1.1 Источники нейтронов

Свободные нейтроны могут быть получены из ядер любых атомов, если ядрам каким-либо способом сообщить энергию, превышающую энергию связи нейтрона.

Источники нейтронов можно разделить на четыре группы.

1. Изотопные источники. Естественное или искусственное радиоактивное вещество, испускающее α- частицы (Ra, Ро, Rn) или γ- излучение (²⁸А1,¹¹⁶1п, ¹²⁴Sb, ²⁴Na и др.), смешивается с каким–либо веществом (⁷Li, ⁹Ве, ¹¹В и др.), из которого под действием указанного излучения выбиваются нейтроны.

2. Циклотроны, фазатроны и другие ускорители, в которых нейтроны возникают при бомбардировке мишени ионами Н, D, Не и т.п.

3. Реакторы, в которых нейтроны образуются в результате цепной реакции деления ядер урана.

4. Генераторы нейтронов [1].

1.2 Источники γ- излучения

Существуют следующие основные источники γ- излучения:

1) изотопные;

2) ускорители заряженных частиц;

3) ядерные реакторы.

В качестве изотопных γ- источников могут быть использованы ⁶⁰Со, ¹³⁷Cs, ⁹⁵Nb, ⁹⁵Zr, ⁵⁶Мп и др.

Мощным источником γ- излучения является ядерный реактор.

В работающем ядерном реакторе основными источниками у - излучения являются: мгновенное γ- излучение, возникающее при делении ядра ²³⁵U; γ-излучение продуктов деления; захватное γ- излучение в результате (п,γ)-реакции, возникающее при захвате тепловых и надтепловых нейтронов ядрами топлива, теплоносителя, замедлителя и конструкционными материалами реактора. Второстепенное значение при работающем ядерном реакторе имеют γ-излучение при неупругом рассеянии нейтронов (п,пγ)- реакции; тормозное γ- излучение, возникающее при поглощении γ- излучения продуктов деления материалами активной зоны; γ- излучение продуктов активации (поглощение нейтронов стабильными ядрами материалов активной зоны и теплоносителя); γ- излучение, сопровождающее (п,р)-, (п,α)- реакции; γ- излучение при аннигиляции позитронов. В остановившемся ядерном реакторе основными источниками γ- излучения являются: γ- излучение долгоживущих продуктов деления и активационное γ - излучение [1].

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

2.1 Особенности взаимодействия излучения с веществом

Излучение, проходя через вещество, взаимодействует с атомами (молекулами), ядрами и электронами. Взаимодействие того или иного вида излучения с веществом имеет свои особенности, как по физическим процессам, так и по вероятности их протекания. Оно зависит от заряда, массы и энергии частиц, а также от свойств самого вещества.

Большинство заряженных частиц и γ- квантов взаимодействует с атомными электронами. Заметное взаимодействие этих частиц с ядрами наблюдается только при высоких энергиях. Нейтроны наоборот, взаимодействуют главным образом с ядрами, в то время как столкновение их с электронами – крайне редкое явление.

Эти особенности взаимодействия излучения с веществом вытекают из строения атома. Ядро в атоме занимает часть объема. Следовательно вещество представляет собой редкую решетку, в узлах которой расположены ядра, а в пространстве между ядрами движутся атомные электроны. Электрическое поле атомных электронов экранирует электрическое поле ядра. По этой причине большинство заряженных частиц иγ- квантов взаимодействует с электрическим полем электронов. Заряженные частицы взаимодействуют с электрическим полем ядра только тогда, когда они движутся около ядра. Однако вероятность такого события мала.

Нейтроны как нейтральные частицы взаимодействуют с ядрами и электронами только при «непосредственных» столкновениях. Так как объем атомных электронов во много раз меньше объема ядра, то вероятность столкновения нейтрона с ядром значительно больше, чем с электронами. По этой причине они взаимодействуют в основном с ядрами [3].

2. Взаимодействие γ- излучения с веществом

γ-Излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при переходе ядра из возбужденного состояния в основное или в состояние с меньшей энергией.

γ- Излучение относится к сильнопроникающему излучению в веществе. Проходя сквозь вещество, γ- кванты взаимодействуют с атомами, электронами и ядрами, в результате чего интенсивность их снижается.

Основными физическими процессами, вызывающими ослабление интенсивности γ- излучения при взаимодействии с веществом являются:

1. фотоэлектрическое поглощение. Если энергия падающего γ- излучения невелика, но достаточна для преодоления энергии связи электрона в атоме, электрон покидает наружные энергетические уровни атома и вылетает за его пределы с энергией, отличающейся от энергии падающего у- излучения на значение энергии связи. Такие электроны обычно называют фотоэлектронами. С увеличением энергии падающего γ- излучения взаимодействие с электронами происходит на внутренних энергетических уровнях К, L, М атомов. В результате на этих уровнях энергии образуются свободные места - вакансии, которые заполняются электронами внешних уровней атома. Освобождающаяся при таких переходах электронов энергия или излучается в виде характеристического излучения, или передается одному из внешних электронов, который покидает атом. Такой электрон называется электроном Оже. Испускание характеристического излучения или электронов Оже – это вторичные эффекты, которые являются конкурирующими процессами, обусловленными образованием вакансий в электронных оболочках атома. Эти процессы возможны не только при фотоэффекте, но и при захвате электрона ядром и в процессах внутренней конверсии;

2) когерентное рассеяние связанными электронами (Томпсоновское рассеяние). По когерентной теории рассеяния первичные фотоны вызывают вынужденные колебания слабо связанных электронов атомов поглощающей среды, которые при этом сами излучают фотоны (вторичные рассеянные фотоны) той же длины, что и падающее излучение. Таким образом, при прохождении через среду длинноволнового γ- излучения (с длиной волны более 0,03 нм) возникает рассеянное γ- излучение без изменения длины волны, изменяется лишь направление движения фотона;

3) некогерентное рассеяние на свободном и покоящемся электроне (Комптоновское рассеяние) - процесс, при котором фотон рассеивается атомным электроном с передачей части энергии электрону, который вырывается из атома. Это рассеяние происходит в области энергий примерно от 200 кэВ и до 5 МэВ;

4) образование пар – процесс, приводящий к поглощению γ- излучения и образованию пары электрон–позитрон. Образовавшиеся пары производят ионизацию среды, часть их энергии тратится на образование тормозного излучения. Замедлившись, позитрон аннигилирует с электроном с образованием γ- излучения. Процесс происходит в области более высоких энергий порядка 1-10 МэВ;

5) к основным процессам взаимодействия γ- квантов с веществом необходимо отнести также одну из разновидностей фотоядерной реакции – образование фотонейтронов, т.е. выбивание нейтронов из ядра под действием γ- квантов высокой энергии. Однако сечение этого процесса слишком мало, чтобы это явление могло заметно повлиять на ослабление γ- излучения.

Ослабление интенсивности γ- излучения характеризуется линейным коэффициентом ослабления µ, см^-1 или массовым коэффициентом ослабления (– плотность поглотителя, г/см³) Этот коэффициент зависит от плотности и порядкового номера вещества, а также от энергии γ- квантов:

Коэффициент ослабления характеризует вероятность взаимодействия с веществом, приводящего как к поглощению, так и к рассеянию γ- квантов [1],[2].