Глава 11. Природа нейтронного излучения

343

Для наиболее точных измерений значения выходов нейтронов (α,n)-реакции из табл. 11.5 имеют погрешность от 5 до 10 %. Выходы нейтронов (α,n)-реакции на кислороде из табл. 11.3 имеют погрешность, не превышающую 10 %. Таким образом, даже при безупречном смешивании расчеты выхода нейтронов имеют погрешность, в лучшем случае, 10 %. Для влажных соединений, жидкостей или газов приведенные здесь оценки неправомерны.

Энергия нейтрона, испущенного при реакции (α,n), зависит от энергии, которую альфа-частица имеет в момент реакции, и от значения энергии реакции Q. Средняя энергия нейтронов толстой мишени приведена в табл. 11.5. Максимальная энергия нейтронов представлена в последнем столбце табл. 11.4. Нейтронные спектры некоторых источников показаны на рис. 11.4 и 11.5.

Еще одной важной характеристикой реакций (α,n) является то, что в каждой реакции излучается только один нейтрон. Эти события характеризуют нейтронный источник, который случаен во времени и имеет множественность, равную 1. Эта характеристика используется счетчиками нейтронных совпадений (главы 16, 17) для достижения избирательности между нейтронами спонтанного деления и нейтронами (α,n)-реакций.

Обратите внимание на то, что как реакции (α,n), так и реакции (α,p), могут оставить ядро в возбужденном состоянии; оно распадается, переходя в основное состояние и испуская один или более гамма-квантов. Наприм ер:

19	F(α,n)	22	*	γ	22	β+	22	*	γ (1275êýÂ)	22	Ne ,
			Na	→		Na →		Ne	→
						2,6 ãîäà

19 F(α,p)22 Ne* γ→22 Ne* γ (1275êýÂ)→22 Ne .

Здесь звездочкой обозначено ядро в возбужденном состоянии. Поскольку многие гамма-кванты этих реакций обладают высокой энергией и часто испускаются почти одновременно с нейтроном, они влияют на сигналы счетчиков полного потока нейтронов или нейтронных совпадений, в которые входят детекторы, чувствительные к гамма-излучению.

11.5 НЕЙТРОНЫ ДРУГИХ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

Спонтанное деление, вынужденное деление и реакции (α,n) являются первичными источниками нейтронов, наблюдаемых при пассивных измерениях. Однако другие реакции, например, такие как (γ,n), (n,n′) и (n,2n), могут иметь место в образце или детекторной сборке и влиять на наблюдаемую скорость счета. В данном разделе вкратце описаны эти реакции. Примеры таких реакций даны в табл. 11.6. Такие реакции более важны для активных измерений неразрушающего анализа; подробную информацию об этом можно найти в [21].

344	Н. Энсслин

Таблица 11.6 — Другие ядерные реакции, которые могут влиять на пассивный счет нейтронов

Источник	Пороговая	Материал	Реакция	Испускаемое	Выделяемая
излучения	энергия,	мишени		излучение	энергия [28]
	ÌýÂ [28]
Гамма-квант	1,665	Бериллий	(γ,n)	Нейтрон	8(Eγ−1,665)/9 ÌýÂ
Гамма-квант	2,224	Дейтерий	(γ,n)	Нейтрон	(Eγ−2,224)/2 ÌýÂ
Нейтрон	0	Водород	(n,γ)	Гамма-квант	2,224 ÌýÂ
Протон	1,880	Литий-7	(p,n)	Нейтрон	≥30 êýÂ
Протон	1,019	Тритий	(p,n)	Нейтрон	≥0 êýÂ
Нейтрон	0,1-1,0	Свинец	(n,n′)	Нейтрон
Нейтрон	0,1-1,0	Вольфрам	(n,n′)	Нейтрон
Нейтрон	0,1-1,0	Óðàí	(n,n′)	Нейтрон
Нейтрон	1,851	Бериллий	(n,2n)	Нейтроны
Нейтрон	3,338	Дейтерий	(n,2n)	Нейтроны
Нейтрон	5,340	Вольфрам	(n,2n)	Нейтроны

