Лекція 2 Фізичні основи, методика підготовки та проведення досліджень нейтронними методами. Метрологічне забезпечення апаратури нейтронних методів

При нейтронному каротажі вивчаються характеристики нейтронного і γ-випромінювання, що виникають при опромінюванні гірських порід джерелом нейтронів.

На практиці застосовують стаціонарні джерела випромінювань і нестаціонарні (імпульсні) джерела випромінювань нейтронів.

Результати вимірювань при нейтронному каротажі представляють у вигляді кривої зміни вторинного гамма-випромінювання (метод НГК) або густини теплових (надтеплових) нейтронів (ННК-Т або ННК-НТ) з глибиною. В свердловинному приладі, який використовується при нейтронному каротажі, міститься джерело нейтронів і індикатор γ-квантів (при НГК), або щільності нейтронів (при ННК-Т або ННК-НТ). Відстань між джерелом нейтронів і індикатором відповідає довжині зонда L_з.

2.1 Взаємодія нейтронів з речовиною

Нейтрон – електрична нейтральна нестабільна ядерна частинка ₀n. Маса нейтрона (m_n=1.0086654·10^-24 г) приблизно в 1836 разів більша маси електрона або позитрона та приблизно рівна масі протона, тобто масі ядра водню. Нейтронне випромінювання володіє найбільшою проникною здатністю із всіх видів випромінювання. Дана властивість обумовлена тим, що нейтрони не взаємодіють з електронними оболонками, не відштовхуються кулонівським полем ядра.

Нейтрони умовно діляться на декілька енергетичних груп, які приведені в таблиці 2.1, крім того нейтрони з енергією від 0,3-0,5 до 100 еВ називають надтепловими нейтронами

Нейтрони, розповсюджуючись в навколишньому середовищі, стикаються з ядрами елементів і сповільнюються (розсіюються) та втративши енергію в кінцевому результаті захоплюються ядром елементів з випромінюванням γ-квантів.

Таблиця 2.1 – Основні характеристики нейтронів

Нейтрони	Енергія Еn, еВ	Температура T, К	Швидкість Vn, см/с	Довжина хвилі n, см
Холодні	0,001	11,6	4,37·104	9,04·10-8
Теплові	0,025	295	2,2·105	1,80·10-8
Повільні	0,5	1,16·104	1,39·106	2,86·10-9
Надтеплові	30-50
Резонансні	100	1,16·106	1,39·107	2,86·10-10
Проміжні	0,5-2·105	1,16·108	1,39·108	2,86·10-11
Швидкі	2·105-2·107	1,16·1010	1,39·109	2,86·10-12

Розсіювання нейтронів може бути пружним і непружним.

При пружному розсіюванні відбувається перерозподіл кінетичної енергії між нейтроном і рухомим ядром відповідно до їх мас і кута розсіювання за принципом зіткнення пружних куль. При цьому внутрішній стан ядра і кінетична енергія системи “нейтрон-ядро” залишаються незмінними. Величина втрати енергії нейтроном при пружному розсіюванні залежить від характеру його зіткнення з ядром і маси останнього. Максимальна втрата енергії нейтроном відбувається при центральному зіткненні і коли маса атома співвимірна з масою нейтрона. Отже, водень є найкращим сповільнювачем нейтронів.

При захопленні ядром нейтрона перший переходить у збуджений стан. Перейшовши в стан збудження, ядро розпадається різними способами в залежності від степені збудження, яка визначається енергією падаючого нейтрона. У зв’язку з цим, всі нейтрони умовно діляться на декілька енергетичних груп, які приведені в табл. 2.1, крім того нейтрони з енергією від 0,3-0,5 до n·10² еВ називають надтепловими нейтронами.

Найбільш суттєвими процесами, які протікають при взаємодії нейтронів з гірською породою, є пружне і не пружне розсіювання на ядрах елементів і поглинання (захоплення) ядрами елементів, які складають гірську породу, з випромінюванням, як правило, інших частинок.

При пружному розсіюванні між нейтроном і ядром проходить перерозподіл кінетичної енергії без зміни внутрішнього стану ядра, у результаті чого швидкий нейтрон втрачає свою енергію та розсіюється під деяким кутом до початкового напрямку свого руху. Якщо кінетична енергія нейтрона більша ніж кінетична енергія ядра, то розсіяний нейтрон сповільнюється, а ядро прискорюється, і навпаки. Перетин пружного розсіювання в більшості речовин залежить від енергії нейтрона тільки у швидкій області, а в тепловій та проміжній областях майже стале. Величина втрати енергії нейтроном залежить від типу зіткнення нейтрона та ядра, а також від маси бомбардуючого ядра.

