Сделай Сам Свою Работу на 5

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<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.