Взаимодействие нейтронов с веществом

Характер взаимодействия нейтронов с веществом определяется свойствами ядер вещества и энергией нейтронов. Важнейшим свойством ядра является его массовое число. Ядра химических элементов можно классифицировать следующим образом: лёгкие - до 25; средние - от 25 до 80, тяжёлые - свыше 80.
Основные элементарные процессы взаимодействия нейтронов с веществом показаны на рис. 6.9. Нейтроны низких энергий (медленные, тепловые) могут испытывать упругое рассеяние (n, n), радиационный захват (n, ?), а также может происходить деление тяжёлых ядер (238U, 235U, 239Pu). Для нейтронов высоких энергий (быстрых) характерны процессы неупругого (n, n') и упругого (n, n) рассеяния, захвата с испусканием ?-квантов (n, ?), ?-частиц (n, ?), протонов (n, р), двух нейтронов (n, 2n), деления ядер (n, f). Здесь f - осколки ядер.
Для применения в информационных методах обогащения целесообразно использование медленных, тепловых нейтронов.
Основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является их взаимодействие с атомными ядрами. Это самый обширный и разнообразный класс ядерных превращений, поскольку нейтрон, не имея электрического заряда, легко сближается с ядрами атомов.

Столкновение нейтрона с ядром приводит либо к отклонению его в поле ядерных сил от первоначального направления, либо к захвату нейтрона ядром и образованию составного возбуждённого ядра. Переход ядра в более низкое энергетическое состояние может происходить путём распада с испусканием ?-частицы или (и) ?-кванта.
Вероятность того или иного процесса взаимодействия зависит от энергии нейтрона. Какая-то часть нейтронов проходит сквозь вещество без взаимодействия.
На медленных нейтронах на небольшом числе лёгких ядер наблюдается (n, ?) реакция. Например, на ядрах 10B и 6Li они имеют вид:

Для естественной смеси изотопов сечение (n, ?)-реакции для В - 754 барна, для Li - 70,4 барна. У отдельных изотопов они значительно выше: для 10B - 3843 барна, для 6Li - 945 барнов.
Для многих других химических элементов сечения этой реакции на 3-6 порядков ниже.
Наибольшее распространение при захвате нейтрона имеет реакция с испусканием гамма-излучения (и, ?) - радиационный захват:

