Neytron nurlanishi

Neytron fizikasi - fizikaning neytronlar xossalari (massasi, radioaktiv yemirilishi, magnit xossalari va h. k.) va ular bilan bogʻliq boʻlgan turli jarayonlarni oʻrganadigan boʻlimi. Neytron fizikasi neytron kashf qilingandan soʻng (1932) uning xossalarini oʻrganish asosida vujudga keldi va rivojlandi. Sovuq va issiq neytronlar bilan oʻtkazilgan tajribalarda ularning toʻlqin xususiyatlari namoyon boʻlib, koʻpgina optik hodi-salar kashf qilindi. Bunday neytronlar xossalari optika usullari va asboblari yordamida oʻrganiladi. Issiq neytronning moddada yutilishi katta boʻlganidan ularning har xil modsalar bilan oʻzaro taʼsiri natijasida elastik sochilish hodisasi va radiatsion tutuv (p, u) kabi ekzotermik reaksiyalar ke-tishi mumkin. Neytronlar taʼsirida yad-rolarning, ayniqsa, ogʻir yadrolarning boʻlinishi va boʻlinishning zanjirli reaksiyasi kabi muhim yadro reaksiyalari vujudga keladi. Bunday reaksiyalarning ketishi ham neytronlar energiyasiga bogʻliq. Ana shunday boglanishlar harakterini va ulardan foydalanish yoʻllarini (Mas, yadro texnikasida) Neytron fizikasi oʻrganadi va aniklaydi.

Yuqori energiyali neytronlarning modda atomlari bilan oʻzaro taʼsiri yadro reaksiyalariga olib keladi. Bu jarayonlar murakkab boʻlib, ularni oʻrganishda maxsus asbob va usullar zarur. Oʻta yuqori energiyali (relyativistik) neytronlar kosmik nurlar tarkibiga ki-radigan zarralardan hisoblanadi. Bunday neitronlarni (ularning oqimini) aniklash, oʻrganish va katta energiyali boshqa zarralarga taqqoslashga, ney-tronlarning yangidan-yangi harakteri-stikalari (kvant sonlari, oʻlchash usullari, tuzilishi va boshqalar)ni bilishga im-kon beradi. Bu ishlar ham Neytron fizikasida qaraladigan muhim masalalardan biridir.

Tadqiqot ishlarini bajarishda neytron manbalari bilan bir qatorda oʻlchash usullari, qurilma va asboblari (spektrometrlar, indikatorlar, filtrlar, monoxromatorlar va boshqalar)ni ishlab chiqish bilan bogʻliq boʻlgan turli masalalarni hal etish ham Neytron fizikasidagi asosiy masalalar hisoblanadi. 

Neytron nurlanishi erkin neytronlar sifatida namoyon boʻladigan ionlashtiruvchi nurlanishning bir shaklidir. Odatiy hodisalar yadro boʻlinishi yoki yadro sintezi boʻlib, erkin neytronlarning ajralib chiqishiga olib keladi, keyinchalik ular yangi nuklidlarni hosil qilish uchun boshqa atomlarning yadrolari bilan reaksiyaga kirishadi, bu esa oʻz navbatida neytron nurlanishini qoʻzgʻatishi mumkin. Erkin neytronlar beqaror boʻlib, protonga, elektronga va elektron antineytrinoga aylanadi. Erkin neytronlarning oʻrtacha ishlash muddati 887 soniya (14 daqiqa, 47 soniya). ^[1]

Neytron nurlanishi alfa, beta va gamma nurlanishidan farq qiladi.

Neytronlar yadroviy termoyadroviy yoki yadroviy boʻlinishdan yoki radioaktiv parchalanish yoki zarrachalarning kosmik nurlar bilan oʻzaro taʼsiri yoki zarracha tezlatgichlari kabi boshqa yadro reaktsiyalaridan chiqarilishi mumkin. Katta neytron manbalari kamdan-kam uchraydi va odatda yadro reaktorlari yoki zarracha tezlatgichlari kabi katta oʻlchamli qurilmalar, jumladan Spallation neytron manbai bilan cheklangan.

