ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОCУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Геофизические методы исследования скважин. Радиометрия скважин

Методические указания

для студентов 4 курса специальности «Геофизика»

Уфа

РИЦ БашГУ

2007

Печатается по решению кафедры геофизики

Протокол №2 от 29 сентября 2006 г.

Составитель: д.ф.-м.н., доцент Р.Ф.Шарафутдинов

h

Содержание

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………...4

1. РАДИОАКТИВНОСТЬ………………………………………………………………. 4

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ..6

3. ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ………………………………7

3.1. Радиологическая безопасность………………………………………………………7

3.2. Основные дозиметрические величины и единицы……………………………….7

3.3. Предельно допустимые дозы облучения……………………………………………8

4. РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА…………………………………………..11

4.1. Аппаратура для ГМ и ГГМ………………………………………………………….11

4.2. Сцинтилляционный спектрометр…………………………………………………..15

5. ГАММА-МЕТОД………………………………………………………………………..15

5.1. Радиоактивность горных пород…………………………………………………….16

5.2. Кривые ГМ…………………………………………………………………………….17

5.3. Гамма-спектрометрия………………………………………………………………..20

6. ГАММА- ГАММА-МЕТОД……………………………………………………………21

7. НЕЙТРОННЫЕ МЕТОДЫ……………………………………………………………24

7.1. Стационарные нейтронные методы………………………………………………..24

7.2. Импульсные нейтронные методы…………………………………………………..28

8. УГЛЕРОДНО – КИСЛОРОДНЫЙ КАРОТАЖ……………………………………..29

Литература…………………………………………………………………………………..33

В В Е Д Е Н И Е

Настоящее методическое пособие составлено в соответствии с программой курса «Радиометрия скважин», читаемого для студентов специализации «Геофизика». Оно определяет тот минимум информации, который должны знать студенты для выполнения практических работ в лаборатории «Радиометрии».

В пособии приведены физические основы радиометрии, большое внимание уделено дозиметрии ионизирующих излучений, а также рассмотрены геофизические методы, основанные на регистрации ядерных излучений.

Учебники по курсу: [1], [2], [3].

1. Радиоактивность

В 1896 году Антуан Анри Беккерель, французский физик и химик первым обнаружил явление радиоактивности урановых соединений. Беккерель наблюдал почернение фотографических пластинок завернутые в плотную черную бумагу с солью урана. Он обнаружил, что свойство испускать невидимые лучи принадлежит урану и их свойства не зависят от внешних условий.

Эрнест Резерфорд установил, что излучение радиоактивных веществ разделяется магнитным полем на -частицы (ядра гелия) и  - частицы (электроны). В последствии Пауль Вилард открыл еще одну компоненту излучения -  - лучи, которые испускаются радиоактивными источниками и не отклоняются магнитным полем;  - лучи являются высокоэнергетической формой электромагнитных волн. Всякое атомное ядро, которое изменяет свою структуру, испуская  - лучи или другие ядерные частицы, например,  ^- или ⁺ - частицы, называется радиоактивным ядром. Всего в природе найдено 272 стабильных атомных ядра химических элементов. Все остальные ядра, называемые радиоизотопами, радиоактивны в той или иной мере.

Французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий. М. Кюри назвала самопроизвольное излучение атомов - радиоактивностью.

Естественная радиоактивность – это явление самопроизвольного распада ядер радиоактивных изотопов на другие изотопы с испусканием альфа-, бета- и гамма-излучения.

Горные породы состоят из атомов различных элементов (рис.1). Атомы состоят из ядра и электронов. Ядро образуют Z протонов и N нейтронов (Z – атомный номер, M=Z+N – массовое число). Нейтральные атомы содержат Z орбитальных электронов. Изотопы имеют тот же атомный номер Z, но разное массовое число M.

Рис.1.

Ниже приводимые процессы характеризуют различные типы реакций ядерных распадов естественно радиоактивных ядер:

ЗдесьV обозначают антинейтрино, символом обозначено ядро, находящееся в возбужденном состоянии. Ядро возвращается в свое основное состояние

, испуская  - квант.

Радиоактивный распад – это статистический процесс, обычно описываемый распределением Пуассона (оно описывает вероятность P распада x в интервале времени t).

,

где - среднее количество распадов в интервале времени.

Однако при достаточно большом числе радиоактивных атомов среднее число распадов в единицу времени почти постоянно, и поэтому можно говорить о законе уменьшения количества радиоактивных ядер во времени. Этот закон имеет вид

,

где N₀ - число ядер радиоактивного элемента в начальный момент времени (t = 0); N – то же, в момент времени t; Т – период полураспада, т.е. время, в течение которого распадается в среднем половина атомов данного радиоактивного изотопа, с.

Количественной характеристикой радиоактивности некоторого вещества (препарата) является число распадов за единицу времени. Для радиоактивного изотопа количество распадов А за 1 час прямо пропорционально числу его атомов N:

  

Коэффициент пропорциональности , называемый постоянной распада, связан с периодом полураспада соотношением

  ln2/T = 0.693/T

Постоянная распада измеряется в с^-1.

За единицу радиоактивности, называемую беккерель (Бк), принимается активность вещества, в котором происходит 1 расп/с. Внесистемная единица -кюри (Ки) равна 3,7  10¹⁰ Бк, т.е. числу распадов в 1 г ²²⁶ Ra.

Поскольку энергия и количество -квантов за один распад различны для разных радиоактивных изотопов, величина радиоактивности в кюри недостаточна для суждения о гамма-активности вещества. С целью характеристики последней широко используют вне системную единицу миллиграмм-эквивалент радия (Мг.экв.Ra – активность препарата, -излучение которого обладает такой же ионизирующей способностью, как и излучение 1 мг ²²⁶Ra (вместе с продуктами его распада) после прохождения через платиновый фильтр толщиной 0,5 мм.