Neutron Interactions. Slides Based on Atoms, Radiation and Radiation Protection,James E. Turner

Transcrição

1 Neutron Interactions Slides Based on Atoms, Radiation and Radiation Protection,James E. Turner

2 Neutron Classification

3 Neutrons Térmicos: energias distribuidas de acordo com a distribuição de Maxwell-Boltzmann, Valor mais provável: 0.05 ev (0 o C) e valor médio ev. São também produzidos neutrões térmicos a baixas temperaturas (neutrões frios ). f ( p) 1 p exp kt 3/ mkt p Lentos, intermédios ou de ressonância : E < 0.01 MeV -0.1 MeV Rápidos: < 10-0 MeV Relativistas > 0 MeV

4 Interactions with matter Attenuation with matter: feixe fino de neutrões monoenergéticos atenua-se na matéria de acordo com a lei de Lambert: N(x) = N 0 exp(-x) Interactions with electrons: A interacção é de natureza electromagnética, mas negligível. u d Os neutrões são electricamente neutros, mas têm: d spin, momento magnético distribuição interna de carga eléctrica não nula Colisões com núcleos atómicos: Scattering elástico : E c total é conservada e a energia perdida pelo neutrão = E c do recúo nuclear. Scattering inelástico: O núcleo absorve parte da energia do neutrão e fica num estado excitado. Captura ou absorção pelo núcleo: O neutrão pode capturado por un núcleo e dar origem a uma reacção (n,p), (n,n), (n, ) ou (n,). O número atómico, Z, e/ou o número de massa, A, do núcleo são alterados

5 Interacções com a matéria Um neutrão rápido perde energia principalmente através de scattering elástico e abranda: Moderação À medida que a energia do neutrão diminui, a probabilidade de o neutrão ser capturado por um núcleo aumenta. Atingindo energias térmicas o neutrão tem um percurso aleatório numa sequência de colisões elásticas até ser absorvido por um núcleo. As secções eficazes para absorção de neutrões pelos núcleos variam bastante conforme os núcleos e são funções da energia do neutrão.

6 Interacções com a matéria H: não tem estados excitados Scattering elástico Captura C: tem estados excitados Scattering elástico Scattering inelástico Captura Ressonâncias

7 Scattering elástico Mecanismo dominante através do qual os neutrões depositam energia em tecidos: Dose 85% da dose na primeira colisão entre neutrões e tecidos ( compostos por H, C, O e N) devem-se a scattering elástico de neutrões (com E< 10MeV) com H (protões)! Exercício: Energia máxima transferida numa colisão entre um neutrão, de massa M e velocidade V e um núcleo em repouso. Nota: Problema clássico de conservação de energia e momento!

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14 (γ,n) Kinematics n daughter parent E gamma Q Energy-Momentum conservation (initial nucleus at rest ) Q MV v m MV v m 1 1 M m mq MV E M m MQ v m E D 1 1 M m MQ E n n

15 Neutron Detection

16 Slow neutron Detection (n, ) BF3 gas proportional counters (n, ) (n,p) LiI(Eu) crystals He (gas) proportional counters Slow-neutron induced fission of 33 U, 35 U, 39 Pu fission counters: Q~00 MeV Activation foils: thermal neutrons captured by some nuclei induce radioactivity ex. of thermal-neutron activation foil materials: Mn, Co, Cu, Ag, In,Dy, Au

17 Intermediate and fast neutron Via Neutron moderation: detectors BF3 long counters enclosed in parafin : 10keV-5MeV neutrons Bonner spheres of different sizes: polyethylene moderators with small LiI scintillators in the centre: up to 10 MeV neutrons

18 Intermediate and fast neutron detectors Via nuclear reactions: 6 Li (n,) and 3 He(n,), crystalls and counters, resp. Via elastic scattering : : n-p scattering in Hydrogen neutrons up to 10 MeV <Q> = T(neutron)/ Organic proton recoil scintillators (crystals, plastic and liquid materials) Proportional counters with hydrocarbon gases (CH4) Via Threshold foil activation: choice of foils made of materials activated above a given E threshold depending of neutron energy range to be detected

19 Intermediate and fast neutron detectors Bubble detectors: polymers with droplets of superheated liquid. Bubbles form when neutrons strike the droplets. Neutron dose prop. To density of bubbles