Interactiunea neutronilor cu substanta

Spre deosebire de particulele incarcate si radiatiile electromagnetice (X, γ), care interactioneaza in special cu invelisul electronic al atomilor, neutronii interactioneaza cu probabilitate mare cu nucleele atomice.

Neutronul, in stare libera, este o particula cu masa apropiata de cea a protonului, m_n=1,0086054 u.a., sarcina zero si spinul 1/2. Se dezintegreaza dupa schema: , cu un timp de injumatatire de 11,7 min.

Neutronii liberi se obtin ca rezultat al reactiilor nucleare. Energia de legatura a neutronilor ce compun un nucleu este de ordinul catorva MeV si ei sunt emisi in general in reactiile nucleare cu energii cinetice de acest ordin de marime.

In functie de energie, sunt alese conventional trei grupe de neutroni:

- neutroni lenti 0 <E_n< 1 KeV

- neutroni intermediari 1 KeV <E_n< 0,5 MeV

- neutroni rapizi 0,5MeV<E_n< 20 MeV

La randul lor, neutronii din prima categorie se impart in: neutroni reci a caror energie este mai mica decat energia de agitatie termica; neutroni termici care au o distributie de viteze determinata de agitatia termica (exemplu la temperatura de 300 K, E_n este cca 0,025 eV); neutronii cu energie mai mare de 0,5 eV se numesc epitermici sau de rezonanta, fiindca pentru nuclee medii si grele sectiunea eficace a unor reactii cu neutroni, prezinta numeroase rezonante. Neutronii cu energia sub 0,5 eV sunt puternic absorbiti de cadmiu.

Asa cum s-a mai mentionat anterior, neutronii nefiind particule incarcate, interactioneaza preferential cu nucleele mediului. Tipurile de procese in care intervin fortele nucleare si care pot fi folosite in detectia neutronilor sunt urmatoarele:

- imprastierea elastica si neelastica pe nuclee

- reactii nucleare cu emisie de particule incarcate: (n, p), (n, d), (n, α), etc

- captura radiativa reactii (n, γ)

- reactii de fisiune (n, f)

La energii mici ale neutronilor, preponderente sunt reactiile (n, γ) si in unele cazuri fisiunea. Imprastierea si reactiile nucleare devin preponderente pentru neutronii cu energii E_n>100 KeV.

Deoarece raza nucleului este cu circa 4 ordine de marime mai mica decat a atomului, ciocnirea neutronilor cu nucleele ar trebui, grosolan vorbind, sa fie de cca 10⁸ ori mai putin probabila decat a particulei incarcate cu atomii. De aceea detectia si protectia legate de aceste particule (neutronii) ridica probleme speciale.

1. Imprastierea elastica a neutronilor

In acest caz neutronul incident nu comunica o energie de excitatie nucleului tinta, energia sa cinetica distribuindu-se intre neutronul difuzat si nucleul de recul. Din spectrul nucleelor de recul obtinut la imprastierea elastica a neutronilor, se poate determina spectrul energetic al neutronilor. Energia cedata de neutron nucleului de recul depinde de unghiul de imprastiere. Prin urmare chiar neutronii monoenergetici vor da un spectru continuu al nucleelor de recul. Energia nucleului de recul (E_A) care zboara sub un anumit unghi j este insa bine determinata de energia neutronului incident (E₁). Notand cu E₁ si E₂ energia neutronului in sistemul laboratorului (SL) inainte si respectiv dupa ciocnire (Fig. 1.25), cu q unghiul sub care este difuzat acesta dupa ciocnirea elastica pe nucleul cu numarul de masa A aflat in repaus, din legea conservarii impulsului si energiei pentru cazul nerelativist rezulta:

cu ,

unde m este masa neutronului si M masa nucleului de recul.

Fig. 1.25 Sectiunea imprastierii elastice pe nuclee de

hidrogen in functie de energia neutronilor (E₁)

Inlocuind impulsurile cu energia in ecuatia (1.64) si eliminand apoi din ecuatiile (1.64) - (1.65) pe E₂, obtinem energia nucleului de recul:

unde

Pentru j ,   energia nucleelor de recul este zero, iar pentru j , energia lor este maxima: E_A=αE₁.

