Нейтроны. Основные свойства. Взаимодействие нейтронов с веществом. Тканевая и эквивалентная дозы нейтронов, страница 4

Средняя энергия Е _ср., переданная нейтроном ядру отдачи при одном столкновении (рассеяние нейтронов изотропно в системе центра масс нейтрон- ядро), равна

Е _ср.= (2А/(1+А)²)*Е₀.                                    (3,1а)

После ряда упругих столкновений первичных моноэнергетических нейтронов они преобразуются в непрерывный спектр. Приближенное значение средней энергии нейтронов после n столкновений можно выразить следующей формулой:

Е _{ср. n}= E₀  e^-nx                                     (3,1б)

где x= 1+((А-1)²/2А)ln(А-1/А+1) – логарифмический декремент затухания;

Е₀- начальная кинетическая энергия нейтрона;

А - атомная масса рассеивающего элемента.

Вероятность того или иного вида взаимодействия нейтронов с тканью определяется ее химическим составом и энергией нейтронов. В состав тела человека входят 96% водорода, углерода, азота и кислорода. Остальные 4% составляют Mg, Na, P, S, Cl, K, Ca и др.

Основным процессом взаимодействия быстрых нейтронов (0,5-10 Мэв) с тканью является упругое рассеяние быстрых нейтронов на ядрах водорода, углерода, азота и кислорода. При этом вклад в поглощенную энергию от протонов отдачи составляет 70-80% всей поглощенной энергии быстрых нейтронов. Это связано не только с большим содержанием водорода в ткани, но и с большим эффективным сечением рассеяния и наибольшей передачей энергии в акте рассеяния ( в среднем Еср.р= 0,5 Еn), чем у других элементов, входящих в состав ткани.

Для медленных нейтронов основным актом взаимодействия также является упругое рассеяние, но образующиеся при этом ядра отдачи получают энергию, недостаточную для ионизации, и их вкладом в биологический эффект обычно пренебрегают.

Упругое рассеяние приводит к быстрой термализации медленных нейтронов.

Из всех ядерных реакций, происходящих в ткани, существенными считаются реакции медленных и тепловых нейтронов на ядрах азота N¹⁴( n, p)C¹⁴ с выходом протонов с энергией 0,62 МэВ и реакция радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами водорода Н¹(n, g)D² с испусканием g- квантов с энергией 2,23 МэВ. g- Кванты дают существенный вклад в дозу, оценка которого усложняется многократным рассеянием g- квантов в ткани.

Нейтроны промежуточных энергий до 200 кэВ испытывают упругое рассеяние, создавая протоны и ядра отдачи углерода, кислорода и азота, способные производить ионизацию. Некоторый вклад дают реакции захвата замедлившихся нейтронов. Относительно небольшой вклад дает резонансное поглощение нейтронов в области больших резонансных сечений взаимодействия и углеродом.

        3.2.Тканевая и эквивалентная дозы нейтронов.

Под тканевой дозой нейтронов D_тк понимается суммарная доза , создаваемая всеми видами вторичного излучения ( протонами отдачи D_р , ядрами отдачи D_я , ионизирующими частицами, возникающими в ядерных реакциях, D_част, и γ- квантами, возникающими при захвате нейтронов, D_γ ) :

D_тк = D_р + D_я + D_част + D_γ.                              (3,2а)

Так как различные виды излучения имеют разные коэффициенты качества, то эквивалентная доза D_экв равна

D_экв= D_р(КК)_р + D_я(КК)_я + D_част(КК)_част + D_γ(КК)_γ  бэр.  (3,2б)

Поскольку вклад в тканевую дозу того или оного вида вторичного излучения изменяется с энергией нейтронов, то зависимость эквивалентной дозы, выраженной в бэрах, от энергии нейтронов отличается от энергетической зависимости тканевой дозы, выраженной в радах.

Степень воздействия нейтронов при профессиональном облучении характеризуется максимальной эквивалентной дозой в теле человека.

3.3 Ионизирующее действие быстрых нейтронов.

Нейтронное излучение имеет специфические особенности по сравнению с γ- излучением.

Методика измерения ионизирующего действия нейтронных потоков основана на использовании энергии ядер отдачи, получающихся в результата упругого рассеяния нейтронов.

Ионизационные измерения потока быстрых нейтронов могут производиться большими, средними и малыми ионизационными камерами.