23. Ядерно-физические методы гис. Классификация. Их роль в комплексе гис.

Радиометрией скважин называют совокупность методов, основанных на регистрации различных ядерных излучений, главным образом гамма-квантов и нейтронов.

Эти методы подразделяются на методы регистрации естественных излучений горных пород (радиометрия естественных излучений) и методы регистрации излучений, возникающих при облучении горных пород внешними источниками, помещенными в скважинном приборе (радиометрия вторичных излучений). Из первой группы методов в настоящее время используется метод естественной радиоактивности (гамма-метод). Группа методов радиометрии вторичного излучения включает две подгруппы — методы основанные на облучении горных пород соответственно гамма-квантами и нейтронами.

В нефтяных и газовых скважинах из методов первой подгруппы применяют в основном метод рассеянного гамма-излучения (гамма- гамма-метод), из второй подгруппы — нейтрон-нейтронный метод и нейтронный гамма-метод, импульсные нейтронные методы и метод наведенной активности.

К радиометрии скважин иногда относят также метод ядерного магнитного резонанса (ядерный магнитный каротаж), хотя и не связанный с регистрацией ядерных частиц, но использующий некоторые ядерные свойства элементов горной породы.

Существенная особенность ядерных методов заключается в принципиальной возможности определения с их помощью концентрации отдельных элементов в горных породах. Важным преимуществом большинства ядерных методов является также и то, что они могут применяться как в необсаженных, так и обсаженных скважинах. На их показания относительно слабо влияет и характер жидкости в стволе скважины.

24. Ядерные излучения и их взаимодействия с горными породами. Характеристики и параметры.

После «выхода» быстрых нейтронов из источника, их поведении определяется 3-мя одновременно протекающими процессами:

• Замедлением, т.е. которой энергией в результате столкновения n01 с ядрами среды.

• Диффузией, т.е. перемещением в среде, пространственно распространением нейтронного потока.

• Поглощением, т.е. захватом нейтронов ядрами вещества.

При замедлении нейтронов от энергии источника до надтепловой (~0,1-1МэВ) не происходит их поглощение, а лишь рассеяние, согласно описанных ранее типов взаимодействия. Основная роль, влияющая на поток n01, принадлежит среде, или замедлению нейтронов.

Водородосодержащие среды (вода и др.) обычно являются прекрасным замедлителем, т.к. даже при небольшой концентрации ядер водороде (5%) внизу аномально высокого сечения (замедления) на водороде, поэтому в таких веществах n01 теряет свою энергию уже после первых нескольких соударей.

Нейтроны	Энергия, Эв	Скорость, см/сек
Быстрые	2∙105-2∙107	1,4∙109
Тепловые	0,025	2,2∙105

Нейтрон – электрически нейтральная ядерная частица n01. Масса – 1,0086∙10-24 г., что в 1836 раз больше массы электрона, и равна массе протона, т.е. массе ядра водорода. Распадается с T1/2→12,8 мин на протон, электрон, антинейтрино с выделением энергии 0,78 Мэв

n01→1р1+е-+J+E

Обладает наибольшей проникающей способностью из всех видов излучений, используемых в радиометрии скважин. (воздухе до 300м).

Упругое рассеяние при энергиях от нескольких МэВ до 0,1эВ. Вызывает перераспределение кинетической энергии между нейтронами и ядром, при этом часть энергии нейтрона передаётся ядру.

В случае неупругого рассеяния бОльшая часть кинетической энергии нейтрона расходуется на возбуждение рассеивающего ядра. Характерно для быстрых нейтронов с E=1...15МэВ.

Нейтроны, достигшие теплового состояния, продолжают двигаться, испытывая столкновения с ядрами элементов без изменения средней энергии и длины звеньев между отдельными столкновениями. В результате происходит поглощение\захват нейтрона ядром атома (Cl, F, B, Cd).

α – лучи- поток частиц, которые являются ядрами атомов гелия (He24).

При прохождении через вещество энергия α – частиц расходуется приимущественно на ионизацию атомов*. Длина пути проходимого α – частицей, до полной потери энергии, называется пробегом: в воздухе она меньше 11,5 см, в твёрдом веществе – микроны.

β – лучи – поток частиц несущий отрицательные (электроны), или положительные (позитроны) заряды. Они имеют большую чем α- частицапроникающую способность ( но не больше 8-9мм в горной породе).

ϒ- лучи – поток нейтральных частиц, имеющих ту же природу, что и радиоволны, свет, и отличаются от них высокой частотой колебания. Из-за электрической нейтральности ϒ-квантов проникающая способность лучей в горных породах достигает десятки см и используется при регистрации естественной и искуственной радиоактивности.

Взаимодействие ϒ-квантов с веществом (породой)':

 Фотоэффекта

 Комптон-эффекта

 Эффекта образования электрон-позитронных пар.

Фотоэффект - Характерен для ϒ-квантов с энергией не более 0,5 МэВ, ϒ-квант передаёт всю свою энергию и полностью поглощается, а электрон вылетает полностью за пределы атома. Такой процесс «выравнивания» электрона из атома называется фотоэффектом. Атом вещества, потерявший электрон, оказывается в возбуждённом состоянии, которое восстанавливается, испусканием кванта ренгеновского излучения – фотоэлектроны. Последние вылетают преимущественно перпендикулярно к распространению пучка ϒ-квантов.

Комптоновское взаимодействие (поглощение и рассеивание)

Наблюдается для ϒ-квантов энергий 0,2-3 МэВ, свойственных ϒ – излучению естественных радиоактивных элементов, является основным механизмом взаимодействия ϒ-квантов с веществом.

Комптон взаимодействие происходит на электронах при энергии ϒ-квантов превращающих энергию связи электронов на орбитах.

ϒ-квант передаёт часть своей энергии электронам, а сам изменяет своё направление и приобретает энергию hv’ и отклоняется на гол ϕ к первоначальному направлению. Электрон вылетает из атома под углом ϕ.

Образование электрон-позитронных пар

С увеличением энергии ϒ-квантов уменьшается фотоэффект и комптоновское взаимодействие. Начиная с энергии ≈1,02 МэВ и при больших её значениях появляется механизм образования пар: электрон-позитрон. Э-п пары образуются при взаимодействии ϒ-квантов с полем ядра за счёт поглощения энергии ϒ-квантов. Электрон и позитрон вылетают из атома химического элемента под углами ϕ и ϕ’ к направлению ϒ-кванта.