¿La radiación de neutrones forma nubes?

Los neutrones térmicos se capturan en hidrógeno y carbono con secciones transversales razonables (es decir, no grandes, pero significativas) (este es el método de detección de eventos retardados de la mayoría de los detectores antineutrinos de centelleo líquido orgánico, es decir, el que no dopa su centelleador con gadolinio).

Entonces, aunque una "nube" (es decir, un gas difuso localizado) de neutrones puede desarrollarse en la vecindad de una fuente fuerte (el tamaño de la nube depende de la distancia que recorren a medida que se termalizan), su disipación depende de su valor medio. tiempo de captura, no su vida media.

Confesión: aquí estoy suponiendo que el tiempo medio de captura es significativamente más corto que la vida media, pero no lo he medido en un entorno "cerca del laboratorio". En centelleador líquido orgánico el tiempo de captura es del orden de$200\text{ }\mu\text{s}$, pero el aire tiene mucho menos hidrógeno y carbono. Tenga en cuenta que los neutrones también entran en el suelo, el edificio, los vehículos cercanos y los transeúntes (si los hay) donde pueden encontrar cosas con las que interactuar.

En mi escuela de posgrado teníamos una fuente AmBe de 2 Curie (es decir, enorme ). La bóveda de la fuente registraría fondos inusualmente altos en un medidor de inspección durante unos minutos después de que se devolviera del tanque moderador al recipiente protegido, por lo que puede ser una medida aproximada de la escala de tiempo. También dice algo sobre la fuerza del campo de radiación: unas pocas veces el nivel de fondo del sótano.

La metodología de blindaje para fuentes de neutrones fuertes generalmente incorpora una gran cantidad de boro en varias capas para ayudar a absorber el flujo de neutrones térmicos; no por casualidad, esto significa que la mayoría de los rayos gamma de captura se generan dentro del blindaje. Los plásticos borados son comunes, al igual que los hormigones borados. En estos días, el gadolinio es lo suficientemente barato como para imaginar que comenzaremos a verlo utilizado en el diseño de blindaje. La bóveda de la fuente en la escuela de posgrado se construyó con bloques de cemento borado: dos capas con un espacio de aire de un metro entre ellas.

Otra historia no muy cuantitativa que podría arrojar algo de luz sobre esto.

Yo era amigo de uno de los chicos de seguridad radiológica en JLAB. Parte de su trabajo consistía en monitorear el nivel de radiación en la cerca alrededor del área segura con los aceleradores, las salas experimentales, etc. En su mayoría, solo colocaron detectores de propósito general y compararon los resultados con lecturas de fondo cercanas, pero al principio construyeron un sistema más detector sofisticado para comprender las diversas contribuciones a la dosis (probablemente tratando de sintonizar su Monte Carlos, esos tipos son realmente grandes en el modelado). me dijo dos cosas interesantes

• Si hicieran funcionar el acelerador con una corriente alta y un ciclo de trabajo alto, podrían duplicar la dosis en la cerca (es decir, la dosis relacionada con el acelerador era tan grande como el fondo en la cerca).
• El brillo del cielo de neutrones fue el mayor contribuyente. El brillo del cielo significa que los neutrones salieron a través de los techos ligeramente protegidos de los pasillos (solo 50 cm de hormigón y 2 metros de tierra compactada), y sus detectores vieron la radiación proveniente de las capturas/desintegraciones que ocurrieron sobre ellos.

La valla estaba a unos 40 metros de los vertederos de vigas.

Si existiera algún material que pudiera confinar un gas de neutrones térmicos durante una fracción sustancial de la vida útil de los neutrones, podría construir "botellas" de este material, llenarlas con neutrones y monitorear las desintegraciones para medir la vida útil de los neutrones.

Y, de hecho, es posible, pero solo para los llamados "neutrones ultrafríos", que tienen energías cinéticas por debajo de 100 nano-eV, no para neutrones térmicos con energías cinéticas de mili-eV. El estado de la técnica para las botellas de almacenamiento de UCN es una vida útil combinada debido a las desintegraciones de neutrones y las pérdidas de pared de unos 400 segundos. Estas botellas de UCN tienden a ser del tamaño de una mano o de una persona. De hecho, no tiene sentido hacerlos mucho más grandes: puede demostrar por conversión de unidades que 100 neV es la energía cinética perdida por un neutrón que sube aproximadamente un metro por encima de la superficie de la Tierra ($U=mgh$), por lo que una botella de UCN del tamaño de una persona no necesita tapa. (La botella de neutrones con la parte superior abierta construida por Serebrov y colaboradores en PNPI se llamó "Gravitrap").

Para los neutrones térmicos libres en el aire, que se mueven unos pocos metros por milisegundo, el camino libre medio entre las dispersiones (principalmente del vapor de agua) es de muchos metros. La idea de una nube de neutrones que permanece en una habitación o pasillo oa lo largo de una vía férrea durante minutos después de que se elimina su fuente, como nubes de humo, no es realmente creíble.

Al visitar un reactor nuclear de investigación, he visto unos tubos para neutrones, se llaman canales de neutrones. Tenían algunos metros de largo. Entonces sí, el gas de neutrones se puede contener hasta cierto punto.