§ 34. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОНОВ

Поскольку нейтроны почти не взаимодействуют с электронами, они непосредственно производят очень слабую ионизацию — создают всего лишь одну пару ионов на одном метре пути, в то время как протоны с такой же энергией создают около одного миллиона пар ионов на метре того же вещества.

Таким образом, нейтроны нельзя обнаружить обычными приборами, основанными на ионизующей способности заряженных частиц. Приходится использовать вторичные эффекты.

Регистрация нейтронов основана на двух принципах: во-первых, на наблюдении заряженных частиц, возникающих при ядерном взаимодействии нейтронов с веществом, вводимым в прибор, и, во-вторых, на использовании явления отдачи ядер легких элементов при столкновении их с нейтронами. Выбор метода зависит от энергии нейтрона: для медленных нейтронов пользуются методом ядерных взаимодействий, тогда как для быстрых — методом ядер отдачи.

Метод наведенной активности. При образовании и поглощении нейтронов часто образуются радиоактивные ядра, которые распадаются согласно общим законам радиоактивного распада. Измеряя

активность полученных таким образом источников, можно определить величину потока падающих нейтронов.

Рассмотрим, как меняется число активных ядер со временем.

Если на образец падает нейтронов в секунду на а в слое вещества содержится атомов/см, то при эффективном сечении захвата, равном о за одну секунду, должно образоваться активных атомов. Одновременно будет происходить распад этих атомов, и за время число распавшихся атомов равно

Рис. 77. Зависимость числа активных ядер от времени облучения

Следовательно, активность препарата

Решение этого уравнения, как известно, приводит к экспоненциальному закону, по которому при достаточно большом времени

т. е. увеличение числа активных атомов полностью компенсируется распадом (рис. 77). Стационарное число активных атомов станет равным числу атомов, образованных за среднее время жизни

Величина называется активацией насыщения. При можно считать

В общем случае интегрируя уравнение (100), получим

Исследуя активность препарата, можно определять число падающих нейтронов Иногда радиоактивные ядра возникают при фотоядерных реакциях. По их активности также можно судить о количестве выделенных нейтронов. Однако этим методом нельзя получить сведения об энергетическом распределении нейтронов.

Борный метод. Очень важный метод регистрации нейтронов основан на свойствах бора поглощать нейтроны с энергией от тепловых до десятков (по закону При этом идет реакция:

Родившиеся -частицы сильно ионизуют вещество и могут быть зарегистрированы приборами. Для этого можно использовать почти все имеющиеся детекторы, вводя в них соответствующим

способом бор: а) ионизационные камеры наполняются газом ; б) стенки счетчиков Гейгера — Мюллера покрываются тонким слоем ; в) в желатину фотоэмульсии добавляется бор; г) в сцинтиллятор добавляется бор.

Так как эффективные сечения реакции при различных энергиях нейтронов известны, то, пользуясь борным методом, можно определять энергии нейтронов, измерять плотность нейтронов и др.

Регистрация с помощью делительных камер. Медленные нейтроны вызывают деление Осколки от деления имеют энергию порядка большую массу и малый пробег в веществе. Кроме того, они сильно ионизованы. Это позволяет использовать для регистрации нейтронов обычную ионизационную камеру, один электрод которой покрыт окисью урана, обогащенной Такие камеры получили название делительных.

Для детектирования быстрых нейтронов используют делительную камеру, стенки которой покрыты делящимся под воздействием этих нейтронов.

Рис. 78. Распределение импульсов при столкновении нейтрона с протоном

Метод ядер отдачи. Основным методом, позволяющим не только зарегистрировать нейтрон большой энергии, но и определить его импульс (энергию), является метод ядер отдачи (обычно — протонов отдачи).

Нейтрон, сталкиваясь с протоном, передает ему часть своей энергии и импульса (рис. 78). Пользуясь законами сохранения энергии и импульса при упругом ударе, можно определить как энергию падающего нейтрона, так и угол вылета рассеянного нейтрона:

Из первого равенства следует

видно, что поскольку то прямоугольный и Отсюда получается для энергии

Для эффективного использования этого метода в различные детекторы вводят водородосодержащие вещества:

а) пропорциональные счетчики наполняют водородом или помещают у одного конца счетчика парафин;

б) камеру Вильсона наполняют водородом;

в) фотопластинки не требуют специальной обработки благодаря тому, что водород уже входит в состав самой эмульсии;

г) органический сцинтиллятор также содержит много водорода и поэтому может быть использован для регистрации протонов отдачи.

Существуют и другие методы детектирования нейтронов. Из сказанного выше уже видно, что регистрировать нейтроны труднее, чем заряженные частицы; в то же время медленные нейтроны проще регистрировать, чем быстрые. Поэтому часто выгодно сначала замедлять нейтроны.