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中性子放射線は、自由中性子として現れる電離放射線の一種です。典型的な現象は、 自由中性子を放出する核分裂または核融合であり、これらの自由中性子は他の原子の原子核と反応して新しい核種を形成し、それがさらに中性子放射線を引き起こす可能性があります。自由中性子は不安定で、陽子、電子、および電子反ニュートリノに崩壊します。自由中性子の平均寿命は約 887 秒 (14 分 47 秒) [ 1 ]であり、これは約 614 秒 (10 分 14 秒) の半減期に相当します。
中性子放射線はアルファ線、ベータ線、ガンマ線とは異なる。[ 2 ]
中性子は、核融合や核分裂、あるいは放射性崩壊や宇宙線との粒子相互作用、粒子加速器内での粒子相互作用といった他の核反応から放出される。大型の中性子源はまれであり、通常は原子炉や粒子加速器といった大型装置に限られ、その中にはスパレーション中性子源も含まれる。
中性子放射は、アルファ粒子がベリリウム原子核に衝突し、中性子を放出しながら炭素原子核に変化する現象（Be ( α , n ) C）を観測することによって発見された。アルファ粒子放出体と( α , n )核反応確率の高い同位体の組み合わせは、現在でも一般的な中性子源である。
原子炉内のニュートロンは、そのエネルギーに応じて一般的に低速（熱）ニュートロンと高速ニュートロンに分類されます。熱ニュートロンは、エネルギー分布（マクスウェル・ボルツマン分布）において熱力学的平衡状態にある気体と類似していますが、原子核に容易に捕獲され、元素が核変換を起こす主要な手段となります。
効果的な核分裂連鎖反応を実現するには、核分裂中に生成された中性子が核分裂性原子核に捕獲され、その後原子核が分裂してさらに多くの中性子を放出する必要があります。ほとんどの核分裂炉の設計では、高エネルギー中性子の断面積が小さいため、核燃料は連鎖反応を継続するのに十分な高速中性子を吸収できるほど十分に精製されていないため、高速中性子を熱速度まで減速して十分な吸収を可能にするために中性子減速材を導入する必要があります。一般的な中性子減速材には、黒鉛、通常の（軽）水、重水などがあります。一部の原子炉（高速中性子炉）とすべての核兵器は高速中性子に依存しています。
宇宙線由来の中性子は、地球の大気や地表、あるいは粒子加速器内で宇宙線から生成されます。これらは、原子炉で生成される中性子に比べてエネルギーレベルが高い場合が多いです。これらの中性子の多くは、地表に到達する前に原子核を活性化しますが、ごく一部は大気中の原子核と相互作用します。[ 3 ]これらの中性子が窒素14原子と相互作用すると、窒素14を炭素14 （14C）に変換することがあり、これは放射性炭素年代測定に広く利用されています。[ 4 ]
冷中性子、熱中性子、および高温中性子放射線は、結晶学、凝縮系物理学、生物学、固体化学、材料科学、地質学、鉱物学、における材料の特性と構造を評価するための散乱および回折実験で最も一般的に使用されています。中性子放射線は、細胞構造に対する高い透過性と損傷性のため、癌性腫瘍を治療するためのホウ素中性子捕捉療法にも使用されています。中性子は、フィルムを使用する場合は中性子ラジオグラフィー、イメージングプレートなどを介してデジタル画像を取得する場合は中性子ラジオスコピー、3 次元画像の場合は中性子トモグラフィーと呼ばれる工業部品のイメージングにも使用できます。中性子イメージングは、原子力産業[ 5 ] 、宇宙航空産業[ 6 ]、および高信頼性爆薬産業で一般的に使用されています
中性子放射線は間接電離放射線と呼ばれることが多い。中性子は電荷を持たないため、陽子や電子などの荷電粒子のように原子を電離させる（電子を励起させる）ことはない。しかし、中性子の相互作用は大部分が電離作用を持つ。例えば、中性子の吸収によってガンマ線が放出され、そのガンマ線（光子）が原子から電子を奪い取る場合や、中性子との相互作用によって反跳した原子核が電離され、他の原子でより伝統的な電離作用を引き起こす場合などである。[ 7 ]中性子は電荷を持たないため、アルファ線やベータ線よりも透過力が高い。場合によっては、原子番号の大きい物質では透過が妨げられるガンマ線よりも透過力が高い。水素などの原子番号の小さい物質では、低エネルギーのガンマ線の方が高エネルギーの中性子よりも透過力が高い場合がある。[ 8 ] [ 9 ]
