Нейтронно гамма каротаж

    

    Рисунок 1 – Схемы энергетических уровней  четырех легких ядер и одного тяжелого ядра (¹⁸⁰Hf)

    Примечания:

    1. Показаны положения трех нижних уровней возбуждения

    2. Цифры – энергия в МэВ 

    В таблице 2 приведены значения энергии гамма-квантов, возникающихпри неупругом рассеянии быстрых нейтронов на ядрах ряда элементов.

                                                                                                                        Таблица 2

    Основные  параметры и характеристики неупругого рассеяния быстрых нейтронов:

    Энергия неупругого рассеянного нейтрона примерно равна разности энергий падающего нейтрона и гамма-излучения, возникающего при неупругом рассеянии. 

    Радиационный  захват

    Этот  процесс приводит к поглощению (исчезновению) нейтрона и наиболее вероятен для  тепловых и в меньшей степени  для надтепловых нейтронов. Практически все ядра могут захватывать нейтроны, исключение составляют ядра элемента ⁴He.       

    Сечение радиационного захвата нейтронов  обратно пропорционально энергии  нейтронов Е:

    σ_р.з.  ~                                                                                        (2)

    При захвате теплового нейтрона ядром  элемента, последнее переходит в  так называемое составное возбужденное ядро, которое в очень короткий промежуток времени (~10^-10с) переходит в нормальное состояние с испусканием гамма-излучения, со строго определенной для каждого элемента энергией.

    Спектр  мгновенного гамма-излучения радиационного  захвата тепловых нейтронов имеет  сложный вид. В этом спектре как правило наряду с многочисленными линиями имеются наиболее интенсивные, которые используются на практике. Поскольку каждое ядро характеризуется собственной структурой уровней возбуждения, по гамма-излучению радиационного захвата можно идентифицировать элементы, ядра которых участвуют в поглощении. 

    1.1.2 Взаимодействие гамма излучения с веществом 

    Гамма-излучением называют электромагнитные колебания, распространяющиеся в вакууме со скоростью света. Гамма-излучение  возникает при ядерных превращениях. Свойство этого излучения прежде всего зависит от его энергии (длины волны). 

    E = hν,                                                                                           (3) 

    где  h — постоянная Планка, равная 6,62∙10^-27 эрг · с;

    ν — частота.

    Если  энергию Е выразить в электронвольтах, а длину волны λ —в ангстремах (1 А =10^{-8 см}), то Е=12400/ λ.

    Для количественной характеристики вероятности  взаимодействия любого ионизирующего  излучения вводят параметр, называемый сечением взаимодействия.

    Микроскопическое  сечение характеризует вероятность  взаимодействия излучения с одним  атомом (электроном). Оно измеряется в барнах. 

    1 барн=10^-24 см². 

    Представление вероятности взаимодействия величиной, размерность которой совпадает  с размерностью площади, обосновано следующим. Величину сечения взаимодействия можно представить как поперечное сечение некоторого шара, в котором  при попадании кванта происходит взаимодействие. Данное определение  сечения взаимодействия как площади  используется вследствие его наглядности. В элементарном смысле микроскопическое сечение есть площадь мишени, которую  представляет собой атом по отношению  к налетающей частице (гамма-квант, нейтрон и т. д.). С физико-математической точки зрения характеристика сечения  как площади мишени не является строгой. Известно, что сечение взаимодействия любой элементарной частицы сильно зависит от его энергии, несмотря на один и тот же действительный размер атома. Кроме того, нестрогость данной характеристики подтверждается огромными вариациями сечения взаимодействия атомов различных элементов при их относительно постоянных размерах.

    Известны  три вида взаимодействия с электронами  атомов: без передачи энергии фотона электрону, с частичной передачей  энергии электрону и с полной передачей энергии фотона электрону. Эти виды взаимодействия получили названия соответственно релеевское рассеяние, комптоновское рассеяние и фотоэлектрическое поглощение. С ядрами атмов известно также три вида взаимодействия: образование пар, фотонейтронное  поглощение и  эффект Мессбауэра.  
 

    1.1.3 Взаимодействие гамма излучения с  ядрами атомов 

    Образование электронно-позитронных пар

    При больших энергиях гамма-кванты в кулоновском поле ядра могут поглотиться, образуя пару электрон-позитрон. Непременным условием протекания данного процесса является превышение энергии гамма-квантов удвоенной (1,022 МэВ) энергии покоя электрона. Избыточная энергия гамма-квантов переходит в кинетическую энергию образованной пары.

