Скорость спонтанного деления тяжелых ядер.

В настоящее время получили большое распространение источники нейтронов, использующие спонтанное деление ²⁵²₉₈Cf, получаемого на ускорителях и ядерных реакторах, дающие большой удельный выход нейтронов ~ 2,5х10⁶ нейтр./с на 1 мг ²⁵²Cf. Среднее число мгновенных нейтронов на деление составляет 3,78 с небольшим выходом сопутствующего фотонного излучения. Максимальная мощность таких источников может достигать примерно 10¹² с^-1. Энергетический спектр нейтронов источника - сплошной, с максимумом при энергии нейтронов около 0,8 МэВ и средней энергией 2 МэВ, по внешнему виду мало отличающийся от спектра вынужденного деления ядер урана и плутония (см. рис.5.8). Период полураспада ²⁵²Cf по отношению к спонтанному делению равен 86 годам.

         Рис.5.8. Энергетическое распределение нейтронов ²⁵²Cf-источника.

Нейтронный распад. В отдельных случаях, когда энергия возбужденного ядра превышает энергию связи нейтрона в ядре, составляющую 8-10 МэВ, может происходить распад ядра с выделением нейтрона. Испускание нейтрона приводит к уменьшению массового числа вторичного атома на единицу. Например:

                               ₇N¹⁷ = ₀n¹ + ₇N¹⁶ → ₈O¹⁶ + b + g.                (5.24)

К этой категории источников нейтронов можно отнестиисточники запаздывающих нейтронов, которые представляют собой радионуклиды, обогащенные нейтронами, в которых энергия возбуждения превышает энергию связи нейтрона в ядре. Образующиеся в процессе деления тяжелых ядер эти радионуклиды, имеющие периоды полураспада в пределах нескольких минут, как отдельные радионуклидные источники нейтронов не используются. Более подробно характеристики запаздывающих нейтронов описаны в § 5.3.

Второй тип получения нейтронов с помощью радионуклидных источников основан на ядерных реакциях (α,n) и (γ,n), приводящих к образованию нейтрона, когда в качестве α, γ –излучателей используются естественные или искусственные радионуклиды.

(α,n) –источники нейтроновдают нейтроны при захвате α-частицы, испускаемой α-источником, в качестве которого используют Am, Ро, Рu, Ra, мишенью из Ве, В, Li, F. Обычно источники представляют гомогенную смесь материалов излучателя и мишени и характеризуются активностью, определяемой активностью α-излучателя. Для каждого источника дается число нейтронов, испускаемых на единицу активности α-излучателя,  или, как в табл.5.2, выход нейтронов на 1 г α-излучателя. Характеристики часто используемых (α,n)-источников приведены в табл.5.2.

Таблица 5.2.

Основные характеристики (α,n)-источников нейтронов.

Мощность источников такого типа не превышает ~10⁹ с^-1 ; энергетический спектр нейтронов зависит от комбинации α-излучателя и мишени и представляет сплошное распределение в диапазоне энергий нейтронов 1-12 МэВ из-за наличия дискретных линий в спектре α-излучателя и ионизационного торможения первоначально моноэнергетических α-частиц.

Для примера на рис. 5.9 приведены энергетические спектры некоторых (α,n)-источников.

Рис. 5.9. Измеренные (сплошные кривые) и рассчитанные (пунктирные кривые) спектры нейтронов (а) и фотонов (б), испускаемых ²¹⁰Po –α –Be (слева) и

 ²³⁹Pu - α –Be (справа) источниками нейтронов.

Изменение мощности источника со временем определяется периодом полураспада α-излучателя.

Как правило, такие источники нейтронов одновременно испускают заметное фотонное излучение, обусловленное γ-квантами распада радионуклида α-излучателя и фотонами, возникающими в процессе реакции (α,n). Например, в Po-α-Be источнике на 1 испущенный нейтрон испускается 1 фотон с энергией 4,44 МэВ и фотоны с энергиями 2,9 и 7,3 МэВ с низким выходом возбужденным продуктом реакции ¹²С,  1,2·10^-5 фотонов с энергией 0,803 МэВ в результате распада ²¹⁰Ро. Сопутствующее фотонное излучение радиевого источника определяется фотонами распада радия с дочерними продуктами его распада.

 (γ,n) или фотонейтронные источникиможно создать, если облучать мишень γ-излучением радионуклида, энергия которого превосходит энергию связи нейтрона в ядре мишени. Существуют всего два ядра – это ²Н и ⁹Ве с энергиями связи нейтронов Е_св=2,23 и 1,67 МэВ, соответственно, которые можно использовать для этих целей. В качестве гамма-излучателей применяют ²⁴Na, ¹²⁴Sb, ²²⁶Ra, ²²⁸Th и т.д., энергия γ-квантов которых превышает указанные энергии связи нейтрона.

В итоге (γ,n) реакции для моноэнергетического γ-кванта с энергией Е_γ можно получить нейтроны с энергией Е, определяемой формулой:

                               Е= ·

 · ≈

                                 ≈ (Е_γ - E_св)                (5.25),

 где А- атомная масса ядра мишени, θ- угол вылета нейтрона относительно направления движения фотона; энергии в формуле подставляются в МэВ. Для многих практических задач источники нейтронов по реакции (γ,n) можно считать близкими к моноэнергетическим.

Мощность таких источников невелика и не превышает 10⁸ с^-1. Для этих нейтронных источников также характерно сопутствующее фотонное излучение, обусловленное, как правило, фотонами гамма-излучателя. В качестве примера в табл.5.3 приведены наиболее часто используемые (γ,n)-источники нейтронов. Здесь же приведены их характеристики: периоды полураспада гамма-излучателя, энергии испускаемых фотонов с их выходами на один акт распада, выходы нейтронов и их энергии.

Контрольные вопросы к § 5.2

1. Назовите виды радиоактивного распада.

2. Каковы энергетические возможности α-распада?

3. С какими энергиями испускаются α-частицы при распаде?

4. Почему при β-распаде испускаются электроны с непрерывным распределением по энергии?

5. Чем отличается позитронный распад от К-захвата?

6. В чем состоит природа внутренней конверсии?

7. Назовите природу испускания сопутствующего фотонного излучения при β-распаде?

8. Как зависит интенсивность сопутствующего тормозного излучения при β-распаде от максимальной энергии β-частиц и атомного номера материала?

9. Каков вид спектра тормозного излучения, создаваемого электронами и β-частицами?

10. Назовите основные радионуклидные источники нейтронов.

11. Назовите наиболее часто используемый источник нейтронов спонтанного деления.

12. Какие радионуклиды способны при распаде испускать нейтронное излучение?

13. Опишите конструкцию (α,n) –радионуклидного источника.

14. К какому диапазону энергий относятся нейтроны, испускаемые (α,n) – источником?

15. Чем обусловлено сопутствующее фотонное излучение в (α,n) – источниках нейтронов?

16. При каких условиях можно реализовать фотонейтронный источник?

17. Чему примерно равна энергия нейтронов, испускаемых фотонейтронным источником?

Таблица 5.3.

Характеристики (γ,n)-источников нейтронов.

^*1 Энергия и квантовый выход фотонов, на которых возможна реакция

^*2 Выход на 1 мг мишени, находящейся на расстоянии 1см от источника

фотонов активностью 3,7·10¹⁰Бк