При захвате нейтрона ядром атома образуется составное ядро. Согласно теории составного ядра ядерная реакция идёт в два этапа. На первом этапе образуется промежуточное (составное) ядро за ядерное время (время пересечения нейтроном ядра 10в-23 - 10в-21 с). Составное ядро всегда находится в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой в ядро нейтроном. На втором этапе избыточная энергия распределяется между нуклонами ядра и происходит распад составного ядра с испусканием гамма-кванта, а ядро возвращается в основное состояние.
Радиационный захват нейтрона протекает при любой энергии и на любом ядре. Вероятность радиационного захвата увеличивается с убыванием скорости нейтронов. Для медленных и особенно тепловых нейтронов с энергией 0,1/10 эВ сечение радиационного захвата является наибольшим. Это область резонансного поглощения нейтронов ядрами некоторых элементов. Увеличение сечения (n, ?)-реакции наблюдается также при переходе от лёгких к тяжёлым элементам.
Время жизни составного ядра, возникшего при радиационном захвате, составляет 10в-14 с. Это время соответствует испусканию гамма-кванта. Интенсивность и энергия гамма-излучения (и, ?)-реакции являются специфическими для каждого элемента свойствами, что может быть использовано для измерения содержаний элементов.
Метод измерения содержаний элементов, основанный на использовании различий разделяемых компонентов полезных ископаемых в интенсивности линий ?-квантов радиационного захвата нейтрона, называется нейтроннорадиационным.
Теоретически метод может быть использован для элементов с сечением радиационного захвата более 1 барна. Это руды Ni, Cu, Zn, Zr, Cr, Fe, Mn, V, Ag, Au, W и др., однако практического применения метод к настоящему времени пока не имеет.
В ряде (n, ?)-реакций конечное ядро является стабильным изотопом облучаемого ядра, а возникающее гамма-излучение - единственным продуктом ядерной реакции.
В других случаях радиационный захват нейтронов ядрами приводит к образованию нестабильных (радиоактивных) изотопов. Это явление называется искусственной радиоактивностью, а способ её образования - активацией. Образующиеся при этом радиоактивные изотопы отличаются по виду и энергии излучения, периоду полураспада и другим свойствам. Обычно эти изотопы излучают гамма-кванты, электроны или позитроны. При этом интенсивность наведённой радиоактивности зависит от сечения активации и содержания элемента в облучаемом веществе.
Метод измерения, основанный на использовании различий разделяемых компонентов полезных ископаемых в интенсивности наведённого излучения, называется нейтронно-активационным.
Наибольшее практическое применение в аналитике нашёл активационный анализ на тепловых нейтронах. Возникающие в результате активации радиоактивные изотопы испускают потоки гамма- и бета-излучений с характерными для активированных изотопов энергиями. При активации на тепловых нейтронах наиболее вероятна ядерная реакция с испусканием гамма-излучения и с образованием изотопа того же элемента. Этот метод анализа весьма чувствительный и селективный, им можно определять до 70 элементов. Для определения лёгких элементов наиболее благоприятно использование быстрых нейтронов, обладающих более высокими энергиями, с образованием потоков протонов, ?-частиц или нейтронов.
К достоинствам метода относят высокую чувствительность (при использовании мощных потоков нейтронов возможно, например, определение золота на кларковом уровне, весьма малых содержаний редких и рассеянных элементов), возможность одновременного определения нескольких элементов в одной навеске (образце), применимость метода для анализа малых количеств вещества. Недостатки метода: значительная продолжительность анализа, поскольку каждая из необходимых для анализа операций (активация, остывание, измерение наведённой активности) требует некоторого (подчас значительного) времени; высокая радиационная опасность, как за счёт первичных нейтронных потоков, так и за счёт вторичных, активированных в продуктах излучений. Во многих случаях при больших значениях периода полураспада наведённая радиоактивность в руде может сохраняться часы, сутки, месяцы, годы, то есть руда надолго становится источником радиоактивных излучений. Так, у изотопа 51Cr период полураспада составляет 27,8 дня.
Нейтронно-активационный метод используется для руд, горных пород и продуктов обогащения для аналитических целей, в том числе и для определения в порошковых пробах содержаний микропримесей (в этом случае для активации используются нейтронные исследовательские каналы атомных реакторов, а в прочих случаях применяют ионные и электронные ускорители, генераторы нейтронов и радионуклиды), а также для определения состава природных сред (в скважинах).
В практике геолого-разведочных работ данный метод нашёл применение в скважинном каротаже и оказался полезным при разведке месторождений топлива (уголь, нефть), чёрных металлов (марганец), цветных металлов (алюминий, медь), нерудного сырья (флюорит, фосфорит, пьезокварц). Каротаж скважины занимает несколько часов, как в непрерывном так и в дискретном режиме.
Продолжительность измерений при нейтронно-активационном анализе не согласуется с требованиями к быстродействию процессов мелкопорционной сортировки и покусковой сепарации, которые должны протекать в реальном времени. Для них требуемое суммарное время на обработку каждого куска и каждой порции должно составлять доли секунды, а нейтронно-активационный анализ многооперационен и продолжителен, его длительность значительно превосходит допустимые пределы. В этом основная причина отсутствия сепараторов с использованием нейтронно-активационного анализа и, следовательно, невозможности реализации нейтронно-активационного метода обогащения на современном уровне развития техники.
Для отдельных руд в перспективе этот метод может быть применён для крупнопорционной сортировки в транспортных ёмкостях.
Крупнопорционная сортировка, в отличие от сепарации, не позволяет получать продукты обогащения (концентрат, хвосты). С её помощью горную массу разделяют на богатую, рядовую, бедную и забалансовую руды.
При взаимодействии тепловых нейтронов с веществом какая-то часть их рассеивается, часть захватывается ядрами атомов, а какое-то количество нейтронов проходит через вещество. Медленные нейтроны тоже частично рассеиваются и захватываются, частично замедляются до тепловых энергий, а остальная часть проходит через вещество. В результате всех этих процессов первоначальный поток нейтронов ослабляется. Закон ослабления имеет вид:

где Ф0 - плотность первичного потока нейтронов; Ф - плотность потока нейтронов после прохождения слоя толщиной х; ?п - полное сечение взаимодействия нейтронов; NА - число Авогадро (физическая константа, численно равная количеству специализированных структурных единиц (атомов, молекул, ионов или любых других частиц) в 1 моле вещества, Na = 6,022*10в23 моль-1).
Сечения различных взаимодействий нейтронов с химическими элементами приведены в табл. 6.4.

Степень ослабления первичного потока зависит от ядерных свойств элементов и содержания данных элементов в облучаемом объёме. Метод измерения, основанный на различии в ослаблении потока нейтронов разделяемыми компонентами полезных ископаемых, называют нейтронно-абсорбционным или нейтрон-нейтронным. Признаком разделения при этом методе является плотность потока нейтронов, прошедших сквозь подвергаемый облучению объём полезного ископаемого. Этот метод реализуем при большом различии в значениях сечений захвата нейтронов ядрами разделяемых элементов.
Анализ табл. 6.4 показывает, что нейтронно-активационный метод измерения целесообразно применять для руд, содержащих калий, хром, марганец, железо, никель, медь, цинк, серебро, золото и редкие элементы; нейтронно-абсорбционный - для руд, содержащих бор, литий, кадмий и редкоземельные элементы; нейтронно-радиационный - для руд, содержащих калий, ванадий, хром, марганец, железо, никель, медь, серебро, золото и другие.
К настоящему времени нейтронные методы сепарации широкого распространения не получили. Исключением является применение нейтронноабсорбционной сепарации для обогащения борсодержащих руд.