Neytron nurlanishi Beriliy yadrosi bilan toʻqnashgan alfa zarrachasini kuzatish natijasida aniqlangan, u Be ( a, n ) C neytronini chiqaradigan holda uglerod yadrosiga aylantirilgan. Alfa zarracha emitenti va katta ( a, n ) yadro reaktsiyasi ehtimoli boʻlgan izotopning kombinatsiyasi hali ham keng tarqalgan neytron manbai hisoblanadi.

Yadro reaktorlaridagi neytronlar energiyasiga qarab, odatda , sekin (termik) neytronlar yoki tez neytronlar deb tasniflanadi. Issiqlik neytronlari energiya taqsimotida ( Maksvell-Boltzman taqsimoti ) termodinamik muvozanatdagi gazga oʻxshash; lekin atom yadrolari tomonidan osonlik bilan qoʻlga olinadi va elementlarning yadro oʻzgarishiga duchor boʻlgan asosiy vositadir.

Samarali boʻlinish zanjiri reaktsiyasiga erishish uchun boʻlinish paytida hosil boʻlgan neytronlarni parchalanadigan yadrolar ushlab turishi kerak, keyinchalik ular boʻlinadi va koʻproq neytronlarni chiqaradi. Koʻpgina boʻlinish reaktorlari konstruktsiyalarida yadro yoqilgʻisi yuqori energiyali neytronlarning pastki kesimi tufayli zanjir reaktsiyasini davom ettirish uchun etarlicha tez neytronlarni oʻzlashtirish uchun etarlicha tozalanmagan, shuning uchun tez neytronlarni sekinlashtirish uchun neytron moderatorini kiritish kerak. yetarlicha so‘rilishini taʼminlash uchun termal tezliklarga. Umumiy neytron moderatorlariga grafit, oddiy (engil) suv va ogʻir suv kiradi. Bir nechta reaktorlar ( tezkor neytron reaktorlari ) va barcha yadroviy qurollar tez neytronlarga tayanadi.

Kosmogen neytronlar, Yer atmosferasida yoki yuzasida kosmik nurlanish natijasida hosil boʻlgan neytronlar va zarracha tezlatgichlarida hosil boʻlganlar reaktorlarda uchraydigan energiyadan sezilarli darajada yuqori boʻlishi mumkin. Ularning aksariyati yerga yetib borishdan oldin yadroni faollashtiradi; bir nechtasi havodagi yadrolar bilan reaksiyaga kirishadi. Azot-14 bilan reaktsiyalar uglerod-14 ( ¹⁴ C) hosil boʻlishiga olib keladi, radiokarbonlarni aniqlashda keng qoʻllanadi.

Sovuq, termal va issiq neytron nurlanishi kristallografiya, kondensatsiyalangan moddalar fizikasi, biologiya, qattiq jismlar kimyosi, materialshunoslik, geologiya, mineralogiya va tegishli fanlarda materiallarning xossalari va tuzilishini baholash uchun tarqalish va diffraktsiya tajribalarida keng qoʻllanadi. Neytron nurlanishi, shuningdek, hujayra tuzilishiga yuqori darajada kirib boradigan va zarar etkazuvchi tabiati tufayli saraton oʻsmalarini davolash uchun Bor neytronini ushlab turish terapiyasida ham qoʻllanadi. Neytronlar plyonkadan foydalanganda neytron rentgenografiyasi deb ataladigan sanoat qismlarini tasvirlash uchun ham ishlatilishi mumkin, raqamli tasvirni olishda neytron radioskopiyasi, masalan, tasvir plitalari orqali va uch oʻlchamli tasvirlar uchun neytron tomografiyasi. Neytron tasviri odatda yadro sanoatida, kosmik va aerokosmik sanoatda, shuningdek, yuqori ishonchlilikdagi portlovchi moddalar sanoatida qoʻllanadi.

