КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
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: лѐгкие – до 25; средние – от 25 до 80, тяжѐлые – свыше 80.
Основные элементарные процессы взаимодействия нейтронов с веществом показаны на рис. 6.4. Нейтроны низких энергий (медленные, тепловые) могут испытывать упругое рассеяние (n, n), радиационный захват (n, γ), а также может происходить деление тяжѐлых ядер (238U, 235U, 239Pu). Для нейтронов высоких энергий (быстрых) характерны процессы неупругого (n, n´) и упругого (n, n) рассеяния, захвата с испусканием γ–квантов (n, γ), α–частиц (n, α), протонов (n, p), двух нейтронов (n, 2n), деления ядер (n, f). Здесь f – осколки ядер.
Рис. 6.4. Схема взаимодействия нейтронов с веществом на ядерном и атомном уровнях
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 возбуждѐнного ядра. Переход ядра в более низкое
энергетическое состояние может происходить путѐм распада с испусканием α-частицы или (и) γ–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 лѐгких ядер наблюдается (n, α) реакция. Например, на ядрах 10B и 6Li они имеют вид:
105В + 10 n → 73Li + 42He + Q (Q = 2,791 МэВ); 63Li + 10 n → 31H + 42He 4,785 + Q (Q = 4,785 МэВ).
Для естественной смеси изотопов сечение (n, α)-реакции для B – 754 барна, для Li – 70,4 барна. У отдельных изотопов они значительно выше: для 10В – 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 (n, γ) – радиационный захват:
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, γ)-реакции наблюдается также при переходе от лѐгких к тяжѐлым элементам.
Время жизни ядра, возникшего при радиационном захвате, составляет 10-14 с. Это время соответствует испусканию гамма-кванта, после чего ядро путѐм исходного радиационного процесса возвращается в основное состояние. Интенсивность и энергия гамма-излучения (n, γ)-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 γ–квантов радиационного захвата нейтрона, называется нейтронно-
радиационным.
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, γ)-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 еѐ 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 наведѐнной радиоактивности зависит от сечения активации и содержания элемента в облучаемом веществе.
Метод измерения, основанный на использовании различий разделяемых компонентов полезных ископаемых в интенсивности наведѐнного излучения,
называется нейтронно-активационным.
Наибольшее практическое применение в аналитике нашѐл 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 лѐгких элементов наиболее благоприятно использование быстрых нейтронов, обладающих более высокими энергиями, с образованием потоков протонов, α-частиц или нейтронов. Чувствительность метода в этом случае снижается.
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 наведѐнной активности) требует некоторого (подчас значительного) времени; высокая радиационная опасность, как за счѐт первичных нейтронных потоков, так и за счѐт вторичных, активированных в продуктах излучений. Во многих случаях при больших значениях периода полураспада наведѐнная радиоактивность в руде может сохраняться часы,
сутки, месяцы, годы, то есть руда надолго становится источником
| 51Cr период полураспада составляет |
радиоактивных излучений. Так, у изотопа
27,8 дня.
Нейтронно-активационный анализ 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 нашѐл применение в скважинном каротаже и оказался полезным при разведке месторождений топлива (уголь, нефть), чѐрных металлов (марганец), цветных металлов (алюминий, медь), нерудного сырья (флюорит, фосфорит, пьезокварц). Каротаж скважины занимает несколько часов, как в непрерывном так и в дискретном режимах.
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. Следует также отметить, что сама технология и продукты разделения при использовании нейтронно-активационного анализа становятся радиационно опасными.
Для отдельных руд в перспективе этот метод может быть применѐн для крупнопорционной сортировки в транспортных ѐмкостях.
Крупнопорционная сортировка, в отличие от сепарации, не позволяет получать продукты обогащения (концентрат, хвосты). С еѐ 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 x; ζп – 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, NА=6,022·1023 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 объѐме. 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 объѐм полезного ископаемого. Этот метод реализуем при большом различии в значениях сечений захвата нейтронов ядрами разделяемых элементов. Нейтронно-абсорбционным методом потенциально могут обогащаться руды, содержащие бор, литий, кадмий, олово, редкоземельные элементы и др.
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 нейтронно-абсорбционной сепарации для обогащения борсодержащих руд.
Таблица 6.4
Дата добавления: 2014-12-23; просмотров: 472; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав |