32 Взаимодействие нейтронов с ядрами атомов33 Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода.
Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, но значительный ионизирующий эффект происходит за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ.
Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать наведенную радиоактивность .
Нейтронное излучение образуется при работе ядерных реакторов и т.
д.
Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью.
Радиоактивные изотопы характеризуются величиной активности, видом излучения, энергией излучаемых частиц и периодом полураспада.34 Взаимодействие нейтронов с веществом При столкновении нейтрона с ядром в основном могут происходить следующие реакции: упругое рассеяниеZA X (n,n)ZA X ;
неупругое рассеяниеZA X(n,n и γ)ZA X ;
радиационный захватZA X (n,γ)Z1A1Y ;
испускание заряженных частицZA X(n,β)Z1A1Y ,ZA X(n,р),ZA X (n,α)Z1A1 Y и др.;
делениеZA X(n, несколько n и γ) — осколки деления.· упругое рассеяние на ядрах - когда часть энергии нейтрона передается ядру, другая часть остается у рассеянного нейтрона.
При упругом рассеянии внутренняя энергия ядра не изменяется, она лишь приобретает кинетическую энергию;· неупругое рассеяние на ядрах - когда внутренняя энергия отдачи изменяется.
Ядро становится возбужденным и возвращаясь в нормальное состояние может испустить гамма-квант;· захват нейтронов ядрами - при захвате нейтронов ядрами образуется сильно возбужденное ядро, которое, возвращаясь в нормальное состояние, может испустить различные частицы.35 Упругое рассеяние нейтронов Упругое взаимодействие нейтрона с ядрами аналогично столкновению бильярдных шаров.
Если бильярдный шар, движущийся с большой скоростью, столкнется с неподвижным шаром, он передаст ему большую или меньшую часть энергии в зависимости от параметров удара, а сам изменит направление движения.
Суммарная энергия обоих шаров до и после взаимодействия не изменится.
Чем больше масса неподвижного шара по сравнению с массой движущегося, тем меньшая доля энергии будет ему передана при столкновении.
Если массы сталкивающихся шаров равны, то при каждом столкновении движущийся шар будет терять в среднем половину своей энергии.
Нейтроны, обладающие определенным запасом энергии, взаимодействуя с ядрами атомов, передают им часть энергии, а сами изменяют направление своего движения.
Этот процесс называется упругим рассеянием.36 Замедление нейтронов Ядра атомов, получившие в результате столкновения определенный запас кинетической энергии, - ядра отдачи - "выскакивают" из электронной оболочки и, проходя через вещество, производят ионизацию (поскольку они обладают зарядом).
Чем меньше масса ядер среды, через которые проходят нейтроны, тем большую долю энергии они теряют в процессе упругого рассеяния.
При каждом акте рассеяния на ядрах водорода нейтрон теряет в среднем половину энергии, при рассеянии на ядрах углерода - примерно 14 - 17 %, а при рассеянии на ядрах аргона - не более 8 - 9 %.
Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего использовать водородосодержащие или легкие вещества - обычную или тяжелую воду, парафин, бериллий, углерод.
В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона постепенно уменьшается и приближается к энергии теплового движения атомов и молекул среды, равной примерно 0,025 эВ.
Такие нейтроны называются тепловыми.37 Замедление нейтронов Чтобы нейтрон с первоначальной энергией 1 МэВ стал тепловым, число столкновений с ядрами водорода должно быть n = 25.
В углероде энергия этого нейтрона достигает 0,025 эВ после 100 столкновений, а при взаимодействии с ядрами урана - после 2100 столкновений.
Этот процесс завершается примерно через 10-6 секунды.
Так как нейтрон имеет нулевой электрический заряд, он практически не взаимодействует с электронами атомных оболочек.
Поэтому атомные характеристики среды не играют никакой роли в распространении нейтронов в веществе.
Это чисто ядерный процесс.38 Радиационный захват нейтронов При радиационном захвате происходит следующая ядерная реакция: т.е.
образуется изотоп исходного элемента, а избыточная энергия, полученная ядром вследствие такой перестройки, испускается в видеγ -кванта.
В ядерных реакторах, где создаются мощные потоки тепловых нейтронов, ядерная реакция указанного типа используется для получения искусственных радионуклидов.
Не только тепловые, но и могут быть захвачены ядрами атомов.
При захвате быстрых нейтронов произойдет ядерная реакция с вылетом a-частицы, протона и т.д.
и образуется ядро другого элемента:39 Замедление нейтронов Сечения различных нейтрон-ядерных реакций зависят от энергии нейтронов, сильно и нерегулярно изменяются от ядра к ядру при изменении A или Z.
Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами в среднем растут по закону "1/v" при уменьшении энергии нейтрона.
По этому свойству нейтроны разделяются на две большие группы – медленных и быстрых нейтронов.
Граница между этими группами не является строго определённой.
Она лежит в области 1000 эВ.
Заметим, что “медленность” медленных нейтронов весьма относительна.
Даже нейтрон с энергией 0.025 эВ имеет скорость 2 км/сек.
Медленные нейтроны принято подразделять на холодные, тепловые и резонансные .
