2. Источники γ-излучения и нейтронов

В качестве источников γ-излучения в скважинной аппара­туре в настоящее время используют в основном радиоактивные вещества — радиоизотопные источники. Генераторы γ-излучения создают на базе линейных ускорителей заряженных ядерных частиц.

Радиоизотопные источники, применяемые в скважинной аппаратуре, представляют собой радиоактивный препарат, поме­щенный в герметические ампулы из нержавеющей стали или алюминия. Они, как правило, испускают и β-излучение, однако последнее поглощается в корпусе ампулы или может быть исключено дополнительным экранированием.

Наиболее удобные и экономичные γ - источники созданы на базе β - активных изотопов (табл.1). Реже в основном в каче­стве эталонов при эталонировании аппаратуры ГК. используют источники из изотопов радия (²²⁶Ra, MsTh). Иногда мягкое γ -излучение получают путем торможения β -частиц радиоактив­ных веществ (тормозное излучение).

Гамма-излучение в ускорителях получают в результате тор­можения ускоренных частиц, обычно электронов, в мишени из тяжелого материала или путем ядерных реакций, вызываемых ускоренными частицами с большой массой. Тормозное излуче­ние имеет сплошной спектр, простирающийся от нуля до энер­гии ускоренных заряженных частиц.

Спектр γ - излучения, образующегося в ядерных реакциях, как и для радиоактивных изотопов, определяется переходами между уровнями энергии ядра — продукта реакции, и является дискретным. Наиболее широко используют реакции (р, γ) и (р, α, γ) на легких элементах. Реакция ⁷Li (p, γ )⁸Ве дает γ -излучение с энергией 17,6 МэВ (67%) и 14,8 МэВ (33%) при энергии протонов 0,46 МэВ. Реакция ¹⁹F(p, α, γ ) ¹⁶О, осущест­вляемая при энергии протонов 0,34 МэВ, сопровождается γ - излучением с энергией 6,3 МэВ. Однако получение достаточно интенсивного γ –излучения требует ускорения протонов до 1—1,5 МэВ. Для ускорения электронов в источниках тормоз­ного излучения используют известные из физики линейные волноводные ускорители.

В качестве источников нейтронов в скважинной аппаратуре используют ампульные (радиоизотопные) источники, а также скважинные генераторы нейтронов на базе линейных ускори­телей.

Ампульный радиоизотопный источник нейтронов представ­ляет собой обычно смесь или сплав α - излучателя с бериллием или бором. При бомбардировке Be или В α - частицами проис­ходит реакция (α, п), например ⁹Ве(α, n)¹²С; ¹¹В(α, n)^I4N. Спектр нейтронов для этих реакций сплошной (рис.3) в пер­вую очередь за счет потери части энергии α -частиц на иониза­цию в веществе самого источника. В качестве α -излучателя чаще всего применяют ²¹⁰Ро или ²³⁹Ри. Достоинством первого является практически полное отсутствие γ - излучения [не считая γ-квантов, сопровождающих часть (α, п) реакций] и малая масса препарата, обусловленная небольшим периодом полураспада. Недостаток Ро — слишком малый период полураспада. Преимущество Ри заключается в большом периоде полураспада, недостаток — значительная масса на единицу активности, опре­деляющая несколько большие размер и стоимость источников по сравнению с источниками на базе Ро. Источники с бором дают более мягкий спектр нейтронов, чем источники с берил­лием (см. рис.3, табл.2).

Конструктивно Ро—Be- и Ро—В-источники представляют собой герметичные двойные ампулы из нержавеющей стали или хромированной латуни, внутри которых расположена стеклян­ная ампула с порошком карбида бериллия (керамическая таблетка) или карбида бора с осажденным на нем ^2ШРо. Ри—Ве - источники это двойные ампулы, заполненные сплавом PuBe₁₃.

К ампульным источникам относятся также источники из спонтанно делящегося материала, в первую очередь из ²⁵²Cf. При не слишком большом периоде полураспада и значительном выходе реакции деления такие источники могут иметь исклю­чительно высокую мощность на единицу массы.

ТАБЛИЦА 1. Характеристика некоторых радиоизотопных источников γ - излучения, используемых при радиоактивных методах исследования скважин

Рис.3. Спектры нейтронных источников

ТАБЛИЦА 2. Характеристика некоторых ампульных источников нейтронов, используемых при радиоактивных методах исследования скважин

Скважинные генераторы нейтронов представляют собой линейные ускорители дейтонов. Нейтроны возникают при бом­бардировке дейтонами мишеней, содержащих дейтерий, тритий или бериллий. Наибольший выход нейтронов (с энергией 14 МэВ) дает реакция ³H(d, n)⁴He. Дейтоны обычно ускоряют нейтроны до 100—200 кэВ. Реакция ²H(d, n)³He дает нейтроны с энергией 2,5 МэВ, причем выход нейтронов почти на два порядка ниже, чем для реакции в тритиевой мишени.

Основными частями скважинного генератора нейтронов являются источник ионов, ускорительная трубка и источник высокого напряжения.

Пример ускорительной трубки, используемой в серийном скважинном генераторе ИГН-4, показан на рис.4. Она пред­ставляет собой стеклянный баллон 4, заполненный дейтерием под давлением (3—5)•10^-2 Па. Внутри трубки расположены высоковольтный электрод 1 с титановой мишенью 7, насыщен­ный ³Н активностью 37 ГБк. Электроны, эмиссируемые като­дом 6 ионного источника, ускоряются разностью потенциалов в несколько сотен вольт, приложенной между катодом и ано­дом 2 ионного источника, и производят ионизацию дейтерия, заполняющего трубку. Для удлинения пути электронов и усиления их ионизирующего действия на трубку надета ка­тушка 3, создающая продольное магнитное поле. Под совмест­ным действием продольного магнитного и электрического полей электроны движутся по спиралям. Образовавшиеся ионы дейтерия притягиваются мишенью, находящейся под высоким (~10⁵ В) отрицательным напряжением. При бомбардировке ими ядер ³Н, сорбированного в мишени, генерируются нейтроны. Подавая импульсное напряжение на анод ионного источника, получают импульсные потоки нейтронов.

Титановая проволочка 5 служит хранилищем дейтерия. В на­стоящее время разработана серия нейтронных трубок (НТ-10, НТ-16, НТ-21 и др.) для скважинных генераторов с выходом, нейтронов 10⁸—10⁹ с-¹.

Рис.4. Схема отпаянной трубки генератора нейтро­нов