Большая Советская Энциклопедия (НЕ)

Большая Советская Энциклопедия

Лит.: Аллен В. Д., Регистрация нейтронов, пер. с англ., М., 1962; Власов Н. А., Нейтроны, 2 изд., М., 1971.

Б. Г. Ерозолимский, Ю. А. Мостовой.

Нейтронные звёзды

Нейтро'нные звёзды, одна из возможных конечных стадий эволюции звёзд большой массы; вещество нейтронной звезды состоит из нейтронов с малой примесью электронов, протонов и более тяжёлых ядер. На возможность существования Н. з. впервые указал Л. Д. Ландау (1932) сразу же после открытия нейтрона (Дж. Чедвик , 1932). В 1934 американские астрономы У. Бааде и Ф. Цвикки предположили, что Н. з. могут образовываться при вспышках сверхновых звёзд . Из теории эволюции звёзд следует, что у массивных звёзд на стадии почти полного «выгорания» ядерного горючего в их центральной области может произойти катастрофически быстрое гравитационное сжатие — гравитационный коллапс (см. Коллапс гравитационный ). При коллапсе плотность вещества возрастает настолько, что достигается состояние, когда нейтроны становятся устойчивее протонов. В этих условиях происходит превращение протонов и стабильных атомных ядер в нейтроны и атомные ядра с избытком нейтронов (нейтронизация вещества). Для такого процесса необходимы плотности r ³ 10¹⁰г/см³ . При плотностях r ³ 10¹²г/см³

и температурах Т lb 10¹⁰ К, характерных для Н. з., вещество представляет собой вырожденный нейтронный газ (см. Вырожденный газ ). Механическое равновесие Н. з. связано с компенсацией сил тяготения давлением вырожденного газа нейтронов. Для равновесного устойчивого состояния Н. з. характерны следующие параметры (в среднем): масса

 ~ 2x10³³г , т. е. равна массе Солнца

, радиус R ~ 2x10⁶ см = 20 км (

= 7x10¹⁰ см ), плотность r ~ 2x10¹⁴г/см³ (

= 1,4 г/см³ ); давление р ~ 10³³ —10³⁴дин/см²; минимальный период вращения 10^{– 3}сек. Магнитное поле Н. з. достигает ~ 10¹²гс (среднее магнитное поле Солнца ~ 1 гс ). Средняя плотность Н. з. близка к ядерной плотности вещества или даже превосходит её, поэтому строение и свойства Н. з. обусловлены в значительной мере ядерными силами . Кроме того, для Н. з. характерна большая величина гравитационной энергии связи (~ 10⁵³эрг ), что приводит к появлению существенных поправок к ньютоновской теории тяготения, следующих из общей теории относительности (см. Тяготение ). Учёт этих двух факторов имеет принципиальное значение при расчёте внутреннего строения Н. з. Из расчётов следует, что теоретически ожидаемая масса Н. з. ЖЛ заключена в пределах 0,05

, где

, причём разброс вычисленных значений обусловлен трудностями в учёте действия ядерных сил. Большинство существующих теорий связывает образование Н. з. со вспышками сверхновых звёзд, так как гравитационный коллапс звезды при определённых условиях сопровождается мощным взрывом, выбрасывающим в пространство внешние слои звезды. Н. з. были открыты в 1967 по пульсации их радиоизлучения (эти звёзды назвали пульсарами ), причём ряд пульсаров определенно связан с остатками сверхновых (в частности, пульсар PSR 0532 в Крабовидной туманности ).

Лит.: Дайсон Ф., Тер Хаар Д., Нейтронные звёзды и пульсары, пер, с англ., М., 1973; Тейлер Р., Строение и эволюция звёзд, пер. с англ., М., 1973; Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Теория тяготения и эволюция звёзд, М., 1971.

В. С. Имшенник.