Холодными называют нейтроны с энергиями ниже 0.025 эВ.
У холодных нейтронов очень сильно проявляются волновые свойства, т.к.
длина волны холодного нейтрона намного больше междуатомных расстояний.
Энергия Е тепл = 0.025 эВ определяет порядок энергий тепловых нейтронов.40 Замедление нейтронов В температурной шкале Е тепл = kT, где k - постоянная Больцмана, для абсолютной температуры, соответствующей энергии тепловых нейтронов, получается значение Т = 3000 , т.е.
комнатная температура.
Таким образом, энергия Е тепл соответствует наиболее вероятной скорости нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой при комнатной температуре.
Нейтроны с энергиями от 0.5 эВ до 1 кэВ называют резонансными, потому что в этой области для средних и тяжёлых ядер полное нейтронное сечение велико и его зависимость от энергии представляет собой густой частокол резонансов.
Нейтроны с энергиями от 1 до 100 кэВ называют промежуточными.
Часто в промежуточные включают и резонансные нейтроны.
В этой области энергий сечения в среднем падают с ростом энергии.К быстрым относят нейтроны с энергиями от 100 кэВ до 14 МэВ.41 Замедление нейтронов Рассмотрим среднюю потерю энергии быстрого нейтрона при столкновении с ядром водорода – протоном.
Так как массы нейтрона и протона примерно равны, то баланс энергии при столкновении имеет вид где E0 , v – начальные энергия и скорость нейтрона, vn, vp – соответственно скорости нейтрона и протона после столкновения.
Средняя энергия нейтрона после столкновения Таким образом, в водороде энергия нейтрона в среднем уменьшается вдвое при каждом столкновении.
При рассеянии нейтрона на ядре с массовым числом А средняя потеря энергии: E1 = (1-a/2), где Например, если замедлителем является углерод12 С, то E1 ≈ 0.8E0.42 Замедление нейтронов При столкновении с атомом водорода нейтрон с энергией 1 МэВ теряет 0.5 МэВ, а нейтрон с энергией в 10 эВ – всего 5 эВ.
Поэтому длительность замедления и проходимый при замедлении путь обычно слабо зависят от начальной энергии нейтрона.
Время замедления нейтрона даже в тяжёлом замедлителе, свинце, от энергии 1 МэВ до 1 эВ равно∼4.10-4 сек.
Возраст нейтроновτ = /6 где среднеквадратичное расстояние, на которое нейтрон уходит от источника в процессе замедления в интервале энергий от 1 МэВ до 1 эВ.43 Диффузия нейтронов Длина диффузии L, определяется соотношениемL2 = /6 где — среднеквадратичное расстояние, на которое уходит тепловой нейтрон в веществе от места рождения до поглощения.
Длина диффузии имеет примерно тот же порядок, что и длина замедленияτ1/2 .
Обе величины определяют расстояние от источника.
Замедлителиτ (см2) L(см)H2 O (вода) 312.72D2 O (тяжёлая вода) 125159 Be (бериллий)8621 C (графит)31358 Величиныτ и L для наиболее употребительных замедлителей: Из этой таблицы видно, что у обычной водыτ1/2 > L, что указывает на сильное поглощение.
У тяжёлой воды, наоборот,τ1/2 >> L.
Поэтому она является лучшим замедлителем.
Дополнительной характеристикой диффузии является среднее времяτд жизни диффундирующего нейтрона.44 Альбедо нейтронов Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения с ядрами (диффузное отражение) и после ряда столкновений может вылететь обратно.
Вероятность такого вылета носит название альбедо нейтронов для данной среды.
Очевидно, что альбедо тем выше, чем больше сечение рассеяния и чем меньше сечение поглощения нейтронов ядрами среды.
Хорошие отражатели отражают до 90% попадающих в них нейтронов, т.е.
имеют альбедо до 0.9.
В частности, для обычной воды альбедо равно 0.8.45 Нейтроны в реакторе Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения1 Мгновенные нейтроны сопровождают процесс деления ядер топлива2 Запаздывающие нейтроны испускаются возбужденными ядрами осколков деления3 Нейтроны активации испускаются при радиоактивном распаде продуктов некоторых ядерных реакций4 Фотонейтроны образуются в результате (α , n)-реакций на некоторых ядрах46 Тип реакцииСечение ядерных реакций под действием нейтронов Радиационный захват (n,) Идёт на всех ядрах.
Сечение: для тепловых нейтронов варьируется в широком интервале от 0,1 до 103 и даже >104 барн ( ) для быстрых нейтронов – от 0.1 до нескольких барн.
Упругое и неупругое рассеяние (n,n) Сечение варьируется в интервале нескольких барн.
(n,p) Наиболее важные реакции: тепл.
нейтр = 5400 барн, тепл.
нейтр.=1.75 барн.(n,α ) Наиболее важные реакции: тепл.нейтр.=945 барн, тепл.
нейтр.=3840 барн (n,2n) Пороговая реакция.
Порог ~10 - 15 МэВ.
Сечение: несколько десятых барн.
(n,f) В большинстве случаев пороговая реакция.