Neytron nurlanishi koʻpincha bilvosita ionlashtiruvchi nurlanish deb ataladi. Proton va elektron kabi zaryadlangan zarralar (elektronni qoʻzgʻatuvchi) kabi atomlarni ionlashtirmaydi, chunki neytronlarda zaryad yoʻq. Biroq, neytronlarning oʻzaro taʼsiri asosan ionlashtiruvchidir, masalan, neytronlarning yutilishi gamma emissiyasiga olib kelganda va gamma nurlari (foton) keyinchalik atomdan elektronni olib tashlaganda yoki neytron taʼsiridan qaytgan yadro ionlangan boʻlsa va boshqalarida anʼanaviy keyingi ionlanishni keltirib chiqaradi. atomlar. Neytronlar zaryadsiz boʻlganligi sababli, ular alfa nurlanishi yoki beta nurlanishidan koʻra koʻproq kirib boradi. Baʼzi hollarda ular yuqori atom raqami boʻlgan materiallarga toʻsqinlik qiladigan gamma nurlanishiga qaraganda koʻproq kirib boradi. Vodorod kabi past atom raqamiga ega materiallarda past energiyali gamma nurlari yuqori energiyali neytronga qaraganda koʻproq kirib borishi mumkin.

Salomatlik fizikasida neytron nurlanishi radiatsiyaviy xavfning bir turi hisoblanadi. Neytron nurlanishining yana bir jiddiy xavfi bu neytronlarning faollashishi, neytron nurlanishining koʻpgina moddalarda, shu jumladan tana toʻqimalarida radioaktivlikni keltirib chiqarish qobiliyati. ^[2] Bu atom yadrolari tomonidan neytronlarni ushlab turish orqali sodir boʻladi, ular boshqa nuklidga, koʻpincha radionuklidga aylanadi. Bu jarayon yadroviy qurolning portlashi natijasida chiqarilgan radioaktiv moddalarning katta qismini tashkil qiladi. Bu, shuningdek, yadroviy parchalanish va yadroviy termoyadroviy qurilmalarda muammodir, chunki u asta-sekin uskunani radioaktiv holga keltiradi, shuning uchun oxir-oqibat uni almashtirish va past darajadagi radioaktiv chiqindilar sifatida yoʻq qilish kerak.

Neytron nurlanishidan himoya qilish radiatsiya himoyasiga tayanadi. Neytronlarning kinetik energiyasi yuqori boʻlganligi sababli, bu nurlanish tashqi nurlanish manbalari taʼsirida butun tanaga eng ogʻir va xavfli nurlanish hisoblanadi. Fotonlar yoki zaryadlangan zarrachalarga asoslangan anʼanaviy ionlashtiruvchi nurlanish bilan solishtirganda, neytronlar engil yadrolar tomonidan qayta-qayta chayqaladi va sekinlashadi (soʻriladi), shuning uchun vodorodga boy material temir yadrolarga qaraganda samaraliroq himoya qiladi. Yengil atomlar neytronlarni elastik sochilish orqali sekinlashtirishga xizmat qiladi, shuning uchun ular yadroviy reaktsiyalar tomonidan soʻriladi. Biroq, bunday reaktsiyalarda koʻpincha gamma-nurlanish hosil boʻladi, shuning uchun uni oʻzlashtirish uchun qoʻshimcha himoya qilish kerak. Yadrolari boʻlinish yoki neytron tutilishi natijasida yadrolarning radioaktiv parchalanishiga olib keladigan va gamma nurlarini keltirib chiqaradigan materiallardan foydalanishdan ehtiyot boʻlish kerak.

Neytronlar koʻpgina materiallardan osongina oʻtadi va shuning uchun maʼlum miqdordagi nurlanishdan soʻrilgan doz ( kulrang rangda oʻlchanadi) past boʻladi, lekin biologik zararga olib keladigan darajada oʻzaro taʼsir qiladi. Eng samarali himoya qiluvchi materiallar suv yoki polietilen yoki kerosin mumi kabi uglevodorodlardir. Suvga choʻzilgan polyester (WEP) vodorodning yuqori miqdori va yongʻinga chidamliligi tufayli qattiq muhitda himoya devori sifatida samarali boʻlib, uni yadro, sogʻliqni saqlash fizikasi va mudofaa sanoatida qoʻllash imkonini beradi. ^[3] Vodorodga asoslangan materiallar himoya qilish uchun javob beradi, chunki ular radiatsiyaga qarshi toʻgʻri toʻsiqdir. ^[4]