Нейтронные источники

Нейтро'нные исто'чники, источники нейтронных пучков. Применяются в ядерно-физических исследованиях и в практических приложениях (см., например, Нейтронный каротаж , Нейтронография ). Все Н. и. характеризуются: мощностью (число нейтронов, испускаемых в 1 сек ), энергетическим и угловым распределением, поляризацией нейтронов и режимом испускания (непрерывным или импульсным). В первых Н. и. для получения нейтронов использовались ядерные реакции (a, n) на ядрах ⁷ Be или ¹⁰ B, а также фоторасщепление дейтрона или ядра Be, т. е. реакция (g, n). В первом случае Н. и. представляет собой равномерную механическую смесь порошков ⁷Be и радиоактивного изотопа, испускающего a-частицы (Ra, Po, Pu и др.), запаянную в ампулу. Соотношение количеств Be и, например, Ra ~ ¹ /₅ (по весу). Их мощность определяется допустимым количеством a-активного препарата. Обычно активность lb 10 кюри, что соответствует испусканию ~ 10⁷ —10⁸ нейтронов в 1 сек (см. табл.). Н. и. со смесью Ra + Be и Am + Be являются одновременно источниками интенсивного g-излучения (10⁴ —10⁵ g-квантов на 1 нейтрон). Н. и. со смесью Po + Be и Pu + Be испускают только 1 g-квант на 1 нейтрон.

В случае фотонейтронного ампульного источника ампула содержит полый цилиндр или шар из Be или с тяжёлой водой D₂ O, внутри которого размещается источник g-излучения. Энергия g-квантов должна быть выше пороговой энергии фоторасщепления ядер D или Be (см. Фотоядерные реакции ). Недостаток такого Н. и. — интенсивное g-излучение; применяется в тех случаях, когда нужно простыми средствами получить моноэнергетические нейтроны. В ампульных Н. и. используется также спонтанное деление тяжёлых ядер (см. Ядра атомного деление ).

После появления ускорителей заряженных частиц для получения нейтронов стали использоваться реакции (р, n) и (d, n) на лёгких ядрах, а также реакции (d, pn). В специальных ускорительных трубках протоны и дейтроны ускоряются в электрическом поле, создаваемом напряжением ~ 10⁵ —10⁷ в. Такие нейтронные генераторы разнообразны по размерам и характеристикам (см. рис. ). Некоторые из них размещаются на площади 50—100 м² и обладают мощностью — 10¹² —10¹³ нейтронов в 1 сек (энергию можно варьировать от 10⁵ до 10⁷эв ). Существуют и миниатюрные ускорительные трубки (диаметры 25—30 мм ), испускающие 10⁷ —10⁸ нейтронов в 1 сек,

которые используются в нейтронном каротаже.

Для получения нейтронов с энергиями 2—15 Мэв наиболее употребительны реакции D (d, n)³ He и T (d, n)⁴ He. Мишенью служит гидрид металла (обычно Zr или Ti) с дейтерием или тритием. В реакции D + d значительный выход нейтронов наблюдается уже при энергии дейтронов ~ 50 кэв. Энергия нейтронов при этом ~ 2 Мэв и растет с ростом энергии протонов. Для нейтронов с энергией 13—20 Мэв предпочтительнее реакция Т + d, дающая больший выход нейтронов. Например, при энергии дейтронов 200 кэв из толстой тритиево-циркониевой мишени вылетают нейтроны с энергией ~ 14 Мэв в количестве 10⁸ в 1 сек на 1 мкк дейтронов.

Характеристики наиболее распространённых ампульных нейтронных источников.

Ядерная реакция	Период полураспа- да	Число нейтронов в 1 сек на 1 кюри	Энергия нейтронов в Мэв
Реакция (a, n) Ra + Be Rn + Be Po + Be Pu + Be Am + Be	1620 лет 3,8 сут 139 сут 24 тыс. лет 470 лет	107 107 106 106 106	Сплошной спектр от 0,1 до 12 с максимумом в области 3—5
Реакция (g, n) Ra + D2 O MsTh + Be MsTh + D2 O 140 La + Be 140 La + D2 O 124 Sb + Be 72 Ca + D2 O 24 Na + Be 24 Na + D2 O	1620 лет 6,7 года 6,7 года 40 ч 40 ч 60 сут 14,1 ч 14,8 ч 14,8 ч	104 —105	0,12 0,83 0,2 0,62 0,15 0,024 0,13 0,83 0,22
Спонтанное деление		Число нейтронов на 1 мг	Сплошной спектр 0,1—12 с максимумом в области 1, 5
236 Pu 240 Pu 244 Cm 252 Cf	2,9 года 6,6x103 лет 18,4 года 2,6 года	26 1,1 9x103 2,7x109

