8. Сформулюйте фізичну суть спектрометричного гамма-каротажу та задачі,що вирішуються за допомогою даного методу.

У методі ГК-С міряють у вздовж стовбура свердловини зміну інтенсивності гамма-квантів із заданою енергією.

За вихідним дискретним (лінійному) спектром енергій гамма-випромінювання можна встановити ізотопний склад і число радіоактивних ядер. Характерними значеннями в спектральному складі гамма-випромінювання осадових гірських порід відмічаються: радій – (0,6; 1,76 МеВ); торій – 0,9; 1,6; 2,6 МеВ); калій – (1,46 МеВ) (рис. 3.5). У зв’язку з цим для оцінки вмісту в породах радію, торію і калію потрібні тільки результати вимірювання інтенсивності природного γ-випромінювання гірських порід в трьох певних енергетичних діапазонах.

Метод ГК-С дозволяє вирішувати конкретні задачі загальної і прикладної геології, а саме:

- з’ясовувати механізм і швидкість вивітрювання гірських порід за станом радіоактивної рівноваги в ряду “уран-торій”;

- вивчати геохімічну циклічність, відновлювати умови осадконакопичення гірських порід і проводити кореляцію “німих” товщ;

- з’ясовувати фаціальні характеристики і інтенсивність тектонічних рухів структур, сприятливих для акумуляції нафти і газу;

- вивчати особливості і генезис вивержених і метаморфічних гірських порід;

- виділяти у вапняках вторинні доломіти, визначати глинистість і нерозчинний залишок,

- встановлювати мінеральний склад глинистих порід.

9. Які процеси відбуваються при взаємодії гамма-квантів з речовиною?

При проходженні через речовину гамма-кванти взаємодіють з атомами, електронами і атомними ядрами середовища. При цьому вони або поглинаються повністю, або втрачають частину своєї енергії, змінюючи напрям розповсюдження, тобто – розсіюються, що приводить до послаблення інтенсивності гамма-випромінювання.

Для гамма-квантів характерні в основному наступні процеси взаємодії з речовиною:

- фотоефект;

- ефект Комптона;

- повне поглинання в полі ядра, яке супроводжується утворенням електронно-позитронної пари.

Любий з цих процесів взаємодії носить ймовірний характер і визначається ефективним січенням (перетином) взаємодії σ, яке вимірюється в одиницях площі. Він характеризує імовірність взаємодії гамма-кванта (або частинки) з ядром (електроном) атома при проходженні кванта (частинки) через одиницю площі (м²).

Фотоефект. Він характерний для гамма-квантів з енергіями не більше ніж 0,5 МеВ. Гамма-квант при проходженні через речовину вступає у взаємодію з електронами атомів цієї речовини. Гамма-квант передає свою енергію і повністю поглинається, а електрон викидається за межі атома.

При фотоефекті гамма-квант може вибити зв’язані електрони, енергія зв’язку Е_і яких менша енергії самого гамма-кванта Е_. Енергія викинутого за межі атома електрона дорівнює:

(3.20)

де m_e – маса електрона; V_e – швидкість викинутого електрона.

Такий процес виривання електрона з атома фотоном називається фотоефектом, а вирвані електрони – фотоелектронами.

Комптонівска взаємодія. Комптонівська взаємодія відбувається на електронах при енергіях гамма-квантів, що значно перевищують енергію зв’язку електронів на електронних орбітах. При цьому гамма-квант вступає в взаємодію з вільним або слабозв’язаним електроном і в результаті непружного співудару з електроном передає останньому частину своєї енергії та імпульсу, а сам змінює своє направлення, набуває енергії, яка рівна (h)^/, і відхиляється під кутом  до початкового напрямку. Електрон викидається з атома під кутом ^/ до напрямку падаючого гамма-кванту (рис. 3.7, б). Із збільшенням енергії гамма-квантів кут їх відхилення від початкового напрямку при комптонівській взаємодії закономірно зменшується.

Утворення електронно-позитронних пар. Із збільшенням енергії гамма-квантів швидко зменшується фотоелектричне поглинання, дещо повільніше – комптонівська взаємодія (див. рис. 3.7, в). Починаючи з енергій близької 1,02 МеВ і при більших її значеннях з’являється механізм утворення пар частинок (електрон-позитрон). Електронно-позитронні пари утворюються при взаємодії гамма-квантів з гравітаційним полем ядра за рахунок поглинання енергії гамма-квантів. Електрон і позитрон вилітають з атому хімічного елементу під деякими кутами і до напрямку гамма-кванту (див. рис. 3.7, в). При великих енергіях електрон і позитрон вилітають майже в напрямку розповсюдження падаючих гамма-квантів.

Таким чином, при взаємодії гамма-квантів з речовиною частина енергії первинного гамма-випромінювання поглинається при утворенні електронів віддачі, фотоелектронів і пар електрон-позитрон, а частина зберігається у вигляді енергії розсіяного гамма-випромінювання. Іонізація на шляху розповсюдження гамма-випромінювання відбувається, в основному, за рахунок вторинних електронів, які виникають при взаємодії гамма-випромінювання з речовиною.