При непружному розсіюванні нейтрон спочатку захоплюється ядром, а потім викидається з нього, але вже з меншою енергією і під деяким кутом до напряму початкового руху. Ядро ж, що захопило і втратило нейтрон, залишається на деякий час у збудженому стані і потім повертається в основний (спокійний) стан, випускаючи при цьому γ-квант.

Непружне розсіювання – це порогова реакція. Енергія порогу, яка рівна енергії першого збудженого ядра, зменшується із зростанням масового числа від декількох мільйонів електрон-вольт до 100 кеВ і нижче. Відповідно, непружне розсіювання нейтронів проходить тільки при взаємодії швидких нейтронів з речовиною та переважно на важких ядрах елементів.

Швидкі нейтрони, розповсюджуючись в навколишньому середовищі, в процесі пружного і непружного розсіювання, порівняно швидко (за 10^-4 - 10^-5 с) втрачають свою енергію (до 0,025 еВ) і швидкість (до 2200 м/с) та перетворюються на теплові. Останні поглинаються ядрами внаслідок радіаційного захоплення з утворенням на першій стадії складних ядер, які потім (через 10^-12 - 10^-24 с) переходять в основний стан з випуском γ– квантів.

Поглинання нейтронів супроводжується випромінюванням протона β-, α-частинки, двох-трьох нейтронів або гамма-квантів, тобто воно проходить у реакціях (n, β), (n, α), (n, 2n), (n, γ) і т. д.

Реакція типу (n, γ) називається радіаційним захоплення нейтрону. На використанні реакції даного типу базується нейтронний гамма-каротаж. Аномально поглинають теплові нейтрони такі елементи як кадмій, хлор, бор, літій та інші.

Таким чином, нейтрони, які випромінюються джерелом і потрапивши в гірську породу, відносно швидко (за 10^-4–10^-5 с) сповільнюються у результаті пружних і частково не пружних співударів. Більша частина нейтронів минає поглинання в області високих енергій та захоплюється ядрами за реакцією захоплення (n, ), маючи достатньо малу енергію (0.025 еВ).

Розподіл нейтронів в середовищі залежить від нейтронних властивостей середовища, в основному від хімічного складу останнього. Для більшості гірських порід уповільнюючи і поглинаючі властивості визначаються вмістом водню: чим він вищий, тим швидше зменшується густина нейтронів з віддаленням від джерела нейтронів.

Вірогідність взаємодії нейтронів з речовиною кількісно характеризується нейтронним ефективним перетином розсіювання σ_р і нейтронним ефективним перетином захоплення σ_з.

Густина теплових нейтронів залежить в загальному випадку від уповільнюючих і поглинаючих властивостей середовища і визначається довжиною уповільнення L_s, коефіцієнтом дифузії D і часу життя теплових нейтронів τ.

Часом життя теплового нейтрона називається час існування нейтрона в породі з моменту його перетворення в тепловий до моменту його захоплення ядром і визначається за формулою:

, (2.1)

де Vτ – швидкість теплових нейтронів (2200 м/с); l_ср.з – середня довжина вільного пробігу нейтрона до його захоплення ядром.

Довжиною уповільнення нейтронів (довжиною дифузії) називають середню довжину шляху нейтрона від точки, де він став тепловим, до точки захоплення і визначається по формулі:

, (2.2)

де r²_ср.d – середній квадрат відстані по прямій від точки уповільнення нейтрона до точки захоплення його ядром; D – коефіцієнт дифузії, який рівний:

. (2.3)

Інтенсивність поглинання теплових нейтронів залежить від вмісту в породах елементів з високим ефективним перетином захоплення σ_з, основним з яких в осадових породах є хлор.

Таким чином, уповільнююча і поглинаюча здатність гірських порід визначають просторовий розподіл нейтронів на різних стадіях їх взаємодії з породами, на вивченні якої і засновані нейтронні методи дослідження свердловин.

Залежно від довжини зондів свердловинних приладів ми досліджуватимемо вторинне гамма-випромінювання та теплові або надтеплові нейтрони.