Лекція №11

Нейтронні методи дослідження свердловин. Взаємодія нейтронів з речовиною. Фізичні основи нейтронних методів. НГК, ННК-НТ, ННК-Т; задачі, які вирішуються. Джерела нейтронів. Залежності показів нейтронних методів від різних факторів. Багатозондовий нейтронний каротаж. Імпульсний нейтронний каротаж, Фізичні основи; Задачі, які вирішуються

Взаємодія нейтронів з речовиною

Нейтрон – електрично 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. Нейтрон – нестабільна ядерна частинка. 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.

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 таблиці 10.1, 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 непружне 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 кінетичної енергії ядра, то розсіяний нейтрон сповільнюється, а ядро прискорюється, і навпаки. Січення 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 бомбардируючого ядра. Максимальна втрата енергії нейтроном відбувається при центральному зіткненні його з ядром і особливо, якщо ядро має мале масове число. Так при зіткненні нейтрона з ядром водню, нейтрон втрачає всю енергію. Менше енергії втрачає нейтрон при нецентральному зіткненні його з ядром інших елементів.

При непружному розсіюванні нейтронів склад ядра залишається попереднім але воно приходить у збуджений стан. Після чого, ядро переходить в основний початковий стан із випромінюванням гамма-квантів. Непружне розсіювання – це порогова реакція. Енергія порогу, яка рівна енергії першого збудженого ядра, зменшується із зростанням масового числа від декількох мільйонів електровольт до 100 кеВ і нижче. Відповідно, непружне розсіювання нейтронів проходить тільки при взаємодії швидких нейтронів з речовиною та переважно на важких ядрах елементів.

Поглинання нейтронів супроводжується випромінюванням протона p, α-частинки, двох-трьох нейтронів або гамма-квантів, тобто воно проходить у реакціях (n, p), (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 в результаті пружних і частково непружних співударів. Більша частина нейтронів минає поглинання в області високих енергій та захоплюється ядрами за реакцією захоплення (n, ), маючи достатньо малу енергію (0.025 еВ).