Взаимодействие нейтронов с веществом
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
, 3n) и другие, которые широко используются в качестве детекторов быстрых нейтронов.
нейтрон рассеяние ядерный диффузный
3. Процесс замедления нейтронов
Замедление нейтронов приводит в конечном счёте к образованию тепловых нейтронов (нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой, в которой происходит замедление). Средняя энергия теплового нейтрона при комнатной температуре равна 0,025эВ.
В процессе замедления часть нейтронов теряется, поглощаясь при столкновении с ядрами или вылетая из среды наружу.
В замедлителях нейтронов - веществах, содержащих лёгкие ядра, слабо захватывающие нейтроны, (при достаточно больших размерах замедлителя) потери малы и большая часть нейтронов, испущенных источником, превращается в тепловые нейтроны.
К числу лучших замедлителей относятся вода, тяжёлая вода, бериллий, графит, которые широко используются в ядерной технике.
Если нейтрон сталкивается не с протоном, а с более тяжелым ядром, то средняя потеря энергии при столкновении уменьшается (при рассеянии на бесконечно тяжелых ядрах замедления вообще не будет). Можно показать, что при рассеянии нейтрона на ядре с массовым числом А средняя потеря энергии определяется соотношением:
, (3.1)
где , - начальная энергия нейтрона; - средняя энергия нейтрона после столкновения.
Например, если замедлителем является углерод , то а ? 0,4, ? 0,8. Отсюда видно, что замедление идет тем эффективнее, чем легче ядра замедлителя.
Важнейшей характеристикой процесса замедления является длина замедления, обозначаемая через . Величина ? носит не соответствующее ее размерности название возраста нейтронов. Смысл этой величины состоит в том, что
, (3.2)
где - средний квадрат расстояния, на которое нейтрон уходит от источника в процессе замедления в том же стандартном интервале энергий от 1 МэВ до 1 эВ. Длина замедления в хороших замедлителях имеет порядок десятков сантиметров. Поглощение нейтронов замедлителем существенного влияния на процесс замедления не оказывает, так как для быстрых нейтронов сечение поглощения ничтожно мало по сравнению с сечением рассеяния.
Сравнительно просто удается вычислить распределение нейтронов по энергиям, которое оказывается слабо зависящим от геометрии задачи и имеющим вид
~, 1МэВЕ1эВ, (3.3)
где u - скорость нейтрона.
Начиная с энергий 0,5 - 1 эВ, при столкновениях нейтронов с ядрами становится существенной тепловая энергия атомов. Распределение нейтронов начинает стремиться к равновесному, т. е. максвелловскому:
, E 1эВ. (3.4)
Этот процесс называется термализацией нейтронов. Практически тепловое равновесие полностью установиться не успевает, так как тепловые нейтроны сильно поглощаются и в среде все время существует заметное количество замедляющихся нейтронов, порождаемых источником. Приближенно можно считать, что при равновесии между рождением и поглощением нейтронов в среде их энергетический спектр описывается максвелловским распределением (3.4) только в области тепловых энергий, а выше имеет форму (3.3), соответствующую повышенной концентрации нейтронов высоких энергий.
В процессе замедления нейтрон двигается по сложной траектории, перемещаясь от одного ядра замедлителя к другому. Средний путь, проходимый нейтроном между двумя последовательными соударениями, называется средней длиной свободного пробега ?s. Очевидно, что
?s =1/n?s , (3.5)
где n - концентрация ядер в среде; ?s - эффективное сечение рассеяния.
Из формулы (3.5) следует, что величина ?s различна для разных сред и является функцией энергии нейтронов для данной среды. Величина ?s (как и ?) является одной из важнейших характеристик замедлителя, так как чем меньше ?s, тем быстрее происходит замедление. Коэффициент ?/?s, называется замедляющей способностью замедлителя.
При каждом акте рассеяния нейтрон отклоняется от первоначального направления, так что его путь в замедлителе - зигзагообразный. Весь путь, пройденный нейтроном за время замедления от первоначальной энергии Т0 до заданной энергии Т:
, (3.6)
где - среднее число соударений, необходимых для замедления нейтронов от энергии Т0 до энергии Т; - средняя длина свободного пробега при энергии, соответствующей i-му акту рассеяния.
Если пренебречь зависимостью ?s от энергии, то грубо ориентировочное значение ?:
?=, (3.7)
где -длина свободного пробега, усредненная по энергетическому интервалу, в котором рассматривается замедление. При замедлении нейтронов с энергией Тn > 50 кэВ в водороде ?s можно считать пропорциональной v, для нейтронов с энергией 1 эВ< Тn<50 кэВ ?s ?const. Для других легких замедлителей ?s ?const.
Для решения некоторых задач (например, для расчета защиты) очень важно знать, на какое расстояние r смещаются нейтроны в процессе замедления от первоначальной точки. Можно показать, что средний квадрат перемещения приблизительно равен:
, (3.8)
где А - массовое число замедлителя.
Числитель формулы (3.8) совпадает с известным выражением для среднего квадрата броуновского перемещения частиц. Что касается знаменателя, то в нем учитывается анизотропия рассеяния нейтронов.
Показано, что упругое рассеяние нейтрона на тяжелом ядре может происходить под любым углом ?, в то время как угол рассеяния нейтрона на протоне не превосходит 90. В связи с этим траектории движения нейтронов в водород?/p>