Взаємодія гамма-квантів з речовиною

Лекція 3

Контрольні питання

1. Які процеси відбуваються при взаємодії нейтронів з гірською породою.

2. Сформулюйте фізичну суть методу НГК.

3. Задачі, що вирішуються за допомогою НГК.

4. Сформулюйте фізичну суть методу ННК-Т.

5. Сформулюйте фізичну суть методу ННК-НТ.

6. Які Ви знаєте джерела нейтронів?

7. Задачі, що вирішуються за допомогою ННК-Т та ННК-НТ.

8. Сформулюйте фізичні основи імпульсного нейтрон-нейтронного каротажу.

9. Сформулюйте фізичні основи імпульсного нейтроного-гамма каротажу.

10. Задачі, що вирішуються за допомогою ІННК та ІНГК.

11. Сформулюйте технічні умови проведення нейтронного каротажу.

12. Сформулюйте технічні умови проведення імпульсного нейтронного каротажу.

13. Метрологічне забезпечення апаратури НГК.

14. Метрологічне забезпечення апаратури ІНК.

Фізичні основи, методика підготовки та проведення вимірів методами розсіяного гамма-випромінювання. Метрологічне забезпечення апаратури гамма-гамма-каротажу

Гамма-гамма-каротажем (ГГК) називається вимірювання вздовж стовбура свердловини характеристик полів розсіяного гамма-випромінювання, що виникає при опромінюванні гірських порід в свердловині джерелом гамма-квантів.

У методі ГГК розрізняють дві основні модифікації: густинний (ГГК-Г) і селективний (ГГК-С).

При проходженні через речовину гамма-кванти взаємодіють з атомами, електронами і атомними ядрами середовища. При цьому вони або поглинаються повністю, або втрачають частину своєї енергії, змінюючи напрям розповсюдження, тобто розсіюються, що приводить до послаблення інтенсивності гамма-випромінювання.

Для гамма-квантів характерні наступні процеси взаємодії з речовиною:

- фотоелектричне поглинання електронами атомів речовини;

- пружне розсіювання на зв’язаних електронах речовини (релеєвське розсіювання);

- не пружне розсіювання на електронах речовини (комптонівська взаємодія);

- повне поглинання в полі ядра, яке супроводжується утворенням електронно-позитронної пари (ефект утворення пар);

- ядерний фотоефект;

- пружне і не пружне розсіювання на ядрі і т.д.

Інтенсивність гамма-випромінювання гірських порід, в основному, залежить від трьох фізичних явищ: фотоефекта, ефекту Компотна і ефекту утворення електронно-позитронної пари. Будь який з цих процесів взаємодії носить ймовірний характер і визначається середнім перетином взаємодії, яке вимірюється в одиницях площі. