ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОМЕТРИИ
Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращаться в ядра других элементов. Этот процесс называется радиоактивностью. Превращение ядра обычно происходит путем излучения альфа- или бета-частицы (α- и β-распад), реже наблюдается захват ядром одного из электронов оболочки атома (К-захват). Каждый вид распада сопровождается испусканием гамма-квантов.
Альфа- и бета-лучи представляют собой соответственно поток ядер гелия (т. е. частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов) и поток быстрых электронов. Проходя через вещество, они замедляются, затрачивая энергию на ионизацию атомов. Пробег бета-частиц в твердых телах и жидкостях составляет обычно не более нескольких миллиметров; пробег альфа-частиц в несколько сот раз меньше.
Гамма-лучи представляют поток «частиц» (квантов) высокочастотного электромагнитного излучения наподобие света, но с гораздо меньшей длиной волны, т. е. с большей энергией кванта. Пробег гамма-квантов в веществе в несколько десятков раз больше пробега для бета-частиц той же энергии.
Энергию гамма-квантов и других ядерных частиц принято выражать в электрон-вольтах (эВ), или миллионах электрон-вольт (МэВ): 1 эВ = 1,602·10-19 Дж. Энергия альфа и бета-частиц и гамма-квантов, испускаемых радиоактивными ядрами, изменяется от долей до 3 МэВ.
Число ядер радиоактивного элемента уменьшается со временем экспоненциально:
(II.1)
где N0 - число ядер радиоактивного элемента в начальный момент времени (t = 0); Т1/2 - период полураспада, т. е. время, в течение которого распадается в среднем половина атомов радиоактивного изотопа.
Количественной характеристикой радиоактивности некоторого вещества (препарата) является число распадов за единицу времени. Для данного радиоактивного изотопа количество распадов А за 1 с прямо пропорционально числу его атомов N, т. е.
. (II.2)
Коэффициент пропорциональности λ, называемый постоянной распада, связан с периодом полураспада соотношением
(II.3)
Таким образом, чем меньше период полураспада, тем при одинаковом количестве радиоактивного изотопа больше радиоактивность препарата.
Абсолютная радиоактивность (активность) вещества определяется числом распадов в 1 с (расп./с). Активность в 1 расп./с принимается за единицу радиоактивности и носит название беккерель (Бк). Существует внесистемная единица Кюри (Ки), равная активности 1 г 226Ra (1 Ки = 3,7·1010 Бк).
Поскольку энергия и количество гамма-квантов на 1 распад различны для различных радиоактивных изотопов, величина радиоактивности в беккерелях недостаточна для суждения о гамма-активности - вещества. Для ее характеристики еще недавно использовали специальную единицу — миллиграмм-эквивалент радия (мг·экв. Ra). Радиоактивное вещество имеет активность в 1 мг·экв. Ra, если его гамма-излучение обладает такой же ионизирующей способностью, что и излучение 1 мг радия (в равновесии с продуктами его распада) после прохождения через платиновый фильтр толщиной 0,5 мм.
Рис. 38. Схема основных типов взаимодействия гамма-квантов с веществом.
а - фотоэффект; б - эффект образования пар; в - криптон-эффект; 1 - ядро; 2 - электрон; 3 - гамма-квант до взаимодействия; 4 - рассеянный гамма-квант; 5 - электрон или позитрон
|
Для понимания зависимости показаний многих радиоактивных методов исследования скважин от свойств горных пород необходимо представить себе закономерности прохождения гамма-квантов через вещество. Для тех энергий, которые встречаются при радиометрии скважин (до 10 МэВ), существенных три типа взаимодействия: фотоэлектрическое поглощение, эффекты образования пар и рассеяния гамма-квантов (рис. 38),.
При фотоэлектрическом поглощении (фотоэффекте) гамма-квант исчезает вследствие передачи всей его энергии одному из электронов атома.
Комптоновское рассеяние (эффект Комптона) происходит в результате соударения кванта с одним из электронов. Гамма-квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения.
Эффект образования пар сводится к исчезновению кванта с образованием пары частиц — электрона и позитрона.
Вероятность взаимодействия гамма-кванта с атомом какого-либо элемента пропорциональна числу таких атомов в единице объема вещества и так называемому поперечному сечению атома для данного вида взаимодействия. Кроме порядкового; номера элемента и типа взаимодействия (рассеяние, фотоэффект и т.п.), поперечное сечение зависит от энергии кванта.
Вероятность того, что гамма-квант на единице длины пути испытывает взаимодействие с каким-нибудь атомом элемента, определяется произведением концентрации ni атомов этого элемента на сечение, σi; элемента для данного типа взаимодействия. Общая вероятность взаимодействия гамма-кванта с каким-либо из атомов на длине пути в 1 м равна сумме таких произведений для всех элементов, входящих в состав данного вещества. Эта сумма называется макроскопическим сечением взаимодействия для рассматриваемого вещества или линейным коэффициентом ослабления и обозначается μ. Величина 1/μ равна среднему пути, проходимому частицей до взаимодействия с каким-либо, атомом вещества. Значения суммарного макроскопического сечения взаимодействия гамма-квантов (в результате всех трех типов взаимодействия) в типичных горных породах составляют примерно 40, 15 и 6 м-1 при энергии гамма-квантов 0,1; 1 и 6 МэВ соответственно.
Вероятность фотоэлектрического поглощения резко возрастает с увеличением атомного номера элемента и с уменьшением энергии гамма-кванта: сечение прямо пропорционально атомному номеру элемента в четвертой степени и обратно пропорционально третьей — пятой степени энергии. В породах, состоящих из легких элементов (например, в большинстве осадочных пород), сечение фотоэффекта становится пренебрежимо малым уже при энергии кванта 0,2—0,3 МэВ. Для тяжелых элементов фотоэффектом нельзя пренебречь даже при энергии в несколько мегаэлектрон-вольт.
В интервале энергии 0,1—10 МэВ для легких и 0,5—5 МэВ для тяжелых элементов преобладающим процессом взаимодействия является комптон-эффект.
Вероятность комптоновского рассеяния не зависит от химического состава вещества. Макроскопическое сечение этого процесса пропорционально количеству электронов в единице объема (электронной плотности вещества) и несколько убывает с ростом энергии кванта. Число электронов nе в единице объема вещества
(II.4)
где NA - число Авогадро; Z - атомный номер; М - атомная масса; δ — плотность вещества.
Для легких элементов (до кальция включительно) отношение Z/M практически одно и то же и равно 0,5. Поэтому для, большинства горных пород, состоящих преимущественно из легких элементов, число электронов в единице объема, а следовательно, и макроскопическое сечение комптоновского рассеяния (а при энергии 0,2—5 МэВ и полное сечение) оказывается пропорциональным плотности среды.
Поперечное сечение эффекта образования пар увеличивается с ростом атомного номера пропорционально Z2. При энергии кванта менее 1,02 МэВ этот процесс не происходит, а при большей энергии его сечение растет с увеличением энергии. Для большинства горных пород он становится существенным лишь при энергии гамма-кванта более 5 МэВ. Часто им можно пренебречь.
Закон ослабления плотности потока гамма-излучения (т. е. числа гамма-квантов, проходящих через единицу площади) от точечного источника в некоторой среде выражается приближенной формулой.
(II.5)
где Ф - плотность потока гамма-квантов на расстоянии r; Q - общее число квантов, испускаемых источником; μ — суммарное макроскопическое сечение среды для всех процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом.
Поток гамма-квантов не является исчерпывающей характеристикой интенсивности поля гамма-квантов и его воздействия на вещество. Такое воздействие зависит не только от числа квантов, падающих на вещество, но и от их ионизирующей способности, которая различна для квантов с различной энергией. Учитывая это, интенсивность гамма-излучения в данной точке пространства принято характеризовать величиной, называемой экспозиционной дозой (ниже просто «доза»). Единицей дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Доза равна 1 Кл/кг, если в результате ионизации излучением в 1 кг абсолютно сухого воздуха образуются заряды в 1 Кл (каждого знака). Доза, создаваемая в единицу времени, называется мощностью дозы. ЕЕ единица 1 А/кг. В литературе встречается также внесистемная единица дозы — рентген (1P = 2,58·10-4Кл/кг) и единица мощности дозы — микрорентген в час (1 мкР/ч = 71,7·10-15 А/кг). Для примера укажем, что радиевый источник активности 1 мКи на расстоянии 1 м от него создает в воздухе мощность дозы 850 мкР/ч. С изменением расстояния от источника мощность дозы уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.
Вторым видом ядерных частиц, имеющим важнейшее значение при исследовании скважин, являются нейтроны.
В качестве источников нейтронов используют чаще всего смесь порошков бериллия с радиоактивным веществом, испускающим альфа-частицы (например, полоний, плутоний и др.). При бомбардировке ядер атомов бериллия альфа-частицами радиоактивного вещества происходит ядерная реакция:
,
где через обозначен нейтрон.
Такие источники, представляющие небольшие герметические ампулы и потому называемые ампульными, дают быстрые нейтроны с энергией, достигающей для полоний-бериллиевых источников 11 МэВ; максимумы распределения по энергии приходятся на 3 и 5 МэВ. Интенсивность таких источников при исследовании скважин, как правило, составляет не менее (3—4)·106 нейтр./с, для чего активность Ро или Ри должна быть порядка 1011 Бк.