Реакция (γ,n) может образовать нейтроны в любом элементе, если энергия гамма-излучения достаточно высока. Обычно минимальная пороговая энергия (~8 МэВ) гораздо больше, чем энергия гамма-квантов, излучаемых радиоактивными нуклидами. Однако пороговые энергии реакции (γ,n) для бериллия (1,66 МэВ) и дейтерия (2,22 МэВ) аномально низкие. Таким образом, можно создать фотонейтронный источник, окружая относительно интенсивные, долгоживущие гамма-источники большой энергии, такие как 124Sb èëè 226Ra, оболочкой из бериллия или D2O. Подробный список фотонейтронных источников приведен в табл. 4.3 работы [21]. При использовании пассивного анализа необходимо помнить, что мгновенные гамма-кванты деления или гамма-кванты некоторых реакций (α,n) могут образовывать дополнительные нейтроны, если конструкция детектора содержит бериллий или дейтерий. Или, наоборот, нейтроны могут захватываться в водороде, образуя дейтерий и гамма-кванты с энергией 2,22 МэВ. Эти случаи включены в табл. 11.6.

Неупругое рассеяние нейтронов (n,n′) может иметь место на тяжелых ядрах при энергии нейтронов приблизительно от 0,1 до 1,0 МэВ или больше. Эта реакция возможна, если ядро мишени имеет уровни энергии достаточно низкие для того, чтобы возбудиться нейтроном. Вероятность такой реакции невысока, и число присутствующих нейтронов не меняется. Тем не менее средняя энергия нейт-

Глава 11. Природа нейтронного излучения

345

ронов в материале будет уменьшаться быстрее, чем можно было бы ожидать только при упругом рассеянии.

Реакция (n,2n) может увеличить число присутствующих нейтронов, но пороговая энергия в большинстве элементов находится в области 10 МэВ. Для дейтерия, бериллия и вольфрама пороги ниже, однако число дополнительно образовавшихся нейтронов скорее всего будет невелико. Вероятность реакций (n,2n) следует принимать во внимание только в том случае, если известно, что нейтроны обладают высокой энергией при наличии дейтерия, бериллия или вольфрама и если измеряемые скорости счета совпадений очень низкие. В таких случаях наблюдаемый отклик может усиливаться.

11.6ИЗОТОПНЫЕ НЕЙТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ

Âлабораторной практике используют компактные переносные нейтронные источники с целью проверки работы приборов, предназначенных для анализа, или с целью облучения образцов для получения других наведенных сигналов. Для целей учета или безопасности важно иметь источники, не содержащие плутоний или уран, или содержащие их в малом количестве. Такие источники могут быть изготовлены с использованием других изотопов, излучающих нейтроны в результате

спонтанного деления или реакции (α,n) между мощными альфа-излучающими изотопами и веществами, состоящими из элементов с низким атомным номером.

Таблица 11.7 — Характеристики 252Cf

Полный период полураспада	2,646 ãîäà
Период полураспада для альфа-распада	2,731 ãîäà
Период полураспада для спонтанного деления	85,5	ãîäà
Выход нейтронов	2,34	1012 нейтр./с г
Выход гамма-квантов	1,3 1013 γ/ñ ã
Выход альфа-частиц	1,9 1013 α/ñ ã
Средняя энергия нейтронов	2,14	ÌýÂ
Средняя энергия гамма-квантов	1 ÌýÂ
Средняя энергия альфа-частиц	6,11	ÌýÂ
Нейтронная активность	4,4 109 нейтр./с Ки
Мощность дозы нейтронного излучения	2300 бэр/ч г на расстоянии 1 м
Мощность дозы гамма-излучения	140 бэр/ч г на расстоянии 1 м
Конверсия	558 Êè/ã
Удельная тепловая мощность	38,5	Âò/ã
Средняя множественность нейтронов спонтанного	3,757
деления
Средняя множественность гамма-квантов	8
спонтанного деления

346	Н. Энсслин

Калифорний-252 является наиболее широко используемым источником нейтронов спонтанного деления; он может иметь очень маленькие размеры и все же быть мощным источником в течение длительного периода времени. В табл. 11.7 приведены некоторые свойства 252Cf; спектры испускаемых им мгновенных нейтронов и гамма-квантов показаны на рис. 11.2 и 11.3. В некоторых практических случаях важно помнить, что нейтроны 252Cf испускаются со средней множественностью, равной 3,757. Поэтому они сильно коррелированы во времени и будут генерировать события совпадений.