Сечение очень мало, исключая , и др.47 Ядерный реактор – источник ионизирующего излучения48 Энергия нейтронов, вызывающих деление ядер В зависимости от кинетической энергии нейтрона и типа ядра при их столкновении может быть получен любой из указанных выше процессов.
В ядерных реакторах наиболее важное значение имеют реакции ядер с нейтронами, обладающими кинетической энергией менее 2 — 3 МэВ.
Для проектирования радиационной защиты в первую очередь необходимо знать энергию нейтронов, вызывающих деление ядер.
Эта энергия обычно не более 0,2 эВ в реакторах на тепловых нейтронах ;
составляет 0,2 эВ÷100 кэВ в реакторах на промежуточных нейтронах и превышает 100 кэВ в реакторах на быстрых нейтронах.
По составу ядерного топлива классифицируются урановые, плутониевые и ториевые реакторы.
Топливо может находиться в твердой, жидкой или газообразной фазе.
В зависимости от размещения топлива в замедлителе определяются гомогенные и гетерогенные реакторы.49 Зависимость сечения поглощения (σα ) от энергии нейтронов Зависимость полного микроскопического сечения235 U от энергии нейтрона.50 Энергия нейтронов, вызывающих деление ядер Таблица 8.1.
Осредненные плотности нейтронных потоков и плотности потоков энергии фотонов в реакторах разных типов.
Тип реактора Плотность нейтронного потока, 1/(см2⋅с) Плотность потока энергии фотонов, МэВ/(см2⋅с) На тепловых нейтронах (2-5)*1013 ;
до 95% нейтронного потока составляют медленные и тепловые нейтроны (2÷5)·1013 На промежуточных нейтронах (1-2)*1013 ;
в спектре примерно 50% быстрых и 50% промежуточных нейтронов≈1014 На быстрых нейтронах около 1014 ;
максимум в спектре нейтронов, падающих на защиту, соответствует энергии нейтронов 50÷ 100 кэВ≈101351 Влияние видов излучения ядерного реактора Особенностями различных видов излучения ядерного реактора с точки зрения влияния на характеристики защиты являются:- радиационное охрупчивание корпуса (конструкций) реактора и защиты быстрыми нейтронами, а также определяющий вклад быстрых нейтронов в характеристики пространственного распределения тепловых и медленных нейтронов при использовании водородсодержащих материалов;
- определяющий вклад промежуточных нейтронов в мощность эквивалентной дозы за «безводородной» защитой;- активация конструкций реактора тепловыми нейтронами;
формирование ими источников захватногоγ - излучения;
- определяющая роль мгновенного и запаздывающегоγ - излучений с энергией, меньшей приблизительно 3 МэВ, в тепловыделение во внутренних слоях защиты;
- определяющая роль высокоэнергетической части захватногоγ- излучения в мощность эквивалентной дозы за защитой.52γ -кванты в работающем реакторе1 Мгновенноеγ- излучение деления Сопровождает процесс деления за время, меньшее 1 мксек.
• полная энергия мгновенногоγ -излучения деления235 U равна 7,5 МэВ,
• средняя энергияγ -квантов - 0,9 МэВ,
• среднее числоγ -квантов - 8,3 шт на один акт деления.2γ -излучение короткоживущих продуктов деления Большая частьγ -излучения испускается из продуктов деления в первые 10 минут после деления.
Энергетический спектрγ -излучения от короткоживущих источников подобен спектру мгновенногоγ -излучения.3γ -излучение долгоживущих продуктов деления Испускается при радиоактивном распаде за время.
большее чем 10 минут после процесса деления, и состоит главным образом изγ -квантов с малой энергией.
Из них около 88% имеют энергию меньше 1,8 МэВ;
максимальная энергия - 2,8 МэВ.53γ -кванты в работающем реакторе4 Захватноеγ- излучениеγ -излучение, сопровождающее радиационный захват нейтрона {реакции вида (n,γ )}.
Полная энергия, испускаемая в видеγ -квантов при радиационном захвате нейтрона, складывается из энергии связи нейтрона и некоторой доли кинетической энергии нейтрона, захваченного ядром.5γ -излучение при неупругом рассеянии нейтронов Испускается в процессе прохождения быстрых нейтронов через вещество.
В процессе неупругого рассеяния нейтрон передает часть своей энергии ядру и переводит его в возбужденное состояние.
В течение очень короткого времени (~10-14 сек) ядро теряет свою энергию возбуждения путем испускания одного или несколькихγ -квантов.
Если энергия нейтрона больше энергии нескольких возбужденных уровней, переход в основное состояние часто происходит путем каскадного процесса.
При этом энергия одногоγ -кванта не равна энергии, потерянной нейтроном.54γ -кванты в работающем реакторе6γ -излучение продуктов реакций Сопровождает испускание заряженных частиц ядрами, поглотившими нейтроны.
В качестве примера может служить реакция (n, a) на10В, содержащемся в естественном боре в количестве 19,8% и широко применяемом в качестве поглотителя нейтронов при регулировании реакторов ВВЭР.7γ -излучение продуктов активации Испускается из продуктов радиоа