НЕЙТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

НЕЙТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ – излучение, состоящее из нейтронов. Нейтрон (n) — элементарная электрически нейтральная тяжелая ядер-ная частица с массой, примерно в 1800 раз большей массы электрона. Нейтрон в свободном состоянии нестабилен, он самопроизвольно превращается в протон (р) с испусканием электрона (е-) и антинейтрино (v): п—>р -f- время жизни нейтрона составляет ок. 16 мин.

Н. и. является косвенно ионизирующим: образование ионов происходит под действием не самих нейтронов, а вторичных тяжелых заряженных частиц и 7-квантов, к-рым нейтроны передают свою энергию. При этом гамма-кванты вызывают образование сравнительно редко распределенных в облучаемой ткани ионов, а тяжелые заряженные частицы образуют ионы с настолько высокой плотностью, что расстояние между ними сравнимо с размерами клеточных структур. Линейная передача энергии тяжелых заряженных частиц (см. Линейная передача энергии) в мягких тканях превышает 500 Мэв/см, что достаточно для гибели клетки. При Н. и. преобладают процессы, приводящие к ионизации с высокой линейной передачей энергии, поэтому его называют также плотноионизирующим.

Н. и. используют для нейтронной терапии (см.), определения содержания отдельных элементов и их изотопов в биол, средах; источниками нейтронов пользуются для быстрого получения короткоживущих радиоактивных нуклидов.

Основной качественной характеристикой Н. и. является его энергетический спектр — распределение нейтронов по энергии. При этом различают следующие энергетические группы нейтронов: тепловые и надтепловые нейтроны (с энергиями менее 0,1—0,2 эв), промежуточные нейтроны (с энергиями до 200 кэв) быстрые нейтроны (с энергиями от( 200 кэв до 20 Мэе) и сверхбыстрые нейтроны (с энергиями св. 20 Мэе). В нек-рых классификациях до промежуточных нейтронов выделяют группу медленных нейтронов, включающих тепловые и надтепловые нейтроны.

В медицинской радиологии используют гл. обр. быстрые, тепловые и надтепловые нейтроны. Скорость тепловых и надтепловых нейтронов в веществе при нормальной температуре окружающей среды (ок. 20 °) близка к скоростям движения ато> мов и молекул.

Основными количественными характеристиками Н. и. являются поток частиц через нек-рую поверхность (т. е. число нейтронов, проходящих сквозь эту поверхность в единицу времени) и плотность потока частиц (число нейтронов, пересекающих в единицу времени сферу с единичным центральным сечением).

Источники нейтронов дают в веществе плотность потока частиц в 1010—1012 нейтронов на 1 см‘г в 1 сек.

Плотность потока частиц зависит от расстояния до источника нейтронов. На расстоянии, значительно превышающем размеры самого источника, плотность потока частиц уменьшается обратно пропорционально квадрату этого расстояния. При применении быстрых нейтронов для нейтронной терапии получаемые плотности потока частиц создают в облучаемом объекте мощность поглощенной дозы не более 10 рад I мин (0,1 Гр/мин.). Н. и. сопровождается, как правило, незначительным гамма-излучением, вызванным вторичными процессами в источнике нейтронов и в устройствах для коллимации нейтронного пучка.

Известны два типа взаимодействия нейтронов с веществом: рассеяние нейтронов на ядрах атомов и поглощение при проникновении в ядро. Рассеяние заключается в частичной потере энергии и изменении направления движения нейтронов; при поглощении энергия нейтронов полностью передается ядрам, и нейтроны перестают существовать как самостоятельные частицы.

Рассеяние нейтрона может быть упругим и не упругим. При упругом рассеянии кинетическая энергия движения нейтрона распределяется между самим нейтроном и ядром атома, при не упругом —- часть кинетической энергии нейтрона расходуется на возбуждение ядра. В результате многократных актов рассеяния нейтронов на ядрах их энергия постепенно уменьшается до энергии тепловых нейтронов. Ядра, получившие импульс при ударе с нейтроном, создают треки с высокой плотностью ионизации, а возбужденные ядра отдают избыточную энергию, испуская 7-кванты. Т. о., энергия нейтронов расходуется локально, в местах первичных взаимодействий (прямая передача энергии), а также переносится 7-квантами в другие участки вещества (непрямая передача энергии). Прямая передача энергии нейтронов преобладает над непрямой и обусловливает высокую относительную биологическую эффективность ионизирующих излучений. (см.).

