Захват нейтронов

Детектирование нейтронов

Вследствие того, что нейтрон не имеет электрического заряда, его нельзя отклонить электрическим или магнитным полем и он не создает при пролете в веществе вокруг себя никакой ионизации. Нейтроны не возбуждают флуоресценции, не могут быть зарегистри­рованы в камере Вильсона, не оставляют треков в фотографической эмульсии, не приводят к срабатыванию счетчика Гейгера. По этой причине для детектирования нейтронов пришлось разработать спе­циальные приемы.

Один из способов, применяемый для детектирования нейтронов, заключается в детектировании ионизации от заряженных частиц, ко­торые получаются в ядерных реакциях, вызываемых нейтронами. Ионизационную камеру можно сделать чувствительной к нейтронам, если ее наполнить трифторидом бора. Налетающие на ядра бора нейтроны приводят к образованию a-частиц в ядерной реакции

₀n¹ + ₅В¹⁰ = ₃Li⁷ + ₂He⁴

Образующиеся a-частицы легко детектируются ионизационной ка­мерой, и так косвенным образом можно судить о наличии в камере нейтронов.

Нейтроны не имеют электрического заряда, и поэтому блуждаю­щий нейтрон может подлететь на близкое расстояние к такой легкой заряженной частице, как протон, и столкнуться с ней, например, в упругом «лобовом» ударе. Протон практически имеет в точности такую же массу, как нейтрон, и поэтому после «лобового» столкнове­ния нейтрон остановится и передаст всю свою кинетическую энергию протону, который начнет двигаться в том же направлении с энергией, равной энергии нейтрона. Такой протон может вызвать затем иони­зацию в ионизационной камере, обнаруживая тем самым наличие нейтронов в ней.

Медленные нейтроны хорошо взаимодействуют с ядрами и по­глощаются ими в реакциях нейтронного ядерного радиационного захвата. Как об этом говорит само название, захват нейтрона ядром сопровождается испусканием g-лучей. Рассмотрим, например, ядер­ную реакцию

₀n¹ + ₁₃Al²⁷® ₁₃Al²⁸ + g. (9)

(С помощью этой реакции можно детектировать наличие нейтронов.) Нейтроны с энергией около 1 МэВ, как правило, взаимодействуют с ядрами, рассеиваясь на них. При рассеянии нейтрон теряет часть своей энергии, передавая ее ядру (даже при упругом столкновении). Нейтрон должен испытать очень много актов рассеяния, прежде чем его энергия не уменьшится до энергии порядка kT, где k — постоян­ная Больцмана (k = 1,38* 10^{- 23} Дж/К), Т — абсолютная температура.

Нейтроны с энергией порядка kТ называют теплвыми нейтронами. При

комнатной температуре порядка 27°С (300 К) энергия теплового нейтрона равна:

kT =1,38 10^-23 Дж/К * 300 К = 4,14 10^-21 Дж = 0,026 эВ.

Характерный тип зависимости эффективного сечения s(n,g ) радиационного захвата нейтронов ядрами Ag от энергии нейтрона показан на рисунке 3;

Рис. 3.

Из рис. видно, что эф­фективное сечение плав­но убывает с возрастанием скорости нейтрона или с ростом его энергии, пока не достигается область так называемого резонансного поглощения. Эффективное сече­ние s(n,g ) характеризует вероятность захвата нейтрона ядром. Оно дается формулой, отражающей т.н. закон обратных скоростей,

s(n,g ) = а / v (10)

где а — некоторая постоянная, v — скорость нейтрона. Указанную зависимость лег­ко понять, так как вероятность взаимодействия нейтронам атомным ядром прямо пропорциональна времени, которое нейтрон проводит в окрестности ядра. Последнее обратно пропорционально скорости нейтрона. При малых энергиях, как видно из рисунка 3, закон хорошо выполняется. Но при энергиях, больших 1 эВ, появляются «пики» при так называемых «резонансных» энергиях, которые отве­чают энергетическим уровням ядра. Эффективные сечения захвата нейтронов ядрами других химических элементов тоже имеют подоб­ные резонансы. Вследствие большого значения эффективного сечения захвата нейтронов ядрами Cd¹¹³ в атомных реакторах для поглоще­ния избыточных нейтронов и регулирования их потоков используют кадмиевые стержни.

Более детальная информация об особенностях реакций нейтронов будет рассмотрена в других курсах.