Beton (juda koʻp miqdordagi suv molekulalari tsement bilan kimyoviy bogʻlangan) va shagʻal gamma nurlari va neytronlarning birgalikda himoyalanganligi tufayli arzon eritmani taʼminlaydi. Bor, shuningdek, neytronlarni mukammal yutuvchidir (shuningdek, neytronlarning tarqalishini ham boshdan kechiradi). Bor uglerod yoki geliyga parchalanadi va bor karbid bilan deyarli hech qanday gamma-nurlanish hosil qilmaydi, bu qalqon boʻlib, beton juda qimmat boʻlishi mumkin. Savdoda suv yoki mazut, beton, shagʻal va B ₄ C tanklari koʻp miqdorda neytron oqimi boʻlgan hududlarni, masalan, yadroviy reaktorlarni oʻrab turgan umumiy qalqonlardir. Bor bilan singdirilgan silika oynasi, standart borosilikat oynasi, yuqori borli poʻlat, kerosin va pleksiglasdan foydalanish joylari mavjud.

Vodorod yadrosiga ( proton yoki deytron ) urilgan neytronlar oʻsha yadroga energiya bergani uchun ular oʻz navbatida kimyoviy bogʻlanishlarini buzadi va toʻxtamasdan oldin qisqa masofani bosib oʻtadi. Bunday vodorod yadrolari yuqori chiziqli energiya uzatish zarralari boʻlib, oʻz navbatida ular orqali oʻtadigan materialning ionlanishi bilan toʻxtatiladi. Shunday qilib, tirik toʻqimalarda neytronlar nisbatan yuqori nisbiy biologik samaradorlikka ega va ekvivalent energiya taʼsirining gamma yoki beta nurlanishi bilan solishtirganda biologik zarar etkazishda taxminan oʻn barobar samaraliroqdir. Bu neytronlar hujayralarning funksionalligini oʻzgartirishi yoki koʻpayishni butunlay toʻxtatishi mumkin, bu esa vaqt oʻtishi bilan tanaga zarar etkazishi mumkin. ^[5] Neytronlar, ayniqsa, koʻzning shox pardasi kabi yumshoq toʻqimalarga zarar etkazadi.

Yuqori energiyali neytronlar vaqt oʻtishi bilan materiallarga zarar etkazadi va buzadi; Materiallarni neytronlar bilan bombardimon qilish toʻqnashuv kaskadlarini yaratadi, ular materialda nuqta nuqsonlari va dislokatsiyalarni keltirib chiqaradi, ularning yaratilishi radiatsiya taʼsiriga uchragan materiallarda vaqt oʻtishi bilan sodir boʻladigan mikrostruktura oʻzgarishlarining asosiy omili hisoblanadi. Yuqori neytron oqimlarida bu metallar va boshqa materiallarning moʻrtlashishiga va ularning baʼzilarida neytron taʼsirida shish paydo boʻlishiga olib kelishi mumkin. Bu yadroviy reaktor kemalari uchun muammo tugʻdiradi va ularning ishlash muddatini sezilarli darajada cheklaydi (bu kemaning boshqariladigan tavlanishi, oʻrnatilgan dislokatsiyalar sonini kamaytirish orqali biroz uzaytirilishi mumkin). Grafit neytron moderator bloklari Wigner effekti deb nomlanuvchi ushbu taʼsirga ayniqsa sezgir va vaqti-vaqti bilan tavlanishi kerak. Windscale yongʻinga bunday tavlanish operatsiyasi vaqtidagi baxtsiz hodisa sabab boʻlgan.