Relatiile (1.66) - (1.67) sugereaza ca pentru detectia neutronilor (eventual spectrometrie) trebuie folosite substante usoare, α primind valoare maxima, α_max=1, cand A=1 (difuzia neutronilor pe nuclee de hidrogen). Deoarece si sectiunea elastica a neutronilor pe hidrogen este o functie neteda de energie (Fig. 1.25), el este cea mai utilizata substanta in instalatiile de detectia si spectrometria neutronilor cu nuclee de recul.

Un alt avantaj il prezinta faptul ca pana la energii de cca 10 MeV ale neutronilor sectiunea diferentiala de imprastiere pe hidrogen in sistemul centrului de masa (SCM) este izotropa. Hidrogenul este folosit in stare gazoasa in camere de ionizare si contori proportionali, in stare lichida la scintilatori, in diverse combinatii organice solide, sub forma de pelicule de polietilena pe diferiti detectori etc.

Din relatiile (1.64) - (1.65) se obtine si energia neutronului imprastiat (E₂) in functie de energia neutronului incident (E₁) si unghiul de imprastiere  q al neutronului:

Numarul nucleelor de recul aparute in unitatea de timp cu energia cuprinsa intre E_A si E_A+dE_A este:

unde: este (fluxul) numarul de neutroni cu energia E₁ care cad in unitatea de timp pe unitatea de suprafata a tintei care contine n nuclee in unitatea de volum.

este sectiunea diferentiala de imprastiere in

este sectiunea diferentiala de imprastiere in

Deoarece ciocnirea este elastica, fiind unghiul de imprastiere a neutronului in SCM (Fig. 1.25).

Daca presupunem imprastierea neutronilor izotropa in SCM (momentul cinetic orbital l=0), atunci,

unde σ_e este sectiunea elastica totala de imprastiere.

Probabilitatea ca nucleul de recul sa primeasca o energie cuprinsa intre E_A si E_A+dE_A se defineste astfel:

Inlocuind in (1.71) pe N(E_A)dE_A cu (1.69) obtinem:

Tinand cont ca avem din (1.66) rezulta,

  (1.73)

Inlocuind apoi (1.70) si (1.73) in (1.72) obtinem:

Densitatea de probabilitate ca protonul (α=1) sa obtina orice energie cuprinsa intre 0 si E_A este constanta si egala cu 1/E₁.

2. Imprastierea inelastica a neutronilor

In acest caz nucleul tinta trece intr-o stare excitata si se dezexcita prin emisia uneia sau mai multor cuante γ. Emisia γ este in general prompta, dar uneori nucleul excitat poate fi si in

stari izomere, cu un timp mediu de viata mai indelungat. Pentru nucleul ¹²C prima stare excitata este la 4,43 MeV (Fig. 1.26).

Fig. 1.26. Schema nivelelor excitate pentru ¹²C

Neutronul poate fi imprastiat inelastic numai daca energia sa depaseste energia de prag

Cu cresterea energiei neutronului pot fi excitate si alte nivele ale ¹²C si se poate defini o sectiune de excitare pentru fiecare nivel in parte. Cunoasterea sectiunilor inelastice este foarte importanta in reactiile cu neutroni rapizi, dat fiind ca pierderea de energie la ciocnirile elastice ale neutronilor cu nuclee grele este neglijabila. In detectie, aceste procese se utilizeaza rar.

3. Reactii ale neutronilor cu emisie de particule incarcate

Dintre reactiile neutronilor cu emisie de particule incarcate cele mai utilizate in detectie sunt reactiile exoenergetice de tip (n, p) si (n, α). Acestea sunt prezentate in tabelul 1.2.

Nucleele usoare sunt de preferat datorita barierei coulombiene mai mici pentru emisia particulelor α incarcate. In figura 1.27 se arata modul de variatie a sectiunilor eficace cu energia pentru diferite reactii nucleare induse de neutroni. In general s_n~K/v_n, adica scade cu cresterea energiei (vitezei) neutronilor. S-au obtinut rezultate bune folosind ³He la detectia neutronilor rapizi deoarece sectiunea eficace in acest caz nu prezinta rezonante. Se obtine si o eficacitate de

detectie constanta pentru energii ale neutronilor pana la 10 MeV. De asemenea eficacitatea este mai mare in acest caz decat pentru celelalte reactii.

Tabelul 1.2. Date caracteristice pentru unele reactii nucleare folosite in detectia neutronilor

Fig. 1.27. Dependenta sectiunilor eficace caracteristice unor reactii cu neutroni