Источники, излучающие случайные, некоррелированные нейтроны, могут быть изготовлены путем смешивания таких альфа-излучателей, как 238Pu èëè 241Am, с бериллием, литием, фтором или другими элементами, с которыми возможны реакции (α,n).

В табл. 11.8 [1, 26, 36] обобщены характеристики наиболее распространенных источников нейтронов на основе реакции (α,n). Одной из наиболее важных характеристик при практическом применении является период полураспада тяжелого элемента, испускающего альфа-частицы. Источники, перечисленные в табл. 11.8, имеют длительные периоды полураспада, за исключением 210PoBe.

Другой важной характеристикой является энергетический спектр нейтронов конкретного источника. В некоторых случаях важно иметь источник, испускающий нейтроны высокой энергии, которые обладают высокой проникающей способностью. В других случаях может оказаться важным избежать энергий нейтронов, достаточно высоких для деления изотопов плутония или урана (то есть такой источник должен обеспечивать "подпороговую" подсветку) или для возбуждения реакции (n,2n).

Âнастоящее время чаще других используются нейтронные источники 241AmBe

è241AmLi, типичные нейтронные энергетические спектры которых показаны на

рис. 11.4 и 11.5. Энергетические спектры могут в какой-то степени изменяться из-за наличия примесных элементов или неравномерного смешивания. (Кроме того, спектры нейтронов могут слегка изменять свою форму во времени, в зависимости от конструкции источника и его состава). Обратите внимание на то, что источники AmLi обычно изготавливаются путем смешивания 241AmO2 с оксидом лития и что реакции (α,n) на кислороде дают вклад в спектр в виде высокоэнергетического "хвоста".

Источники 241AmBe компактны, относительно недороги и не нуждаются в громоздкой защите от гамма-излучения. Однако высокоэнергетический спектр нейтронов вызывает реакции (n,2n), которые будут давать вклад в скорость счета совпадений. Источники 241AmLi менее компактны, стоят дороже и требуют вольфрамовой защиты.

Глава 11. Природа нейтронного излучения

347

Таблица 11.8 — Характеристики некоторых изотопных источников на основе реакции (a,n)

Источник Период Средняя Средняя Макси-					Доза гамма-	Êþðè	Выход,
	полурасэнергия энергия мальная				излучения	íà	106
	ïàäà, ëåò	альфа-	нейтро-	энергия	на рассто-	грамм*	í/ñ Êè
	[1]	частиц,	íîâ,	нейтро-	ÿíèè 1 ì îò		[36]
		ÌýÂ [1]	ÌýÂ [1]	íîâ, ÌýÂ	106í/ñ,
				[26]	ìáýð/÷ [36]
210PoBe	0,38	5,3	4,2	10,9	0,01	4490	2-3
226RaBe	1600	4,8	4,3	10,4	60	1	0-17
238PuBe	87,74	5,49	4,5	11,0	0,006	17	2-4
238PuLi	87,74	5,49	0,7	1,5	1	17	0,07
238PuF4	87,74	5,49	1,3	3,2	1	17	0,4
238PuO2	87,74	5,49	2,0	5,8	1	17	0,003
239PuBe	24 120	5,15	4,5	10,7	6	0,06	1-2
239PuF4	24 120	5,15	1,4	2,8	1	0,06	0,2
241AmBe	433,6	5,48	5,0	11,0	6	3,5	2-3
241AmLi	433,6	5,48	0,3	1,5	2,5	3,5	0,06
241AmB	433,6	5,48	2,8	5,0		3,5
241AmF	433,6	5,48	1,3	2,5		3,5

*(Выход альфа-частиц/с г) / (3,7 1010 Áê/Êè)

Из-за своего низкоэнергетического нейтронного спектра они находят широкое применение в качестве источников подпороговой подсветки при активном анализе, а также как контрольные источники случайных нейтронов при пассивной регистрации совпадений. В последнем случае важно знать о возможности присутствия примесей плутония в америции, что может вызвать появление нейтронов совпадений от его спонтанного деления.

Источники на основе реакции (α,n) испускают также гамма- и бета-излуче- ние, и во многих случаях доза, наблюдаемая за пределами контейнера, определяется этим гамма-излучением. (Для сравнения: мощность эквивалентной дозы нейтронного излучения от источника с потоком 106 нейтр./c составляет примерно 1 мбэр/ч на расстоянии 1 м). Поэтому важным критерием выбора источника