Астронет > Геофизические методы исследования земной коры. Часть 1

Астронет: Геологический факультет МГУ Геофизические методы исследования земной коры. Часть 1
http://variable-stars.ru/db/msg/1173309/page52.html

Геофизические методы исследования земной коры

15.2.3. Нагрев за счет радиоактивности.

В ходе поглощения альфа-, бета-, гамма-лучей горными породами происходит их нагрев. Самые распространенные радиоактивные минералы (уран, торий, калий-40) имеют период полураспада, сравнимый с возрастом Земли, поэтому они являются основными источниками радиогенного тепла в прошлом, настоящем и будущем.

15.3. Ядерно-физические свойства горных пород

15.3.1. Общая характеристика ядерно-физических свойств.

Под ядерно-физическими (гамма- и нейтронными) свойствами горных пород понимают их способность по-разному рассеивать, замедлять и поглощать гамма-кванты или нейтроны разных энергий. Эти свойства вытекают из рассмотренных выше физических явлений,сопровождающих взаимодействие гамма-квантов с электронами и ядрами атомов (фотоэлектрическое поглощение, комптоновское взаимодействие, образование электронно-позитронных пар и др.) или нейтронов с ядрами атомов (неупругое и упругое рассеяние и поглощение, сопровождающееся захватом тепловых нейтронов ядрами атомов и вторичным гамма-излучением). Вероятность того или иного взаимодействия зависит от энергии гамма-квантов или нейтронов, от пути проходящего излучения в горной породе и ее ядерно-физических свойств. Основными из этих свойств являются микро- или макроскопические сечения взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с отдельными или всеми атомами изучаемой горной породы.

15.3.2. Гамма-лучевые свойства горных пород.

Основным гамма-лучевым свойством породы является ее способность поглощать и рассеивать гамма-лучи. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения $\mu_{\gamma }$ или суммарным (полным) макроскопическим сечением взаимодействия гамма-лучей с единицей объема горной породы (см. (6.3)). Для узкого пучка гамма-квантов его определяют с помощью следующих уравнений:

${\mu }_{\gamma } = \sum\limits_{i=1}^{k} \sigma_{\gamma i} {N}_{i},\; {I}_{\gamma } = {I}_{\gamma o} {e}^{-{\mu }_{\gamma} L}$

(6.4)

где $\sigma_{ \gamma i}$ - микроскопическое сечение взаимодействия атома i-го химического элемента с гамма-квантом при общем количестве атомов этого элемента в единице объема $N_{i}$ и общем числе элементов $K$ ; $I_{ \gamma } , I_{ \gamma 0}$ - интенсивность гамма-излучения в конце и начале поглощающего слоя толщиной $L$ . Практически определяют эффективный коэффициент ослабления $\mu_{ \gamma эф}$ по экспериментально полученной интенсивности вторичного гамма-излучения:

${I}_{\gamma эф} ={I}_{\gamma 0} \cdot {e}^{-{\mu }_{\gamma эф} L}.$

(6.5)

Макроскопическое сечение взаимодействия, или эффективный линейный коэффициент ослабления, зависит от порядковых номеров в периодической системе Менделеева и массовых чисел химических элементов всей горной породы, а также ее плотности $\sigma$ . На изменении этих свойств основаны методы изучения химического состава и плотности горных пород по интенсивности вторичного (рассеянного) гамма-излучения ( $I_{ \gamma \gamma } = -I_{ \gamma \gamma эф}$ ). При этом комптоновское рассеяние зависит от плотности, а фотоэффект - от химического состава и концентраций химических элементов (см. 15.3.1).

15.3.3. Нейтронные свойства горных пород.

Основным нейтронным свойством горных пород и сред является их способность поглощать и рассеивать нейтроны. Количественно это свойство описывается полным линейным коэффициентом ослабления и поглощения $\mu_{п}$ или суммарным (полным) макроскопическим взаимодействием нейтронов с единицей объема горной породы (см. 15.1.3). Величина $\mu_{п}$ определяется микроскопическими сечениями рассеяния и поглощения нейтронов атомами или ядрами ( $\sigma_{пi}$ ) всех составляющих ее химических элементов от i = 1 до i = k с числом атомов i-го элемента в единице объема $N_{i}$ по формуле:

${\mu }_{n} = \sum\limits_{i=1}^{k} {\sigma }_{ni} {N}_{i},$ где ${I}_{n} ={I}_{n0} \cdot {e}^{-{\mu }_{n} L}.$

(6.6)

Здесь $I_{п} , I_{п0}$ - плотность потока нейтронов в конце и начале слоя толщиной $L$ . Нейтронное микроскопическое сечение рассеяния и поглощения $\sigma_{пi}$ измеряется в барнах и равно эффективной площади ядра, которая обычно больше его геометрического сечения. Нейтронное сечение измеряют в единицах площади (10^-25 м²). Наибольшими нейтронными сечениями обладают редкоземельные элементы, например, гадолиний (46*10^-25 м² ), кадмий (2,25*10^-25 м² ), бор (0,769*10^-25 м² ), ртуть (0,38*10^-25 м² ) и др. У большинства элементов микроскопическое сечение ядра изменяется в пределах (0,1 - 10)*10^-25 м² . Практически коэффициент $\mu_{п}$ является эффективным коэффициентом, характеризующим и замедляющие, и поглощающие свойства горной породы $\mu_{п эф}$ при облучении ее нейтронами.