健康物理学では、中性子放射線は放射線ハザードの一種です。中性子放射線のもう一つの、より深刻なハザードは、中性子活性化です。これは、中性子放射線が遭遇するほとんどの物質（身体組織を含む）に放射能を誘発する能力です。 [ 10 ]これは、原子核が中性子を捕獲し、別の核種（多くの場合、放射性核種）に変換することによって起こります。このプロセスは、核兵器の爆発によって放出される放射性物質の大部分を占めています。また、核分裂および核融合設備でも問題となっており、徐々に装置を放射性にしてしまい、最終的には交換して低レベル放射性廃棄物として処分しなければなりません。
中性子放射線防護は、放射線遮蔽に依存しています。中性子は運動エネルギーが非常に高いため、外部放射線源に曝された場合、全身にとって最も深刻で危険な放射線と考えられています。光子や荷電粒子に基づく従来の電離放射線と比較すると、中性子は軽い原子核によって繰り返し跳ね返され、減速（吸収）されるため、水素を多く含む物質は鉄原子核よりも遮蔽効果が高いです。軽い原子は弾性散乱によって中性子を減速させ、核反応で吸収できるようにします。しかし、このような反応ではガンマ線が生成されることが多いため、それを吸収するための追加の遮蔽が必要です。原子核が核分裂を起こしたり、中性子捕獲によって放射性崩壊を起こしてガンマ線を生成する物質の使用は避けるように注意しなければなりません。
中性子はほとんどの物質を容易に通過するため、一定量の放射線による吸収線量（グレイで測定）は低いが、生物学的損傷を引き起こすのに十分な相互作用を起こす。最も効果的な遮蔽材は水、またはポリエチレンやパラフィンワックスなどの炭化水素である。水伸長ポリエステル（WEP）は、水素含有量が高く耐火性があるため、過酷な環境下で遮蔽壁として効果的であり、原子力、保健物理、防衛産業など幅広い分野で使用できる。[ 11 ]水素系材料は放射線に対する適切な障壁であるため、遮蔽に適している。[ 12 ]
コンクリート（セメントにかなりの量の水分子が化学的に結合する）と砂利は、ガンマ線と中性子の両方を遮蔽するため、安価な解決策となります。ホウ素も優れた中性子吸収体であり（中性子散乱も多少起こります）、ホウ素は炭素またはヘリウムに崩壊し、炭化ホウ素ではガンマ線をほとんど発生させません。炭化ホウ素は、コンクリートが高価すぎる場合によく使用される遮蔽材です。商業的には、水や燃料油のタンク、コンクリート、砂利、B4Cは、大量の中性子束が発生する場所（例えば、原子炉）を囲む一般的な遮蔽材です。ホウ素含浸シリカガラス、標準ホウケイ酸ガラス、高ホウ素鋼、パラフィン、プレキシガラスはニッチな用途があります。
水素原子核（陽子または重水素）に衝突した中性子は、その原子核にエネルギーを与えるため、原子核は化学結合から切り離され、停止する前に短い距離を移動します。このような水素原子核は線エネルギー付与粒子であり、通過する物質の電離によって停止します。したがって、生体組織では、中性子は相対的生物学的有効性が比較的高く、同等のエネルギー曝露のガンマ線やベータ線と比較して、生物学的損傷を引き起こす効果が約 10 倍高くなります。これらの中性子は、細胞の機能を変化させたり、複製を完全に停止させたりして、時間の経過とともに体に損傷を与える可能性があります。[ 13 ]中性子は、眼の角膜などの軟組織に特に損傷を与えます。
高エネルギー中性子は、時間の経過とともに材料を損傷・劣化させます。材料に中性子を照射すると、衝突カスケードが発生し、材料中に点欠陥や 転位が生じる可能性があります。これらの点欠陥や転位の発生は、放射線に曝された材料において時間とともに生じる微細構造変化の主な原因となります。高エネルギー中性子照射量では、金属やその他の材料の脆化、および一部の材料における中性子誘起膨張を引き起こす可能性があります。これは原子炉容器にとって問題となり、その寿命を著しく制限します（ただし、容器を制御されたアニーリング処理によって転位の数を減らすことで、寿命をある程度延ばすことができます）。
