Кіріспе
Иондаушы сәулелену еркін нейтрондар түрінде көрінеді.
Нейтрондық сәулелену – иондаушы сәулеленудің еркін нейтрондар түріндегі бір түрі. Көбінесе ядролық бөліну немесе ядролық синтез процестері нәтижесінде еркін нейтрондар бөлінеді, олар басқа атомдардың ядроларымен реакцияға түсіп, жаңа нуклидтер құрайды, бұл өз кезегінде қосымша нейтрондық сәулеленуді тудыруы мүмкін. Еркін нейтрондар тұрақсыз, олар протонға, электронға және электронға қарсы нейтриноға ыдырайды. Еркін нейтрондардың орташа өмір сүру ұзақтығы 887 секундты (14 минут 47 секундты) құрайды. Нейтрондық сәулелену альфа, бета және гамма сәулеленуден өзгеше.
Бөлінуден пайда болған нейтрондық сәулелену
Ядролық реакторлардағы нейтрондар, әдетте, энергиясына қарай баяу (термиялық) немесе жылдам нейтрондар деп жіктеледі. Термиялық нейтрондар энергия таралуы бойынша (Максвелл-Болцман таралымы) термодинамикалық тепе-теңдіктегі газға ұқсас; бірақ оларды атом ядролары оңай сіңіріп алады және элементтердің ядролық трансмутацияға түсуінің негізгі құралы болып табылады. Тиімді тізбектік бөліну реакциясын жүзеге асыру үшін, бөліну кезінде пайда болатын нейтрондар бөлінетін ядролармен сіңірілуі керек, олар бөлініп, одан артық нейтрондарды босатады. Көптеген бөліну реакторларының конструкцияларында ядролық отын тізбектік реакцияны жалғастыру үшін жеткілікті мөлшерде жылдам нейтрондарды сіңіруге жеткілікті тазартылмайды, сондықтан жоғары энергиялы нейтрондар үшін қимасы төмен болғандықтан, жылдам нейтрондарды термиялық жылдамдыққа дейін баяулату үшін нейтрон модераторы енгізілуі керек, бұл жеткілікті сіңіруге мүмкіндік береді. Көбінесе қолданылатын нейтрон модераторларына графит, қарапайым (жеңіл) су және ауыр су жатады. Аз ғана реакторлар (жылдам нейтронды реакторлар) және барлық ядролық қарулар жылдам нейтрондарға сенеді.
Космогенді нейтрондар
Космогендік нейтрондар, яғни Жер атмосферасында немесе жер бетіндегі ғарыштық сәулеленуден туындаған нейтрондар, сондай-ақ бөлшектер үдеткіштерінде жасалған нейтрондар, реакторлардағы нейтрондарға қарағанда едәуір жоғары энергияға ие болуы мүмкін. Олардың көп бөлігі жерге жеткенге дейін ядроны белсендіреді, ал қалғандары ауадағы ядролармен әрекеттеседі. Азот-14-пен болатын әрекеттесулер көміртегі-14 (14C) пайда болуына алып келеді, ол радиокөміртектік тарих дату әдісінде кеңінен қолданылады.
Қолданылуы
Салқын, жылу және ыстық нейтрондық сәулелену ең көп қолданылатыны – кристаллография, конденсирленген заттар физикасы, биология, қатты күйдегі химия, материалдар ғылымы, геология, минералогия және осымен байланысты ғылымдар салаларында материалдардың қасиеттері мен құрылымын бағалау үшін шашырату және дифракциялық тәжірибелерде. Нейтрондық сәулелену бор нейтрондарын ұстап алу терапиясында қатерлі ісіктерді емдеу үшін де қолданылады, себебі оның жасуша құрылымына терең ену және зиян келтіру қабілеті жоғары. Нейтрондар өнеркәсіптік бөлшектерді бейнелеу үшін де қолданылуы мүмкін, оның ішінде пленка қолданғанда нейтрондық радиография, цифрлық сурет түсіргенде – нейтрондық радиоскопия (мысалы, сурет тақталары арқылы) және үш өлшемді бейнелер үшін – нейтрондық томография. Нейтрондық бейнелеу ядролық өнеркәсіпте, ғарыш және әуе-ғарыш өнеркәсібінде, сондай-ақ жоғары сенімді жарылғыш заттар өнеркәсібінде кеңінен қолданылады.
Иондау механизмдері мен қасиеттері
Нейтрондық сәулелену жиі тікелей емес иондаушы сәулелену деп аталады. Ол протондар мен электрондар сияқты зарядталған бөлшектер сияқты атомдарды иондамайды (электронды ояту арқылы), себебі нейтрондарда заряд жоқ. Дегенмен, нейтрондардың өзара әрекеттесуі көбінесе иондаушы болып табылады, мысалы, нейтронның сіңірілуі гамма-сәуле шығаруға алып келеді, ал гамма-сәулесі (фотон) кейіннен атомнан электронды алып тастайды, немесе нейтронмен өзара әрекеттесуден кері соққан ядро иондалып, басқа атомдарда дәстүрлі иондануға себеп болады. Нейтрондар зарядталмағандықтан, олар альфа немесе бета сәулеленуінен гөрі тереңірек өтеді. Кейбір жағдайларда олар гамма сәулеленуінен де тереңірек өте алады, ал гамма сәулеленуі жоғары атомдық санды материалдарда тоқтатылады. Сутек сияқты атомдық саны төмен материалдарда, төмен энергиялы гамма сәулесі жоғары энергиялы нейтроннан гөрі тереңірек өтуі мүмкін.
