Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтрон – электрически нейтральная ядерная частица n₀¹. Масса – 1,0086∙10^-24 г., что в 1836 раз больше массы электрона, и равна массе протона, т.е. массе ядра водорода. Распадается с T_1/2→12,8 мин на протон, электрон, антинейтрино с выделением энергии 0,78 Мэв

n₀¹→₁р¹+е^-+J+E

Обладает наибольшей проникающей способностью из всех видов излучений, используемых в радиометрии скважин. (воздухе до 300м)

Нейтроны достигают ядер любых элементов, захватываемых ими, что приводит к ядерным реакциям, составное ядро оказывается в возбуждённом состоянии и испытывает распад различными способами в зависимости от энергии налетающего нейтрона. Поэтому нейроны делятся условно на несколько групп. Для геофизических целей используются, в основном, быстрые и тепловые нейтроны.

Нейтроны	Энергия, Эв	Скорость, см/сек
Быстрые	2∙10^5-2∙10^7	1,4∙10^9
Тепловые	0,025	2,2∙10^5

*Длина волны 2,9(10^-9/10^-12) в f(Е)

Основные процессы протекающие при взаимодействии нейтронов с гороной породой

• Упругое рассеяние

• Неупругое рассеяние

• Поглощение (захват)

При упругом рассеянии между нейтроном и ядро происходит перераспределение кинематической энергии, в результате чего быстрый нейтрон теряет свою энергию и рассеиваются. Максимальная потеря энергии нейтронов происходит при центрально столконовении его я ядром.

*Т.н. → находящееся в тепловом равновесии с ядрами замедляется

Е=кТ, к – постоянная Больцмана.

1. Медленные +тепловые 0-10 эВ, тепловые – 0,025 Эв

2. Быстрые 20 кэВ - 20 МэВ

3. Сверхбыстрые 20 МэВ

Упругое рассеяние

В горных породах, тканях передача основной (%) энергии максимальна из-за высокого водородосодержания (протоны) {до 85-95%} от общей переданной энергии.

Неупругое рассеяние

Часть энергии переходит в ядро отдачи в возбуждённое состояние. После испускания одного или нескольких ϒ-квантов ядро отдачи переходит в основное состояние с испусканием ϒ-квантов (n, ϒ-реакция).

Захват нейтронов

Атомное поперечное сечение взаимодействия определяется как отношение числа элементарных рассматриваемых процессов в 1 сек к числу падающих частиц на 1 см² в 1 сек. Если представить, что атомное ядро для некоторых ядерных реакций является сферой, то «δ» - есть площадь сечения этой сферы.

Единицей атомного поперечного сечения взаимодействия является 1 барн = 10^-24см²

*Сечение взаимодействия захвата увеличивается с уменьшением энергии нейтронов.

В промысловой геофизике при проведении радиоактивного каротажа используют регистрируемые тепловые нейтроны.

Нейтронные параметры – см. след. страницу.

τ=λп/υ – среднее время жизни (мл сек)

Ɗ =λр∙υ/3 – коэф. диффузии →далее таблица τ,Ɗ

L_f – длинна замедления – перемещения n₀¹ до его замедления до Е.

L_g – расст. n₀¹ от места рождения до места погашения

L_f= L_g=

– однородная среда

НЕТn₀!!!

Нейтроны в среде (породе)

После «выхода» быстрых нейтронов из источника, их поведении определяется 3-мя одновременно протекающими процессами:

• Замедлением, т.е. которой энергией в результате столкновения n₀¹ с ядрами среды.

• Диффузией, т.е. перемещением в среде, пространственно распространением нейтронного потока.

• Поглощением, т.е. захватом нейтронов ядрами вещества.

При замедлении нейтронов от энергии источника до надтепловой (~0,1-1МэВ) не происходит их поглощение, а лишь рассеяние, согласно описанных ранее типов взаимодействия. Основная роль, влияющая на поток n₀¹, принадлежит среде, или замедлению нейтронов.

Водородосодержащие среды (вода и др.) обычно являются прекрасным замедлителем, т.к. даже при небольшой концентрации ядер водороде (5%) внизу аномально высокого сечения (замедления) на водороде, поэтому в таких веществах n₀¹ теряет свою энергию уже после первых нескольких соударей.

В процессе замедления (т.е. уменьшение энергии Е) свободные пробеги между последовательными столкновениями становятся всё более короткими. Поэтому в водородосодержащих средах нейтрон быстро замедляется вблизи от точки, где произошло столкновение.

С увеличением начальной энергии n₀¹ дим. замедленно L₃ начнет как ₀, т.е. не очень быстро. Например в воде при рос. ₀ от 2 до 24 МэВ Ls увеличивается с 5,7 до 12 см. Н₂0 и СН₂ при ₀≈2 МэВ равна соотв. 5,7 и 5см.

Время замедления t_зам также зависит от водородосодержания среды W. Чем выше концентрация водорода (неуч. воды) в среде, тем быстрее полагается замедление.

Например, при увеличении W с «0» до «40» время замедления уменьшается примерно на 2 порядка:

В песке с содержанием воды 20% максимум замедления (t~2.45MeV) t=7мксек, и к 25мсек замедление заканчивается, тогда как τ_сред в этой среде ~700мксек.

Для воды t=1.8 мс и 10мксек, а τ_в=210мксек

Поэтому предполагалось, что время замедления практически мгновенно.

После достижения теплового равновесия со средой процесс замедления заканчивается, всё n₀¹ обладают одинаковой энергией Е_тепл≈0,025 эВ. Энергия движения обычных молекул и атомов.

В этой области энергии создаются два механизма взаимодействия с веществом: рассеяние и поглощение.

Поглощение тепловых нейтронов происходит, главным образом в результате радиационного захвата их ядрами. Поскольку средняя скорость тепловых нейтронов υ=2200м/сек при расстоянии до момента поглощения за время τ_а=λ_а/υ=1/δ_а∙υ – среднее время жизни теплового нейтрона в данной среде.

Сечение поглощения δ_а~1/υ=1/Е т.е. увелич. при уменьшен. Е.