Нейтронное излучение

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 (${\displaystyle E,E+dE}$), движущихся в заданном направлении в элементе телесного угла ${\displaystyle d\Omega }$, которые пересекают за 1 с поверхность площадью 1 см² , перпендикулярную заданному направлению. Размерность дифференциального потока: см^-2 ${\displaystyle \cdot }$с^-1 ${\displaystyle \cdot }$стер^-1 ${\displaystyle \cdot }$эВ^-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 ${\displaystyle d\Omega }$. Размерность векторного потока: см^-2 ${\displaystyle \cdot }$с^-1 ${\displaystyle \cdot }$стер^-1 .

Полный интегральный поток ${\displaystyle {\text{Ф}}_{n}}$ (плотность потока) – основная величина, используемая при описании нейтронных полей. Его ещё называют скалярным (в 4${\displaystyle \pi }$) 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 ${\displaystyle {\text{Ф}}_{n}/2}$ [направленный или векторный (в 2${\displaystyle \pi }$) поток]. Размерность полного интегрального потока: см^-2 с^-1 .

Ещё одна часто используемая характеристика нейтронного поля – флюенс нейтронов ${\displaystyle {\text{Ф}}_{\text{v}}}$, определяемый как отношение числа нейтронов ${\displaystyle dN_{n}}$, проникших в объём элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения этой сферы ${\displaystyle dS}$:

${\displaystyle {\text{Ф}}_{\text{v}}=\displaystyle {\frac {dN_{n}}{dS}}[{\text{см}}^{-2}]}$.

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).

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.

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.