Денсаулыққа қауіп төндіретін факторлар мен қорғау
Денсаулық сақтау физикасында нейтрондық сәулелену – радиациялық қауіптің бір түрі. Нейтрондық сәулеленудің тағы бір, одан да ауыр қауіптілігі – нейтрондық активация, яғни нейтрондық сәулеленуге ұшыраған кезде көптеген заттардың, тіпті дене тіндерінің де радиоактивті болу қабілеті. Бұл атом ядроларының нейтрондарды сіңіріп алып, басқа нуклидке, көбінесе радионуклидке айналуымен жүзеге асады. Ядролық қарудың жарлысынан шығатын радиоактивті материалдың көп бөлігі осы процеске байланысты. Бұл ядролық бөліну және ядролық синтез орналастыруларында да проблема тудырады, себебі ол жабдықты бірте-бірте радиоактивті етеді, нәтижесінде оны ауыстырып, төмен деңгейлі радиоактивті қалдықтар ретінде жою қажет болады. Нейтрондық сәулеленуден қорғану радиациялық қорғанысқа негізделеді. Нейтрондардың жоғары кинетикалық энергиясына байланысты, бұл сәулелену сыртқы сәулелену көздеріне ұшыраған кезде организм үшін ең қауіпті және зиянды сәулелену болып саналады. Фотондарға немесе зарядталған бөлшектерге негізделген дәстүрлі иондаушы сәулеленумен салыстырғанда, нейтрондар жеңіл ядролармен бірнеше рет соқтығысып, баяулайды (сіңіріледі), сондықтан сутегіге бай материалдар темір ядроларына қарағанда тиімдірек қорғаныс болып табылады. Жеңіл атомдар нейтрондарды серпілісті шашырату арқылы баяулатады, содан кейін оларды ядролық реакциялар сіңіріп алады. Дегенмен, мұндай реакцияларда гамма сәулелері пайда болуы мүмкін, сондықтан оларды сіңіру үшін қосымша қорғаныс қажет. Ядролары бөлінуге немесе нейтрондарды тұтқындап, гамма сәулелерін тудыратын радиоактивті ыдырауға алып келетін материалдарды пайдаланудан сақтану керек. Нейтрондар көптеген материалдардан оңай өтеді, сондықтан берілген сәулелену мөлшерінен сіңірілген доза (грейлермен өлшенеді) төмен болады, бірақ биологиялық зақымдануға жеткілікті әсер етеді. Ең тиімді қорғаныс материалдары – су немесе полиэтилен, парафин сияқты көмірсутектер. Сумен толықтырылған полиэстер (WEP) жоғары сутегінің құрамы және отқа төзімділігінің арқасында қиын жағдайларда қорғаныс қабырғасы ретінде тиімді, оны ядролық, денсаулық сақтау физикасы және қорғаныс салаларында қолдануға болады. Сутек негізгі материалдар радиацияға қарсы кедергі болғандықтан, олар қорғанысқа жарамды. Бетон (су молекулаларының көп саны цементке химиялық байланысқан күйде болады) және қиыршық тас гамма сәулелері мен нейтрондарды біріктіріп қорғау арқасында арзан шешім ұсынады. Борон да нейтрондарды өте жақсы сіңіреді (сонымен қатар нейтрондарды шашыратады). Борон көміртекке немесе гелийге ыдырайды және гамма сәулесін шығармайды, сондықтан борон карбиді бетон қолдануға ыңғайсыз жағдайларда кеңінен қолданылатын қорғаныс материалдарының бірі болып табылады. Коммерциялық тұрғыдан, су немесе отын майы, бетон, қиыршық тас және B4C резервуарлары нейтрон ағынының көп мөлшері бар аймақтарды қоршап тұратын кең таралған қорғаныс құралдары болып табылады, мысалы, ядролық реакторлар. Боронмен қаныққан кремний шынысы, стандартты боросиликатты шыны, жоғары боронды болат, парафин және плексиглас белгілі бір жағдайларда қолданылады. Нейтрондар сутек ядросына (протон немесе деутерон) соққанда, оған энергия береді, нәтижесінде бұл сутек ядролары химиялық байланыстардан үзіліп, тоқтағанша қысқа қашықтыққа жылжуы мүмкін. Мұндай сутек ядролары жоғары сызықтық энергияны беруге қабілетті бөлшектер болып табылады және олар өтетін материалды иондау арқылы тоқтатылады. Осылайша, тірі тіндерде нейтрондардың салыстырмалы биологиялық тиімділігі жоғары, ал эквивалентті энергияға ұшыраған гамма немесе бета сәулеленумен салыстырғанда биологиялық зақымдануды он есе көп тудыруы мүмкін. Бұл нейтрондар жасушалардың қызметін өзгертуге немесе олардың көбеюін тоқтатуға әкелуі мүмкін, соның салдарынан организмге уақыт өте келе зақым келтіреді. Нейтрондар көздің мүйіз қабығы сияқты жұмсақ тіндерге ерекше зиянды.