|
|
Учебное пособие по курсу Ядерная безопасность для студентов, обучающихся по направлению Ядерная энергетика и теплофизика
Основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является их взаимодействие с ядрами.
Упругое рассеяние, при котором появляется движущаяся заряженная частица - ядро отдачи (особенно это существенно для протонов, ядер водорода).
Неупругое рассеяние, при котором ядро остается в возбужденном состоянии.
Радиационный захват.
Реакции (n,), (n,p) ( 10B (n,) 7Li , 14N (n,p) 14C ).
В результате рассеяния происходит замедление быстрых нейтронов, устанавливается спектр Ферми для замедляющихся нейтронов:
т.е. поток нейтронов на единицу энергии обратно пропорционален энергии нейтрона.
В результате замедления нейтроны приходят в тепловое равновесие с атомами среды. Наиболее хорошие замедлители H, D, C. .
В процессе замедления и при тепловых энергиях происходит поглощение нейтронов:
Сечение в функции энергии выглядит следующим образом (рис.2.5).
Рисунок 2.5 - Сечение поглощения нейтрона в функции энергии
Для большинства ядер в тепловой и надтепловой области энергий сечение имеет известный вид, называемый законом «единица на V» (1/ V), где V – скорость нейтрона.
Объяснение этому может быть дано следующим образом (рис.2.6).
R- радиус ядра, V – скорость нейтрона
Рисунок 2.6 - Взаимодействие нейтрона с ядром
Время, которое нейтрон тратит на пролет мимо ядра:
Сечение взаимодействия σ пропорционально этому времени:
Наиболее сильные поглотители нейтронов - Cd, B, а также тяжелые элементы - U, Th.
В резонансной области имеется своеобразный вид сечений с максимумами порядка = 103 барн и более.
Учитывая 1/V зависимость, защита от нейтронов должна включать их замедление до тепловых энергий и последующее поглощение.
2.6. Взаимодействие гамма излучения с веществом.
Известно три вида взаимодействия:
Фотоэффект.
Эффект Комптона
Образование электрон-позитронных пар.
Схематически эти взаимодействия могут быть изображены следующим образом (рис.2.7).
1).
2).
3).
Рисунок 2.7 - Схематическое изображение процессов взаимодействия -квантов с веществом
Фотоэффект.
Te- кинетическая энергия электрона.
E - энергия гамма-кванта.
Ii - потенциал ионизации i-й оболочки, i= К, L, M, N
При E < Ik фотоэффект возможен только на L, M и т.д. оболочках.
Процесс фотоэффекта невозможен на свободных электронах (т. е. нужны связанные)
Сечение фотоэффекта в зависимости от энергии гамма-кванта выглядит следующим образом (рис.2.8).
Рисунок 2.8 - Вид сечения взаимодействия -квантов за счет фотоэффекта
По мере убывания энергии гамма-квантов возрастает степень связанности электронов и сечение возрастает. При E < Ik фотоэффект на К оболочке становится невозможным и сечение падает, т. к. оно определяется только L, M оболочками.
Расчет дает для отношения сечений на различных оболочках (в расчете на один электрон)
Сечение фотоэффекта очень резко зависит от заряда ядра
Отсюда следует, что фотоэффект особенно существенен для тяжелых веществ.
Эффект Комптона.
Эффект заключается в рассеянии гамма-квантов на «свободных» электронах (т.е. обратная картина по отношению к фотоэффекту)
При рассеянии гамма-квант теряет часть энергии, и появляется быстро движущийся электрон. Учитывая, что энергия гамма-кванта значительно превышает потенциал ионизации, все электроны могут условно считаться свободными. Поэтому характер рассеяния не зависит от вещества рассеятеля.
Сечение для Комптон-эффекта
Образование электрон-позитронных пар.
При достаточно высокой энергии гамма-кванта наряду с фотоэффектом и эффектом Комптона может происходить третий вид взаимодействия - образование пар.
Энергия гамма-квантов должна превышать порог 
Сечение взаимодействия гамма-квантов по отношению к образованию пар выглядит следующим образом (рис.2.9).
Рисунок 2.9 - Вид зависимости сечения взаимодействия -квантов с веществом за счет процесса образования пар
Общий характер взаимодействия гамма-квантов с веществом показан на рис.2.10.
Рисунок 2.10 - Полное сечение взаимодействия -квантов с веществом в функции энергии
Из характера зависимости сечения от энергии гамма-кванта и заряда ядер среды следует:
в области малых энергий основной механизм - фотоэффект  ;
в промежуточной области эффект Комптона  ;
в области больших энергий процесс образования пар. 
Граничные энергии Е1 и Е2 различны для различных сред:
Воздух Е1 = 20 кэВ Е2 = 20 МэВ
Al Е1 = 0.05 МэВ Е2 = 15 МэВ
Pb Е1 = 0.5 МэВ Е2 = 5 МэВ
Видно, что в воздухе доминирует Комптон эффект.
Характерная величина сечений:
Фотоэффект – 10-3 50 барн.
Комптон – с увеличением энергии от 0.01 МэВ до 100 МэВ падает с 0.6 до 0.01 барн (в расчете на один электрон).
Образование пар – постоянное значение при высоких энергиях 100барн.
|
|
|
Скачать 5.76 Mb.