Materiallarning radiatsiyaviy shikastlanishi energetik zarrachaning (neytron yoki boshqa) materialdagi panjara atomi bilan oʻzaro taʼsiri natijasida yuzaga keladi. Toʻqnashuv kinetik energiyaning katak atomiga katta oʻtkazilishiga olib keladi, u oʻzining panjara joyidan siqib chiqarilib, asosiy zarba atomi (PKA) deb nomlanadi. PKA boshqa panjara atomlari bilan oʻralganligi sababli, uning siljishi va panjara orqali oʻtishi koʻplab keyingi toʻqnashuvlarga va qoʻshimcha zarba beruvchi atomlarning yaratilishiga olib keladi, bu esa toʻqnashuv kaskadi yoki siljish kaskadi deb ataladi. Toʻqnashuv atomlari har bir toʻqnashuvda energiyani yoʻqotadi va interstitsial sifatida tugaydi va panjarada bir qator Frenkel nuqsonlarini hosil qiladi. Issiqlik, shuningdek, toʻqnashuv natijasida (elektron energiya yoʻqolishidan) hosil boʻladi, ehtimol oʻzgargan atomlar. Zararning kattaligi shundan iboratki, bitta 1 MeV neytron temir panjarada PKA hosil qiladi, taxminan 1100 Frenkel juftini hosil qiladi. ^[6] Butun kaskad hodisasi 1 × 10 ^-13 soniya vaqt oralig'ida sodir bo'ladi va shuning uchun hodisani faqat kompyuter simulyatsiyalarida "kuzatish" mumkin. ^[7]

Toʻqnashuv atomlari muvozanat boʻlmagan oraliq panjara pozitsiyalarida tugaydi, ularning koʻplari qoʻshni boʻsh panjara joylariga tarqalish orqali oʻzlarini yoʻq qiladi va tartiblangan panjarani tiklaydi. Boʻsh ish oʻrinlarini tark etmaydigan yoki qoldirishi mumkin boʻlmaganlar, bu boʻsh joy kontsentratsiyasining muvozanat konsentratsiyasidan ancha yuqori boʻlgan mahalliy oʻsishiga olib keladi. Bu vakansiyalar termal diffuziya natijasida koʻchib oʻtishga moyildir  boʻsh joy choʻkmalari tomon (yaʼni, don chegaralari, dislokatsiyalar ) lekin ancha vaqt davomida mavjud boʻlib, bu vaqt davomida qoʻshimcha yuqori energiyali zarralar panjarani bombardimon qilib, toʻqnashuv kaskadlarini va qoʻshimcha boʻsh oʻrinlarni hosil qilib, choʻkmalar tomon koʻchib oʻtadi. Panjaradagi nurlanishning asosiy taʼsiri, nuqson shamoli deb ataladigan narsada lavabolarga nuqsonlarning sezilarli va doimiy oqimidir. Boʻsh oʻrinlar bir-biri bilan qoʻshilib dislokatsiya halqalarini, keyinroq esa panjara boʻshliqlarini hosil qilish orqali ham yoʻq boʻlib ketishi mumkin. ^[6]

Toʻqnashuv kaskadi materialda maʼlum bir harorat uchun muvozanatdan koʻra koʻproq vakansiyalar va interstitsiallarni yaratadi va buning natijasida materialdagi diffuzivlik keskin ortadi. Bu vaqt oʻtishi bilan materialning mikro strukturaviy evolyutsiyasiga olib keladigan radiatsiyaviy diffuziya deb ataladigan taʼsirga olib keladi. Mikrostrukturaning evolyutsiyasiga olib keladigan mexanizmlar juda koʻp, ular harorat, oqim va oqimga qarab farq qilishi mumkin va keng qamrovli oʻrganish mavzusidir. ^[8]

