Расчет защит. Классификация источников излучения

• Название: Классификация источников излучения
• Анкор: Расчет защит.docx
• Дата: 15.03.2018
• Размер: 152.77 Kb.
• Имя файла: Расчет защит.docx
• Тип: Документы; #16718
• страница: 3 из 6

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 и γ- 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].

2.3 Взаимодействие нейтронов с веществом

При прохождении нейтронов через вещество могут иметь место два вида взаимодействия их с ядрами поглощающей среды. В результате соударения нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этом следует рассматривать упругое и неупругое рассеяния.

При втором виде взаимодействия изменяется природа соударяющихся частиц. Происходят ядерные реакции типа (п,α), (п,р), (п,γ), (п,2п) и т. д., или наблюдается деление тяжелых ядер.

Вероятность прохождения той или иной реакции определяется микроскопическим сечением реакции σ (п,α), σ (п,р), σ (п, γ),σ (п,2п) и т. д.

Микроскопическое сечение σ можно представить себе как сечение сферы, описанной вокруг ядра. Пересекая эту сферу, нейтрон может вступить в реакцию с ядром.

Вне этой сферы взаимодействия не происходит. Микроскопическое сечение измеряется в квадратных сантиметрах (см²) и барнах ( 1 барн (б) = 10^-24 см²). Каждый радионуклид имеет определенное значение σ, зависящее от энергии нейтронов.

В зависимости от энергии нейтроны можно условно разделить на следующие группы.

1. Ультрахолодные нейтроны – нейтроны с энергией менее 10^-7 эВ.

2. Холодные нейтроны – нейтроны с энергией меньше 0,005 эВ.

3. Тепловые нейтроны, находящиеся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами окружающей среды. Их энергия 0,025-0,1 эВ.

4. Надтепловые нейтроны обладают энергией от 0,1 эВ до 0,5 кэВ.

5. 
   Нейтроны промежуточных энергий от 0,5 кэВ до 0,2 МэВ. Для нейтронов этих энергий наиболее типичный процесс взаимодействия с веществом – упругое рассеяние.
   
6. 
   Быстрые нейтроны с энергией от 0,2 до 20 МэВ. Характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникновением пороговых ядерных реакций.
   
7. 
   Сверхбыстрые нейтроны обладают энергией выше 20 МэВ. Они отличаются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц.
   

Основные типы взаимодействия нейтронов с веществом.

1. 
   Упругое рассеяние нейтронов. Реакция упругого рассеяния нейтронов на ядрах аналогична упругому столкновению двух упругих шаров. Между нейтроном и ядром происходит обмен кинетической энергией без изменения внутреннего состояния ядра.
   

Сечение упругого рассеяния σ_s большинства веществ зависит от энергии в быстрой области, а в тепловой и промежуточной областях оно почти постоянно. Исключением является водород, сечение упругого рассеяния которого резко падает в тепловой области – от 80 до 20 барн.

Упругое рассеяние используют для замедления быстрых нейтронов. Для этого применяют вещества, состоящие из легких атомов и слабо поглощающие нейтроны. Такие вещества (вода, берилий, углерод и др.) называют замедлителями.

2. 
   Неупругое рассеяние нейтронов. Быстрые нейтроны могут испытывать при столкновении с ядрами неупругое рассеяние. В результате неупругого рассеяния ядро отдачи переводится в возбужденное состояние. При неупругом рассеянии нейтрон расходует часть кинетической энергии на возбуждение ядра. Возбужденные ядра переходят в основное состояние, испуская γ -кванты.
   

Неупругое рассеяние – пороговая реакция. Чтобы быстрый нейтрон рассеялся неупруго, его энергия должна превышать энергию первого возбужденного уровня ядра – мишени. Энергия первого возбужденного уровня зависит от массового числа А. С увеличением А она уменьшается от нескольких мегаэлектронвольт до 100 кэВ и ниже.

Сечения пороговых реакций, в том числе и неупругого рассеяния, становятся отличными от нуля только при энергиях Е_п=Е_пор. Эти сечения сначала быстро возрастают, а затем монотонно стремятся к постоянному значению с увеличением энергии нейтронов.

3. 
   Поглощение нейтронов. В (п,b)-реакции нейтрон поглощается, а вместо него испускается частица b. Например: радиационный захват нейтронов – (п, γ)- реакция, деление ядер – (n,f)- реакция, (п,р)-, (п,α)- реакции и др. Одни (п,b)- реакции идут при всех энергиях нейтронов, другие являются пороговыми реакциями.
   

Зависимость сечений поглощения, σ_α экзоэнергетических реакций от энергии нейтронов Е_п имеет ряд особенностей. В тепловой области сечение поглощения большинства веществ изменяется по закону 1/v,т.е. сечение поглощения обратно пропорционально скорости нейтронов v



С учетом всех возможных процессов, в которых нейтрон поглощается, сечение, σ_α представляется в виде суммы

σ_α= σ_γ + σ_α + σ_f,

где σ_γ – сечение радиационного захвата;

σ_α – сечение (n,α)- реакции;

σ_f – сечение деления.

4. Радиационный захват. В (п,γ)- реакциях получают новые изотопы элемента. Энергия возбуждения ядра равна сумме энергии связи нейтрона в составном ядре и кинетической энергии нейтрона до реакции. Она высвечивается в виде γ- квантов, испускаемых мгновенно. Новый изотоп может быть как стабильным, так и радиоактивным. Так, в реакции H(n,y)D возникает стабильный изотоп, а реакция возникает стабильный изотоп, а в реакции Na²³(n, y)Na²⁴ – β ^– - активный, с периодом полураспада 15 ч.

5. Деление ядер. При захвате нейтрона некоторые тяжелые ядра способны делиться на два более легких ядра (осколки деления). Изотопы U²³³, U²³⁵, Ри²³⁹ делятся под действием нейтронов любой энергии. Эти изотопы называют делящимися.

Для группы тяжелых ядер (Th²³², U²³⁸, Рu²⁴⁰ и др.) деление является пороговой реакцией.

В каждом делении ядра освобождается около 200 МэВ энергии. Примерно 165 МэВ энергии деления выделяется в виде кинетической энергии осколков, разлетающихся с большой скоростью в противоположных направлениях.

Осколки деления пересыщены нейтронами, поэтому они β ^– - активны. Каждый осколок испытывает цепочку радиоактивных распадов, прежде чем превратится в стабильный изотоп. В процессе деления испускаются два-три быстрых нейтрона. Это позволяет при определенных условиях осуществить цепную ядерную реакцию [1], [3].