Взаимодействие нейтронов с веществом.

Не обладая электрическим заря­дом, нейтроны не испытывают действия зарядов электронов и ядер, поэтому характеризуются большой проникающей способностью. Взаимодействуют, в основном с ядрами атомов. В ядерной геофизике используются, в подавля­ю­щем большинстве, тепловые и надтепловые нейтроны с энергией до 100 эв. Для таких нейтронов характерны реакции: поглощения (радиационный захват нейтронов) и рассеяния (упругое и неупругое).

Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шаров: сумма энергий до и после рассеяния остается постоянной. Сечение упругого рассеяния σ _р для большинства ядер в области энергий до 100 эв остается постоянной. Исключением является водород, имеющий наибольшее σ _р среди основных породообразующих элементов.

n - нейтрон до взаимодействия; M – ядро-мишень до взаимодействия; n’- положение нейтрона после взаимодействия; M’- положение ядра-мишени после взаимодей­ствия; Ψ – угол рассеяния нейтрона. Часть энергии нейтрона при соударении расходуется на создание импульса отдачи ядра-мишени.

Потеря энергии нейтрона при упругом рассеянии зависит от массы ядра-мишени М и угла рассеяния нейтрона. Энергия нейтрона до Е₀ и после соударения Е с покоящимся ядром:

Минимальное значение энергии при лобовом соударении (ψ = π) равно:

где

Отсюда следует, что наибольшая потеря энергии нейтрона наблюдается при соударении с ядром-мишенью с М=1, т.е. с ядром водорода. При лобовом соударении с водородом возможна полная потеря энергии нейтрона. Для сравнения: потеря энергии нейтрона при соударении с ядром кислорода составляет 11%; при соударении с ядром кремния – 6%. Благодаря высокому сечению рассеяния и большой потере энергии нейтрона, водород является аномальным замедлителем нейтронов.

В теории чаще употребляется среднелогарифмическая потеря энергии на одно соударение, так называемый параметр замедления

Неупругое рассеяние нейтронов. При этом взаимодействии кинетичес­кая энергия нейтрона расходуется не только на создание отдачи ядра-мише­ни, но и на повышение его внутренней энергии, т.е. на возбуждение ядра. Энергия возбуждения в последующем высвобождается в виде γ -кванта. Спектр излучения γ -квантов для каждого элемента характерен, т.е. строго определен по энергиям γ -квантов. Неупругое рассеяние – поровая реакция, энергия порога Е_пор уменьшается с ростом массы ядра - от нескольких тысяч Кэв для легких ядер до 100 Кэв для тяжелых. Поэтому неупругое рассеяние происходит только с быстрыми нейтронами и преимущественно на тяжелых ядрах. Сечение неупругого рассеяния становится больше 0 при достижении нейтроном энергии выше Епор, при энергии 10-15 Мэв достигает максималь­ного значения.

Поглощение нейтронов. Для ядерной геофизики, из всех реакций пог­ло­щения нейтрона веществом, наиболее важны: реакция радиационного захвата нейтрона ядром (n, γ); а также реакция (n, α) на изотопах ₁₀B и ₆Li. Эти реакции идут при любых энергиях нейтронов, но максимум сечения приходится на область низких энергий. Сечение реакции захвата в тепловой области убывает обратно пропорцио­нально энергии нейтрона, для тяже­лых элементов (Z > 45) в области промежуточных энергий существуют интервалы резкого роста сечения пог­лощения – резонансные интер­валы. Остальные реакции поглоще­ния, т.е. реакции типа (n, p) и (n, α) для большинства элементов, являются реакциями пороговыми и начинаются при энергии нейтронов более 2 – 5 Мэв. В резуль­тате поглощения нейтрона ядром, образуются изотопы, отли­чные от ядра-мишени, большинство из них являются радиоактивными. Спектр γ -излучения радиационного захвата нейтронов, т.е. число квантов, образующихся по реакции (n, γ) при поглощении 100 нейтронов, различен для разных элемен­тов. Это различие может быть использовано для определе­ния элементного состава породы. Необходимо отметить, что энергия γ -кван­тов, образующихся в результате радиационного захвата нейтронов, достаточ­но большая – до 8 Мэв, что облегчает регистрацию их в полевых и скважин­ных условиях.

Полное сечение и пробеги нейтронов в веществе. Нейтроны, испускае­мые источником и попавшие в горную породу, относительно быстро (за 10^-4 ÷ 10^-5 сек) замедляются в результате упругих и, частично, неупругих соуда­рений. Большая часть нейтронов избегает поглощения в области высоких энергий, и захватывается ядрами по реакции радиационного захвата (n, γ), уже имея очень малую энергию (0.025эв). Распределение нейтронов в среде определяется нейтронными свойствами среды, главным образом массой ядер и сечением различных процессов. Полное сечение равно сумме сечений эле­мен­тарных процессов: σ _t = σ _рз + σ _ур + σ _нр ≈ σ _рз + σ _ур, где индексы означают: t – суммарное сечение, ур – упругое рассеяние, нур – неупругое рассеяние, рз – радиационный захват. С целью уменьшения числа величин, характеризую­щих распределение нейтронов, вводится относительно небольшое число параметров, называемых нейтронными параметрами среды.

Макроскопическое сечение ∑ равно произведению микроскопического сечения процесса σ на плотность ядер (атомов) среды m_a: ∑ = σ m_a = σ ρ N_A / A, где N_A –число Авогадро, ρ –плотность среды, А – атомный вес.

Замедляющая способность среды, равная произведению макроскопи­че­ского сечения рассеяния ∑ _Р на параметр замедления ξ. Чем больше замед­ля­ю­щая способность среды ξ ∑ _Р, тем быстрее происходит замедление нейтронов.

Длина замедления нейтронов , где r² – среднее значение квадрата расстояния между источником быстрых нейтронов и точкой замед­ле­ния до тепловой энергии.

Среднее время жизни тепловых нейтронов в среде τ = λ _з/v =1/v∑ _з, где ∑ _з – макросечение поглощения тепловых нейтронов, λ _з =1/∑ _з – путь нейтрона от точки замедления до точки поглощения (L_рз = 1/∑ _з), v – кинетическая ско­рость теплового нейтрона, равная 2200 м/с.

Полный пробег нейтрона в среде будет рассчитываться по формуле:

.