• Radiatsiya ta'sirida ajralish yuqorida aytib o'tilgan bo'sh o'rinlarni lavabolarga oqimidan kelib chiqadi, bu esa lavabolardan uzoqda joylashgan panjara atomlarining oqimini nazarda tutadi; lekin qotishma materialda qotishma tarkibiga bir xil nisbatda bo'lishi shart emas. Shuning uchun bu oqimlar lavabolar yaqinida qotishma elementlarning kamayishiga olib kelishi mumkin. Kaskad tomonidan kiritilgan interstitsiallar oqimi uchun ta'sir teskari bo'ladi: interstitsiallar lavabolar tomon tarqaladi, bu esa cho'milish yaqinidagi qotishma boyilishiga olib keladi. ^[6]
• Dislokatsiya halqalari, agar bo'sh o'rinlar panjara tekisligida klasterlar hosil qilsa, hosil bo'ladi. Agar bu vakansiya kontsentratsiyasi uch o'lchovda kengaysa, bo'shliq hosil bo'ladi. Ta'rifga ko'ra, bo'shliqlar vakuum ostida, ammo alfa-zarracha nurlanishi (geliy) yoki gaz transmutatsiya reaktsiyalari natijasida hosil bo'lgan taqdirda gaz bilan to'ldirilgan bo'lishi mumkin. Keyin bo'shliq qabariq deb ataladi va radiatsiya ta'siriga duchor bo'lgan qismlarning o'lchovli beqarorligiga (neytron ta'sirida shish paydo bo'lishiga) olib keladi. Shishish, ayniqsa, zanglamaydigan po'latdan yasalgan reaktor komponentlarida uzoq muddatli dizayn muammosini keltirib chiqaradi. ^[9] Kristallografik izotropiyaga ega bo'lgan qotishmalar, masalan, Zirkaloylar dislokatsiya halqalarini hosil qiladi, ammo bo'shliq hosil bo'lmaydi. Buning o'rniga, ilmoqlar ma'lum bir panjara tekisliklarida hosil bo'ladi va nurlanish ta'sirida o'sishga olib kelishi mumkin, bu shishishdan farq qiladigan hodisa, lekin bu qotishmada sezilarli o'lchamli o'zgarishlarga olib kelishi mumkin. ^[10]
• Materiallarning nurlanishi, shuningdek, materialda fazaviy o'zgarishlarni keltirib chiqarishi mumkin: qattiq eritma bo'lsa, eruvchan moddalarning boyitishi yoki cho'kishda radiatsiya ta'sirida ajratilishi materialda yangi fazalarning cho'kishiga olib kelishi mumkin. ^[11]

Ushbu mexanizmlarning mexanik taʼsiriga nurlanishning qattiqlashishi, moʻrtlashuv, oʻrmalash va atrof-muhit taʼsirida yorilish kiradi. Materialda nurlanish natijasida hosil boʻlgan nuqsonlar, dislokatsiya halqalari, boʻshliqlar, pufakchalar va choʻkmalar materialning mustahkamlanishi va moʻrtlashishiga ( egiluvchanlikni yoʻqotish) yordam beradi. ^[12] Moʻrtlashuv reaktor bosimli idishni oʻz ichiga olgan material uchun alohida tashvish tugʻdiradi, buning natijasida idishni sindirish uchun zarur boʻlgan energiya sezilarli darajada kamayadi. Kamchiliklarni yoʻq qilish orqali egiluvchanlikni tiklash mumkin va yadroviy reaktorlarning umrini uzaytirishning koʻp qismi buni xavfsiz bajarish qobiliyatiga bogʻliq. Nurlangan materiallarda oʻrmalanish ham sezilarli darajada tezlashadi, garchi kuchaygan diffuzivlik natijasida emas, balki panjara kuchlanishi va rivojlanayotgan mikro tuzilma oʻrtasidagi oʻzaro taʼsir natijasida. Atrof-muhit taʼsirida yorilish yoki aniqrogʻi, nurlanish taʼsirida stressli korroziya krekingi (IASCC) ayniqsa neytron nurlanishiga duchor boʻlgan va suv bilan aloqa qilgan qotishmalarda kuzatiladi, bu suvning radiolizi natijasida yoriq uchlarida vodorodning singishi natijasida yuzaga keladi. yoriqni yoyish uchun zarur energiyani kamaytirish. ^[6]

• Neytron emissiyasi
• Neytron oqimi
• Neytron rentgenografiyasi

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.222501

• Turli atamalarning EPA ta'riflari
• Neytronli radiografik va rentgenografik tasvirlarni solishtirish (Wayback Machine saytida 2014-03-14 sanasida arxivlangan)
• Neytron texnikasi tadqiqot va ishlanmalar uchun noyob vosita (Wayback Machine saytida 2011-10-31 sanasida arxivlangan)
• Ushbu maqola Mirzo Ulug'bek nomidagi O'zbekiston Milliy universitieti Fizika fakulteti talabasi Abbos Jonishev tomonidan Wikita'lim loyihasi doirasida ingliz tilidan tarjima qilindi.