Дозиметрия нейтронов. Методы регистрации нейтронов. Активационный метод

Раздел 14.

Дозиметрия нейтронов.

 Особенности дозиметрии нейтронов. Дозы, создаваемые в биологической ткани тепловыми и быстрыми нейтронами. Методы регистрации нейтронов. Измерение плотности потока нейтронов (сцинтилляционный, ионизационный, активационный методы). Трековые детекторы. Методы дозиметрии нейтронов в смешанном поле гамма- и нейтронного излучения. Средства нейтронной дозиметрии.

Тканевая доза нейтронов обусловлена поглощенной энергией вторичного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов с тканью организма. Значимость тех или иных процессов взаимодействия нейтронов с тканью организма определяется  составом ткани. Примерный химический состав ткани приведен в таблице 14.1.

Таблица 14.1. Химический состав биологической ткани.

Для живой ткани характерно, что она состоит в основном из легких элементов. Самый легкий – водород – по числу атомов занимает первое место среди всех элементов ткани. Преобладание того или иного процессов взаимодействия нейтронов с веществом определенного химического состава полностью определяется энергией нейтронов. (см. Раздел 4.) из всех процессов взаимодействия деление тяжелых ядер под действием нейтронов не характерно для ткани и может наблюдаться лишь при наличии инкорпорированных делящихся веществ, таких, как уран, торий, плутоний и т.п. остальные процессы могут происходить при взаимодействии нейтронов с тканью, хотя роль их будет различной в зависимости от энергии нейтронов.

Рассмотрим поглощенную в ткани дозу нейтронов различных энергетических групп.

Медленные нейтроны с энергиями от тепловых до 1 кэВ. Для легких ядер основным видом взаимодействия этой группы нейтронов является упругое рассеяние. Из указанных выше элементов, взаимодействие с которыми медленных нейтронов приводит к расщеплению ядер с вылетом заряженных частиц, для ткани имеет значение только ¹⁴N. Следовательно, преобразование энергии медленных нейтронов в живой ткани происходит в результате упругого рассеяния и через реакцию ¹⁴N(n, p)¹⁴C. Ядра отдачи, возникающие в ткани при упругом рассеянии медленных нейтронов, в большинстве своем обладают энергией, недостаточной для ионизации, и их вклад в биологический эффект предполагается незначительным.

Рассеяние приводит к быстрому замедлению нейтронов до тепловых энергий. Тепловые нейтроны, которые образовались в результате замедления более высокоэнергетических нейтронов или попали в ткань извне, захватываются ядрами элементов ткани с образованием новых изотоп. Из всех реакций, протекающих при взаимодействии тепловых нейтронов с элементами ткани, наибольшее значение имеют две: радиационный захват ядрами водорода ¹H(n, γ)²H и уже упомянутая реакция  ¹⁴N(n,p)¹⁴C, вероятность которой для тепловых нейтронов значительно выше, чем для нейтронов высоких энергий. Возникающие при радиационном захвате γ-кванты с энергией 2,23 МэВ, взаимодействуя с тканью, дают существенный вклад в дозу. В реакции на азоте образуются протоны с энергией 0,62 МэВ и радиоактивный углерод ¹⁴С. Протоны имеют в ткани малый пробег и практически поглощаются в месте своего возникновения. Радиоактивный углерод ¹⁴С распадается с вылетом β-частиц, обладающих средней энергией 0,05 МэВ. Вклад в дозу распада ¹⁴С пренебрежимо мал.

Помимо указанных основных реакций, характерных для взаимодействия тепловых нейтронов с ядрами азота и водорода, идут реакции и на других элементах, входящих в состав ткани. Среди них можно назвать радиационный захват ¹⁴N(n, γ)¹⁵N, сопровождающийся испусканием γ-квантов с энергией около 0,73 МэВ, реакцию ³¹P(n, γ)³²P и др. Эти дополнительные реакции могут несколько увеличить дозу в тех тканях организма, где имеется повышенное содержание элемента, на ядрах которого возможна реакция захвата нейтрона. Так, реакция на фосфоре увеличивает дозу в костной ткани. В целом дополнительные реакции ненамного увеличивают дозу, обусловленную основными реакциями на водороде и азоте. Весьма незначительную роль играют также радионуклиды, образующиеся в ткани под действием нейтронов.

Распределение поглощенной энергии между γ-излучением и протонами, образующимися в реакции на азоте, таково, что доза, обусловленная γ-излучением, примерно в  20 раз больше дозы, вызванной протонами.

Быстрые нейтроны. Основной процесс, определяющий поглощение энергии быстрых