Реакция (р, n) на ядрах ⁷Li и др. удобна для получения моноэнергетических нейтронов в широком диапазоне энергии. Она обычно используется в электростатических ускорителях . Для получения нейтронов более высоких энергий (~ 10⁸эв ) используются реакции (р, n) и (d, pn) на пучках протонов и дейтронов высоких энергий. Реакция (р, n) осуществляется за счёт непосредственного выбивания нейтрона из ядра (без промежуточной стадии возбуждения ядра), а также за счёт перезарядки летящего нуклона в поле ядра. Нейтроны вылетают в этом случае преимущественно вперёд (по направлению протонного пучка), они монохроматичны при фиксированном угле вылета. Реакция (d, pn) (развал дейтрона в поле ядра) приводит к генерации нейтронов с энергией, равной ¹ /₂ энергии дейтрона.

В качестве Н. и. используются также электронные ускорители. Интенсивные пучки быстрых электронов направляются на толстые мишени из тяжёлых элементов (Pb, U). Возникающие тормозные g-кванты (см. Тормозное излучение ) вызывают реакцию (g, n) или деление ядер, сопровождающееся испусканием нейтронов. Все нейтронные генераторы могут работать как в непрерывном, так и импульсном режимах.

Самые мощные источники нейтронов — ядерные реакторы . Нейтронный пучок, выведенный из реактора, содержит нейтроны с энергиями от долей эв до 10—12 Мэв. В мощных реакторах плотность потока нейтронов в центре активной зоны реактора достигает 10¹⁵ нейтронов в 1 сек с 1 см² (при непрерывном режиме работы). Импульсные реакторы , работающие в режиме коротких вспышек, создают более высокую плотность потока нейтронов, например импульсный реактор на быстрых нейтронах в Объединённом институте ядерных исследований (ИБР) имеет в момент вспышки в центре активной зоны 10²⁰ нейтронов в 1 сек с 1 см².

Лит.: Власов Н. А., Нейтроны, 2 изд., М., 1971; Портативные генераторы нейтронов в ядерной геофизике, под ред. С. И. Савосина, М., 1962.

Б. Г. Ерозолимский.

Нейтронные генераторы.

Нейтронный каротаж

Нейтро'нный карота'ж, метод геофизических исследований, основанный на взаимодействии нейтронов с веществом горных пород. В скважину опускают толстостенную стальную гильзу, содержащую нейтронный источник и детектор, регистрирующий вторичное излучение. Последнее возникает в результате взаимодействия нейтронов с атомными ядрами породы (см. Нейтронные детекторы ). Между источником и детектором устанавливается фильтр из парафина, Pb или Bi, препятствующий прямому попаданию нейтронов из источника в детектор. Сигналы детектора, усиленные и сформированные с помощью электронных устройств, передаются по кабелю наверх для регистрации и анализа. Перемещая гильзу вдоль скважины (рис. ), записывают каротажную диаграмму — зависимость скорости счёта сигналов от глубины. Н. к. был впервые осуществлен в США (Б. М. Понтекорво , 1941), в СССР развитие Н. к. связано с именами Б. Б. Лапука и Г. Н. Флёрова .

Существует около 10 вариантов Н. к., отличающихся типом нейтронного источника, видом вторичного излучения, а также характером получаемой информации. В случае нейтрон-нейтронного каротажа регистрируются тепловые нейтроны, образующиеся в результате замедления в горной породе быстрых нейтронов источника (см. Замедление нейтронов ). При нейтронном g-каротаже регистрируются g-кванты, возникающие при захвате медленных нейтронов ядрами (см. Медленные нейтроны ). В этих вариантах Н. к. с источником непрерывного действия определяется относительное количество водорода в пластах. Так как водород — наиболее эффективный замедлитель нейтронов, то в породах с порами, заполненными водой или нефтью, нейтроны замедляются уже на небольших расстояниях от источника. Например, в песчанике с 20%-ной пористостью расстояние, в котором около 60% нейтронов источника (с энергией 5 Мэв ) становятся тепловыми, — порядка нескольких см. Число тепловых нейтронов (или g-квантов радиационного захвата ), достигающих при этом детектора, невелико, так как расстояние до него существенно больше (30—50 см ). С уменьшением содержания водорода в пласте длина замедления растет, нейтроны становятся тепловыми в области, более близкой к детектору, и число его отсчётов увеличивается. Т. о., минимумы на каротажной диаграмме соответствуют пластам с повышенным содержанием водорода.