Нейтронным источником другого типа, используемым при исследовании скважин, является генератор нейтронов. В нем титановая или циркониевая мишень с растворенным в ней изотопом водорода тритием бомбардируется дейтонами (ядрами тяжелого водорода ), ускоренными линейным ускорителем под напряжением около 105В. По реакции
образуются нейтроны с энергией 14 МэВ. Более высокая энергия нейтронов и монохроматизм излучения являются преимуществом таких генераторов. Другое преимущество - возможность выключения источника, что повышает безопасность работ и позволяет доводить его интенсивность до 108-109 нейтр./с.
Источники третьего типа — некоторые изотопы трансурановых элементов, например, калифорния (252Cf), претерпевающие интенсивное самопроизвольное деление ядер с испусканием нейтронов.
Будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают действия электронной оболочки и заряда ядра, поэтому обладают большой проникающей способностью. Кроме того, при соударении с ядрами они вызывают разнообразные ядерные реакции, что делает их весьма полезными при изучении ядерного, а следовательно, и химического состава горных пород. Реакции с участием нейтронов разделяются на две группы: рассеяние и поглощение нейтронов. Рассеяние бывает упругое и неупругое.
Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шаров: часть кинетической энергии нейтрона передается ядру без изменения внутреннего состояния последнего. Сечение упругого рассеяния большинства ядер при Е<n·10-1 МэВ почти постоянно, а при большей энергии нейтронов существенно зависит от энергии последних. Из основных элементов горных пород наибольшее сечение упругого рассеяния (20-80)·10-28 м2 характерно для водорода.
Потеря энергии нейтрона при его упругом соударении зависит от массы ядра. Наибольшее изменение энергии достигается при соударении с ядром водорода, масса которого наиболее близка к массе нейтрона. При столкновении с ядром водорода нейтрон в среднем уменьшает свою энергию в 2 раза, тогда как, например, для ядер кислорода и кремния это уменьшение составляет всего 11 и 6%. Благодаря высокому сечению рассеяния и большой потере энергии при соударении водород является аномальным замедлителем нейтронов.
При неупругом рассеянии энергия нейтрона расходуется не только на создание кинетической энергии ядра, но и на его возбуждение, т. е. увеличение его внутренней энергии. Потеря энергии в среднем больше, чем при упругом рассеянии. Однако неупругое рассеяние на легких элементах происходит лишь при больших энергиях нейтронов и в радиометрии скважин играет меньшую роль, чем упругое рассеяние.
Поглощение нейтронов сопровождается испусканием какой-либо ядерной частицы. Это может быть протон (обозначается р), альфа-частица (α), один или несколько гамма-квантов и т.д. Соответствующие ядерные реакции принято обозначать (n, p), (n, α)и (n, λ). Последняя реакция с испусканием гамма-квантов называется радиационным захватом нейтрона.
Реакция радиационного захвата с заметной вероятностью происходит лишь при малой энергии нейтрона (для легких ядер менее 1—10 эВ). Сечение этой реакции убывает обратно пропорционально скорости нейтронов. Реакции (n, p) и (n, α), наоборот, происходят обычно лишь при очень высокой энергии нейтронов (как правило, выше 5 МэВ) и при радиометрии скважин имеют ограниченное значение. Исключение составляет реакция (n, α) на некоторых легких элементах (бор, литий), реакция (n, p) на очень редком изотопе гелия и некоторых др. Они аналогично реакции (n, λ) наиболее интенсивно протекают с медленными нейтронами.
Нейтроны, испущенные источником и попавшие в горную породу, относительно быстро замедляются в результате упругих и частично неупругих соударений. Поэтому большинство из них избегает поглощения в области высокой энергии и захватывается ядрами по реакции радиационного захвата, уже имея очень малую энергию, близкую к энергии теплового движения атомов среды (порядка 1/40 эВ). Поэтому результатом поглощения нейтронов обычно являются гамма-кванты, за исключением пород, богатых бором и литием, где кроме гамма-квантов образуются также альфа-частицы.
Спектр гамма-излучения1 радиационного захвата различен для разных элементов. Это различие может быть использовано для определения элементного состава горных пород.
При поглощении нейтронов ядрами некоторых изотопов они становятся радиоактивными. Поэтому кроме гамма-излучения радиационного захвата, испускаемого практически в момент захвата и потому наблюдаемого лишь одновременно с облучением породы нейтронами, существует еще гамма-излучение активированных ядер, которое можно наблюдать и после выключения или удаления источника нейтронов.
1 Под спектром излучения понимается совокупность значений энергии отдельных частиц и число частиц каждой энергии.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|