    Сечение образования пар медленно возрастает в интервале от 1,022 до 4,0 МэВ, а  затем, с дальнейшим ростом энергии, растет пропорционально Е_о. С ростом атомного номера элемента микроскопическое сечение возрастает пропорционально Z². 

      Фотонейтронное поглощение

    Сводится  к поглощению фотона ядром и испусканию нейтрона. Гамма-излучение естественных радиоактивных элементов характеризуется  энергиями до 480 фДж, очень низкими для такого взаимодействия. Известны два изотопа, ядра которых могут взаимодействовать с фотонами столь низких энергий. К ним относятся ⁹Ве и дейтерий ²Н.

    На  основании всей совокупности видов  взаимодействия γ-излучения с веществом можно сделать обобщение, имея в виду, что γ-излучение естественных радиоактивных элементов характеризуется энергией γ-квантов, не превышающей 480 фДж.

1.   Основным типом взаимодействия для γ-квантов таких энергий является взаимодействие с электронами атомов.
2. Взаимодействие γ-излучения с ядрами либо очень слабо проявляется в указанном интервале энергий, либо имеет место при наличии некоторых конкретных атомов (⁹Ве, ²Н) или особых условий их нахождения (эффект Мессбауэра), в общем случае —явление нетипичное. При взаимодействии γ-излучения с горными породами и подавляющим большинством руд взаимодействием с ядрами веществ можно пренебречь, но для энергии от 160 до 480 фДж необходимо учитывать взаимодействие с образованием пар.

    Каждый  вид взаимодействия зависит от энергии  фотонов, и для определенной энергии  выбор вида взаимодействия является случайным.  

    1.1.4  Взаимодействие гамма излучения с нейтронами атомов 

    Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект)

    При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант  полностью отдает свою энергию одному из электронов атома. Гамма-квант при  этом исчезает. Электрон вылетает из атома  с энергией, равной разности энергий  кванта и энергии связи электрона  с ядром атома. Энергия гамма-кванта при фотоэффекте расходуется на преодоление связи электрона с атомом, отрыв электрона и передачу ему кинетической энергии. В дальнейшем вакантное место на электронной оболочке атома заполняется электроном с более удаленных оболочек. При этом атом испускает рентгеновское флуоресцентное (характеристическое) излучение с энергией, строго зависящей от атомного номера элемента (квадратный корень из значения энергии приблизительно пропорционален Z элемента).

    Непременное условие вырывания электрона  из атома при фотоэлектрическом  поглощении гамма-квантов - превышение энергии падающего кванта над энергией связи электрона. Значения энергии связи электрона строго зависят от атомного номера элемента и местонахождения (уровня) электрона в атоме. Чем больше Z элемента, тем значения энергии связи больше.

    Микроскопическое  сечение фотоэлектрического поглощения гамма-квантов сильно зависит от атомного номера элемента и энергии излучения: 

    σ_ф ~ 

                                                                                (4) 

    Вероятность фотоэффекта тем больше, чем меньше разница между энергией связи  электрона в атоме и энергией квантов. Для квантов с энергией, значительно превышающей энергию  связи электрона в атоме, электрон оказывается слабо связанным и фотоэффект становится маловероятным. Так как максимальной энергией связи обладают электроны K - оболочки, то фотоэффект происходит в основном на K – электронах.

    В легких элементах (Z мало) энергия связи даже для К – электронов  невелика, поэтому роль фотоэффекта незначительна.

    Если  энергия кванта меньше энергии связи К – электрона  (Е_о<Е_к)  то из атома может быть вырван электрон с L-оболочки. Это обусловливает наличие фотоэффекта ниже границы К - оболочки.

    Помимо  микроскопического сечения взаимодействия используется также и макроскопическое сечение. Применительно к гамма-излучению введен параметр, называемый линейным коэффициентом ослабления. Он характеризует вероятность взаимодействия квантов на единице пути.                                                Линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения гамма-квантов может быть рассчитан по формуле:

    

                                                                       (5) 

    где σ_ф — микроскопическое сечение фотоэффекта;  

    — плотность атомов; 

    —плотность  элемента;

    N_A —число Авогадро;

    А—массовое число элемента. 

    В практических расчетах пользуются массовым коэффициентом взаимодействия, характеризующим  вероятность взаимодействия квантов  в веществе массой в 1 грамм. Массовый коэффициент фотоэлектрического поглощения квантов находится так:

    

                                                                             (6)