Взаємодія нейтронів з речовиною

Нейтрон – електрично нейтральна нестабільна ядерна частинка ₀ n. 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, 2 n), (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, g), маючи достатньо малу енергію (0.025 еВ).

 

Фізичні основи нейтронних методів:

НГК, ННК-НТ, ННК-Т

Нейтронний гамма-каротаж

Суть нейтронного гамма-каротажу полягає в дослідженні штучного гамма-поля, яке утворюється в результаті поглинання теплових нейтронів породоутворюючими елементами.

Інтенсивність гамма-випромінювання радіаційного захоплення, в основному, залежить від числа нейтронів, які поглинаються одиницею об’єму гірської породи, та довжини зонда. Кількість нейтронів, які поглинаються одиницею об’єму породи, пропорційна густині теплових нейтронів, яка залежить від сповільнюючи і поглинаючих властивостей породи. Як згадувалось вище, дані дві властивості визначаються, в основному, водневим вмістом, а також вмістом елементів із високим січенням захоплення нейтронів у навколишньому середовищі.

Нейтронний гамма-каротаж проводиться за допомогою свердловинної установки, яка включає джерело нейтронів і розміщений на відстані довжини зонда L _ng індикатор гамма-випромінювання (Рис. 104).

На величину інтенсивності вторинного гамма-випромінювання суттєво впливає довжина зонда. При малих довжинах із збільшенням об’ємного водневого вмісту w гірських порід інтенсивність зростає, при великих зондах – спадає.

Зміна розміру зонда впливає на глибинність дослідження нейтронного гамма-каротажу. Із збільшенням розміру зонда глибинність зростає, потім досягає деякого максимального значення і починає зменшуватись. На практиці радіометричних робіт у якості стандартного зонда НГК переважно використовують за інверсійний зонд проміжного розміру – 60 см.

Глибинність дослідження нейтронного гамма-каротажу невелика – 20-40см, причому вона зменшується із підвищенням об’ємного водневого вмісту гірських порід і вмісту в них елементів з аномально високим січенням радіаційного захоплення теплових нейтронів.