Взаимодействие нейтронов с веществом.
Не обладая электрическим зарядом, нейтроны не испытывают действия зарядов электронов и ядер, поэтому характеризуются большой проникающей способностью. Взаимодействуют, в основном с ядрами атомов. В ядерной геофизике используются, в подавляющем большинстве, тепловые и надтепловые нейтроны с энергией до 100 эв. Для таких нейтронов характерны реакции: поглощения (радиационный захват нейтронов) и рассеяния (упругое и неупругое).
Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шаров: сумма энергий до и после рассеяния остается постоянной. Сечение упругого рассеяния σр для большинства ядер в области энергий до 100 эв остается постоянной. Исключением является водород, имеющий наибольшее σр среди основных породообразующих элементов.
n - нейтрон до взаимодействия; M – ядро-мишень до взаимодействия; n’- положение нейтрона после взаимодействия; M’- положение ядра-мишени после взаимодействия; Ψ – угол рассеяния нейтрона. Часть энергии нейтрона при соударении расходуется на создание импульса отдачи ядра-мишени.
Потеря энергии нейтрона при упругом рассеянии зависит от массы ядра-мишени М и угла рассеяния нейтрона. Энергия нейтрона до Е0 и после соударения Е с покоящимся ядром:
Минимальное значение энергии при лобовом соударении (ψ = π) равно:
где
Отсюда следует, что наибольшая потеря энергии нейтрона наблюдается при соударении с ядром-мишенью с М=1, т.е. с ядром водорода. При лобовом соударении с водородом возможна полная потеря энергии нейтрона. Для сравнения: потеря энергии нейтрона при соударении с ядром кислорода составляет 11%; при соударении с ядром кремния – 6%. Благодаря высокому сечению рассеяния и большой потере энергии нейтрона, водород является аномальным замедлителем нейтронов.
В теории чаще употребляется среднелогарифмическая потеря энергии на одно соударение, так называемый параметр замедления
Неупругое рассеяние нейтронов. При этом взаимодействии кинетическая энергия нейтрона расходуется не только на создание отдачи ядра-мишени, но и на повышение его внутренней энергии, т.е. на возбуждение ядра. Энергия возбуждения в последующем высвобождается в виде γ-кванта. Спектр излучения γ-квантов для каждого элемента характерен, т.е. строго определен по энергиям γ-квантов. Неупругое рассеяние – поровая реакция, энергия порога Епор уменьшается с ростом массы ядра - от нескольких тысяч Кэв для легких ядер до 100 Кэв для тяжелых. Поэтому неупругое рассеяние происходит только с быстрыми нейтронами и преимущественно на тяжелых ядрах. Сечение неупругого рассеяния становится больше 0 при достижении нейтроном энергии выше Епор, при энергии 10-15 Мэв достигает максимального значения.
Поглощение нейтронов. Для ядерной геофизики, из всех реакций поглощения нейтрона веществом, наиболее важны: реакция радиационного захвата нейтрона ядром (n, γ); а также реакция (n, α) на изотопах 10B и 6Li. Эти реакции идут при любых энергиях нейтронов, но максимум сечения приходится на область низких энергий. Сечение реакции захвата в тепловой области убывает обратно пропорционально энергии нейтрона, для тяжелых элементов (Z > 45) в области промежуточных энергий существуют интервалы резкого роста сечения поглощения – резонансные интервалы. Остальные реакции поглощения, т.е. реакции типа (n, p) и (n, α) для большинства элементов, являются реакциями пороговыми и начинаются при энергии нейтронов более 2 – 5 Мэв. В результате поглощения нейтрона ядром, образуются изотопы, отличные от ядра-мишени, большинство из них являются радиоактивными. Спектр γ-излучения радиационного захвата нейтронов, т.е. число квантов, образующихся по реакции (n, γ) при поглощении 100 нейтронов, различен для разных элементов. Это различие может быть использовано для определения элементного состава породы. Необходимо отметить, что энергия γ-квантов, образующихся в результате радиационного захвата нейтронов, достаточно большая – до 8 Мэв, что облегчает регистрацию их в полевых и скважинных условиях.
Полное сечение и пробеги нейтронов в веществе. Нейтроны, испускаемые источником и попавшие в горную породу, относительно быстро (за 10-4 ÷ 10-5 сек) замедляются в результате упругих и, частично, неупругих соударений. Большая часть нейтронов избегает поглощения в области высоких энергий, и захватывается ядрами по реакции радиационного захвата (n, γ), уже имея очень малую энергию (0.025эв). Распределение нейтронов в среде определяется нейтронными свойствами среды, главным образом массой ядер и сечением различных процессов. Полное сечение равно сумме сечений элементарных процессов: σt = σрз + σур + σнр ≈ σрз + σур, где индексы означают: t – суммарное сечение, ур – упругое рассеяние, нур – неупругое рассеяние, рз – радиационный захват. С целью уменьшения числа величин, характеризующих распределение нейтронов, вводится относительно небольшое число параметров, называемых нейтронными параметрами среды.
Макроскопическое сечение ∑ равно произведению микроскопического сечения процесса σ на плотность ядер (атомов) среды ma : ∑ = σma = σρNA / A, где NA –число Авогадро, ρ –плотность среды, А – атомный вес.
Замедляющая способность среды, равная произведению макроскопического сечения рассеяния ∑Р на параметр замедления ξ. Чем больше замедляющая способность среды ξ∑Р, тем быстрее происходит замедление нейтронов.
Длина замедления нейтронов , где r2 – среднее значение квадрата расстояния между источником быстрых нейтронов и точкой замедления до тепловой энергии.
Среднее время жизни тепловых нейтронов в среде τ = λз/v =1/v∑з , где ∑з – макросечение поглощения тепловых нейтронов, λз =1/∑з – путь нейтрона от точки замедления до точки поглощения (Lрз = 1/∑з), v – кинетическая скорость теплового нейтрона, равная 2200 м/с .
Полный пробег нейтрона в среде будет рассчитываться по формуле:
.
Дата добавления: 2015-12-22; просмотров: 1893;