Доли прямой и непрямой передачи энергии выделяют при определении эквивалентной дозы.

Поглощение нейтронов может сопровождаться ядерными реакциями двух типов: обменной реакцией — с испусканием тяжелой заряженной частицы (п, т+) и реакцией радиационного захвата — с испусканием 7-кванта (тг, 7). Поглощение нейтронов зависит от хим. состава облучаемого вещества. В биол, тканях в ядрах атомов кислорода, водорода, углерода, азота под действием нейтронов происходят обменные ядер-ные реакции с выбрасыванием а-ча-стицы (п, а) или протона (тг, р), приводящие к прямой передаче энергии за счет а-частиц и протонов и непрямой — за счет сопровождающего их 7-излучения. Реакция радиационного захвата, напр. ХН (тг, 7)2Н, дает основной вклад в редкоионизирую-щую составляющую дозы за счет непрямых потерь (особенно при энергиях нейтронов до 4—5 Мэв).

Вероятность взаимодействия нейтронов с веществом зависит *>т энергии нейтрона, заряда и массы ядра атома. Напр., торможение нейтронов до тепловых энергий происходит тем больше, чем легче ядра, на if-рых рассеиваются нейтроны, т. е. чем меньше разница между массами нейтрона и ядра. Поглощение нейтронов путем радиационного захвата тем вероятнее, чем меньше их энергия. Нек-рые легкие ядра, напр, ядра лития и бора, обладают избирательной способностью к захвату тепловых нейтронов с испусканием тяжелых заряженных частиц, что было использовано для разработки так наз. нейтрон-захватной терапии.

Н. и. получают в результате ядерных реакций (см.) типа Х(т, n) Y, где X — исходное ядро атома, бомбардируемое частицей т тг—нейтрон, вылетевший из ядра; Y — ядро, продукт ядерной реакции. В наиболее распространенных источниках нейтронов, дающих большие потоки частиц, используют ядерные реакции типа (3Не, п), (а, тг), (p, гг), (d, /г), (Y, п), в к-рых бомбардирующими частицами являются ядра гелия, водорода, а также фотоны (у-кванты).

Все известные источники нейтронов дают быстрые нейтроны; тепловые и надтепловые нейтроны получают путем замедления быстрых нейтронов в воде, парафине, графите, бетоне и т. п.

Для получения Н. и. первоначально применяли радий-бериллие вый и полоний-бериллиевый источники нейтронов, к-рые являются смесью порошков бериллия и препаратов радия или полония. С появлением нейтронных генераторов и ускорителей заряженных частиц (см.) ими практически перестали пользоваться. В ускорителях заряженных частиц — циклотронах — Н. и. получают путем облучения бериллиевой или дейтериевой мишени пучком ядер гелия или дейтронов. В так наз. малых циклотронах пучки дейтронов ускоряют до энергии ок. 10 Мэе, в средних циклотронах — до 20 Мэе. Получаемые при этом пучки нейтронов имеют энергию до 10 Мэе. Известны также источники, дающие смешанное нейтронное и гамма-излучение.

При внутриполостном, внутритканевом и поверхностном облучении используют калифорний-252 (252Cf), распадающийся путем спонтанного деления ядра с выбросом нейтронов со средней энергией 2,3 Мэв. Сопутствующее гамма-излучение составляет ок. 37% и обусловлено делением 252Cf и а-распадом других изотопов калифорния.

См. также Ионизирующие излучения.

Библиография: Власов Н.А. Нейтроны, М., 1971; Исаев Б.М. и Брега д-з e Ю. И. Нейтроны в радиобиологическом эксперименте, М., 1967; JI и в e н- ц e в H. М. Курс физики, т. 1 — 2, М., 1978.

М. Ш. Вайнберг.