3.3.2 Гамма–гамма–каротаж

Гамма–гамма–каротаж (ГГК) заключается в облучении горных пород γ – квантами искусственного источника и измерении рассеянного γ –излучения. Аппаратура ГГК устроена так же, как и аппаратура ГК, но скважинный снаряд дополняется источником γ – квантов (рис.3.27).

Расстояние между центрами детектора и источника называется длиной зонда. Чтобы прямое γ – излучение источника не попадало на детектор, между ними помещают свинцовый экран.

Поскольку рассеянное излучение имеет более низкую энергию, чем прямое, то для уменьшения его поглощения в буровом растворе детектор γ – квантов так же, как и источник, прижимают к стенке скважины, а для уменьшения влияния кавернозности стволов скважин и детектор, и источник обычно размещают в небольшом выносном блоке, прижимаемом к стенке скважины и способном заходить в каверны.

 

Рисунок 3.27 – Устройства скважинных приборов для гамма –гамма – каротажа.

Процессы взаимодействия γ – излучения с веществом

Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотопоглощения, комптоновского рассеяния и образования пар.

Фотопоглощение (или фотоэффект) заключается в поглощении γ – кванта атомом вещества, при этом его энергия уходит на отрыв электрона от атома и сообщение последнему импульса энергии (рис. 3.28, а).

 Рисунок 3.28 – Виды взаимодействия гамма – квантов с веществом, где: а – фотоэффект; б – комптоновское рассеяние; в – образование пар; в – ядерный  фотоэффект.

Атом остается возбужденным и переходит в нормальное состояние, испуская фотон рентгеновского излучения. (Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях γ – квантов). Вероятность поглощения  τ_ф, при фотоэффекте   зависит   от   энергии   γ – кванта    Е_γ    и химического состава вещества.

Комптоновское рассеяние – это рассеяние γ – квантов на электронах вещества, в результате которого γ – квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения (рис.3.28,б). Наблюдается Комптон – эффект при более высоких энергиях, условно можно считать Е_γ > 0,5 МэВ.

Вероятность комптон–эффекта τ_γ зависит от сечения комптоновского рассеяния σ_к, которое, в свою очередь, является функцией энергии и атомного номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества п_e.

Образование пар происходит при взаимодействии γ – кванта с полем ядра атома, γ – квант прекращает свое существование, а вместо него образуется пара: электрон и позитрон (рис.3.28,в). Вероятность   этого   процесса   невелика поскольку ядро занимает лишь небольшую часть объема всего атома и энергия γ – кванта должна быть достаточной для этой реакции (E_γ > 1,02 МэВ). Процесс образования  пар в геофизических методах исследования скважин пока не используют.

Ядерный фотоэффект заключается в поглощении γ – кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормальное состояние через испускание нейтрона (рис.3.28,г).

Нейтрон имеет тепловую энергию. Эта реакция пороговая – энергия γ – кванта должна быть больше энергии связи нейтрона в ядре, а она зависит от массы последнего.

Все рассмотренные процессы в горных породах при облучении их

γ – квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно. Быстрые γ – кванты исчезают в результате образования пар и замедляются в результате комптоновского рассеяния, рассеянные поглощаются в результате фотоэффекта. Преобладание того или иного процесса зависит от энергии γ – квантов и свойств горной породы – ее плотности и эффективного номера (рис.3.29).

В зависимости от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный γ – γ – каротаж.