Величину, обратную $\mu_{пэф}$ , называют полной длиной пробега нейтронов ( $L_{п}$ ). Она включает длину замедления и длину диффузии. Средняя длина замедления нейтронов ( $L_{з}$ ) определяется способностью ядер рассеивать нейтроны и равна расстоянию, на котором энергия нейтронов уменьшается от исходной (у быстрых нейтронов энергия превышает 0,5 МэВ) до тепловой (0,025 эВ). Наименьшей длиной замедления ( $L_{з } \lt$ 10 см) обладают минералы, в которых имеются бериллий, углерод, железо и водородосодержащие породы, насыщенные водой, нефтью или газом. В других породах, особенно содержащих тяжелые химические элементы, $L$ составляет первые десятки сантиметров.

Ослабленные до тепловой энергии нейтроны перемещаются в породе путем диффузии до тех пор, пока не поглотятся какими-нибудь ядрами. Как отмечалось выше, процесс захвата нейтронов сопровождается излучением вторичных гамма-квантов. Способность горных пород поглощать тепловые нейтроны выражают через среднюю длину диффузии $L_{д}$ или пропорциональное ей среднее время жизни тепловых нейтронов $\tau_{тп}$ . Наименьшими значениями этих параметров ( $L_{д } \lt$ 5 см, $\tau_{тп } \lt$ 5 мкс) отличаются руды, содержащие химические элементы с высоким сечением поглощения нейтронов (редкоземельные, кадмий, бор, ртуть, железо, хлор и др.), и рыхлые осадочные породы, насыщенные минерализованными водами. Для большинства породообразующих минералов и горных пород $L_{д}$ изменяется от 10 до 30 см, а $\tau_{тп}$ - от 10 до 3000 мкс. Важным параметром среды является также коэффициент диффузии $D = L_{д}^{2} / \tau_{тп}$ .

На изменении перечисленных нейтронных свойств химических элементов основаны нейтронные методы поэлементного анализа горных пород и их водонефтегазонасыщенности. Они сводятся к изучению плотности (интенсивности) тепловых нейтронов $I_{пп}$ или вторичного гамма-излучения $I_{п \gamma }$ .

16. Аппаратура и методы ядерной геофизики

16.1. Аппаратура в ядерной геофизике

16.1.1. Чувствительные элементы для измерения радиоактивности.

Чувствительные элементы (их называют также детекторами) служат для определения интенсивности и энергетического спектра ядерных излучений путем преобразования энергии радиоактивного излучения в электрическую энергию. В аппаратуре для ядерно-геофизических исследований в качестве чувствительных элементов используют ионизационные камеры, счетчики Гейгера - Мюллера, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, термолюминесцентные кристаллы (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схемы чувствительных элементов (детекторов) для приборов, используемых при ядерно-геофизических наблюдениях: 1 - ионизационная камера; 2 - счетчик Гейгера - Мюллера; 3 - полупроводниковый кристалл; 4 - сцинтилляционный счетчик; 5 - тер-молюминесцентный кристалл; СЦ - сцинтиллятор; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель

В ионизационной камере находятся газ и два электрода, к которым подводят напряжение в несколько сот вольт. Под действием альфа-, бета-лучей или вторичных заряженных частиц, возникающих при поглощении нейтронов, газ ионизируется, а получающиеся свободные электроны и ионы движутся к электродам. В результате в цепи возникает ток. Измеряя его или разность потенциалов, можно определить интенсивность излучений, вызывающих ионизацию.
В счетчиках Гейгера - Мюллера, называемых также газоразрядными, в баллоне под пониженным давлением находится инертный газ (обычно аргон для измерения гамма-лучей или гелий для определения потока нейтронов) и два электрода под высоким напряжением (до 1000 В). При появлении хотя бы одной пары ионов возникает краткий разряд. При облучении баллона гамма-квантами возникают вторичные заряженные частицы (ионы и электроны) и в нем наблюдается система разрядов в виде импульсов тока, которые можно зафиксировать.
Полупроводниковый детектор - твердотелый аналог ионизационной камеры. Ионизирующие частицы, возникающие при облучении детектора, создают в полупроводнике электронно-дырочные пары, что при воздействии электрического напряжения приводит к возникновению тока.
Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора (неорганические или органические кристаллы, жидкие и газообразные), способного под действием гамма-квантов испускать вспышки света. Кванты света, попадая на фотокатод фотоумножителя, выбивают из него электроны. За счет вторичной эмиссии и наличия ряда электродов, находящихся под все большим напряжением, в фотоумножителе возникает лавинообразный, увеличивающийся поток электронов. В результате на аноде собирается в 10⁵ - 10¹⁰ раз больше электронов, чем было выбито из фотокатода, а в цепи возникает электрический ток.
Термолюминесцентный кристалл (например, LiF) обладает способностью под действием ионизации создавать свободные электроны, которые накапливаются за счет дефектов кристаллической решетки кристалла и могут долго храниться. Такой кристалл будет испускать свет, и на выходе фотоумножителя возникнет электрический ток, пропорциональный принятой ранее дозе облучения.

Назад| Вперед