グラファイト中性子減速材ブロックは、ウィグナー効果として知られるこの影響を特に受けやすい。これは、グラファイト格子から炭素原子を移動させるのに必要なエネルギーが、一般的に高速中性子の運動エネルギー（約1 MeV）よりもはるかに低い（25～60 eV）ためである。移動した炭素原子は、格子間面（グラフェン層間の空間）に集まる。これにより、大量のひずみエネルギー（ウィグナーエネルギー）が蓄積される。ウィグナーエネルギーが増加すると、材料は縦方向に膨張し、横方向に収縮することによってエネルギーを部分的に放出する。約300 °Cまで加熱すると、格子間炭素原子が新しいグラフェンシートを形成する。したがって、グラファイト中性子減速材ブロックは、定期的に焼きなましを行うことで再び良好な状態に戻すことができる。[ 14 ]ウィンドスケール火災は、このような焼きなまし作業中の事故によって引き起こされた。
物質への放射線損傷は、高エネルギー入射粒子（中性子など）が物質中の格子原子と相互作用することによって発生します。衝突により格子原子に大量の運動エネルギーが伝達され、格子原子は格子位置から移動し、一次ノックオン原子（PKA）と呼ばれる状態になります。PKAは他の格子原子に囲まれているため、その移動と格子内を通過する過程で、多くの衝突が起こり、新たなノックオン原子が生成されます。これは衝突カスケードまたは変位カスケードと呼ばれる現象です。ノックオン原子は衝突のたびにエネルギーを失い、格子間原子として終結し、結果として格子内に一連のフレンケル欠陥が生成されます。衝突の結果、熱（電子エネルギー損失による）が発生するほか、原子核変換も起こる可能性があります。損傷の大きさは、鉄格子内で1 MeV の中性子 1 個が PKA を生成すると、約 1,100 個のフレンケル対が生成されるほどである。 [ 15 ]カスケード現象全体は 1 × 10 −13秒の時間スケールで発生するため、コンピュータ シミュレーションでのみ「観測」することができる。[ 16 ]
ノックオン原子は非平衡の格子間位置で終端し、その多くは隣接する空格子サイトに拡散して消滅し、秩序だった格子を回復します。そうでない、または空孔を残せない原子は、局所的に空孔濃度が平衡濃度をはるかに超えて上昇します。これらの空孔は、熱拡散の結果として空孔シンク（すなわち、粒界、転位）に向かって移動する傾向がありますが、かなりの時間存在し、その間にさらに高エネルギー粒子が格子に衝突し、衝突カスケードと追加の空孔を生成し、それらはシンクに向かって移動します。格子における照射の主な効果は、欠陥風として知られる、シンクへの欠陥の大きく持続的な流れです。空孔は、互いに結合して転位ループを形成し、後に格子空孔を形成することによっても消滅します。[ 15 ]
衝突カスケードは、特定の温度における平衡状態よりもはるかに多くの空孔と格子間原子を材料中に生成し、その結果、材料中の拡散率が劇的に増加します。これは、放射線増強拡散と呼ばれる効果につながり、時間の経過とともに材料の微細構造が進化します。微細構造の進化につながるメカニズムは多く、温度、フラックス、フルエンスによって変化する可能性があり、広範な研究の対象となっています。[ 17 ]
これらのメカニズムの機械的影響には、照射硬化、脆化、クリープ、および環境補助割れが含まれます。材料中の放射線の結果として生成される欠陥クラスター、転位ループ、ボイド、気泡、および析出物はすべて、材料の強化と脆化（延性の低下）に寄与します。 [ 21 ]脆化は、原子炉圧力容器を構成する材料にとって特に懸念事項であり、その結果、容器を破壊するのに必要なエネルギーが大幅に減少します。欠陥を焼きなましによって除去することで延性を回復することが可能であり、原子炉の寿命延長の多くは、これを安全に行う能力に依存しています。クリープも照射材料で大幅に加速されますが、これは拡散率の増加によるものではなく、格子応力と発達する微細構造との相互作用によるものです。環境誘起割れ、より具体的には放射線誘起応力腐食割れ（IASCC）は、特に中性子放射線にさらされ、水と接触している合金で観察され、水の放射線分解によって亀裂先端で水素が吸収されることで、亀裂を伝播させるのに必要なエネルギーが減少することによって引き起こされます。[ 15 ]
中性子放射線が物質に及ぼす影響は通常数ヶ月から数年かかるため、イオン放射線を用いてその影響をシミュレートすることに大きな関心が寄せられている。特定の物質と中性子放射線の種類の組み合わせでは、これが可能である。[ 22 ]
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