Нейтронное излучение
Нейтро́нное излуче́ние, поток свободных нейтронов, высвобождаемых из атомных ядер в результате ядерных реакций. Нейтрон – электрически нейтральная частица, вместе с протоном входит в состав атомного ядра. В свободном состоянии нейтрон нестабилен с временем жизни около 886 с.
В природе свободные нейтроны образуются в ядерных реакциях, вызываемых альфа-частицами радиоактивного распада, космическими лучами и в результате спонтанного или вынужденного деления тяжёлых ядер. Искусственными источниками нейтронного излучения могут быть радиоизотопные источники, ядерные реакторы, ускорители электронов и протонов с мишенями, термоядерные установки, взрывы ядерных и водородных бомб.
Основные характеристики
Нейтронное излучение описывается параметрами нейтронного поля. Под нейтронным полем понимают совокупность находящихся в пространстве свободных нейтронов с определённым распределением по энергии. Нейтронные поля в пучках и в условиях переноса обычно характеризуют потоком нейтронов. Различают дифференциальный, векторный и полный потоки. Дифференциальный поток можно определить как число нейтронов в точке пространства с энергией в интервале (), движущихся в заданном направлении в элементе телесного угла , которые пересекают за 1 с поверхность площадью 1 см2, перпендикулярную заданному направлению. Размерность дифференциального потока: см-2с-1стер-1эВ-1.
Векторный поток нейтронов – число нейтронов в точке пространства в единице телесного угла, которые пересекают за 1 с поверхность площадью 1 см2, перпендикулярную заданному направлению в телесном угле . Размерность векторного потока: см-2с-1стер-1.
Полный интегральный поток (плотность потока) – основная величина, используемая при описании нейтронных полей. Его ещё называют скалярным (в 4) потоком. В изотропном нейтронном поле все направления движения равновероятны, поэтому число нейтронов, пересекающих за 1 с произвольно ориентированную около точки с радиус-вектором r площадку в 1 см2 равно [направленный или векторный (в 2) поток]. Размерность полного интегрального потока: см-2 с-1.
Ещё одна часто используемая характеристика нейтронного поля – флюенс нейтронов , определяемый как отношение числа нейтронов , проникших в объём элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения этой сферы :
Методы регистрации
Все методы регистрации нейтронного излучения основаны на превращении энергии нейтронов в энергию заряженных частиц или гамма-квантов с последующей регистрацией этих продуктов обычными методами регистрации ионизирующих излучений. К основным методам относятся следующие:
метод ядер отдачи при упругом рассеянии нейтронов;
метод ядерных расщеплений (наблюдение продуктов ядерных реакций);
метод радиоактивных индикаторов (исследование радиоактивности, наведённой нейтронами в ядрах-индикаторах).
Распространение в веществе и защита
Из-за отсутствия заряда у нейтрона нейтронное излучение слабо взаимодействует с веществом и поэтому имеет большую проникающую способность, которая зависит от энергии нейтронов и состава среды, в которой они распространяются. Нейтроны, в зависимости от характера их взаимодействия с веществом, разделяются на несколько энергетических групп: быстрые (108–105 эВ), промежуточные (105–10-1 эВ), тепловые (10-1–10-3 эВ) и холодные (< 10-3 эВ). В спектре любого источника нейтронного излучения присутствуют нейтроны всех энергий. На живые организмы губительнее всего воздействуют быстрые нейтроны. Медленные нейтроны с энергией < 1 эВ приводят к образованию наведённой радиоактивности, которая может привести к лучевой болезни.
Быстрые нейтроны плохо поглощаются любыми ядрами, поэтому для защиты от нейтронного излучения перед поглотителем устанавливают замедлители – устройства для уменьшения энергии быстрых нейтронов. Лучше всего замедляют нейтроны водородсодержащие соединения, такие как вода, парафин, полиэтилен. Используют также бериллий и графит. В качестве поглотителей применяют бор и кадмий. Захват нейтронов ядрами поглотителя приводит к излучению гамма-квантов, для захвата которых используют тяжёлые металлы, такие как стали и свинец. На практике применяют многослойные экраны из различных материалов, например полиэтилен – свинец или водные растворы гидроксидов тяжёлых металлов.
Вопросы защиты от облучения персонала исследовательских ядерных установок и атомных электростанций занимают центральное место при организации работ на таких объектах. Вокруг источника нейтронного излучения и всей инженерной инфраструктуры создаётся биологическая защита, обеспечивающая снижение рисков облучения до минимальных в соответствии с правилами радиационной защиты.
Практическое применение
Главное практическое применение нейтронного излучения находится в области научных исследований строения и свойств вещества в различных его состояниях (см. Нейтронная физика). Нейтронное излучение широко используется в нейтронно-активационном элементном анализе, радиационном материаловедении, нейтронной радиографии и радиобиологии, в геологических изысканиях методом нейтронного каротажа, в таможенном контроле радиоактивных материалов и наркотиков. В медицине нейтронное излучение используется для лечения онкологических заболеваний методом нейтрон-захватной терапии.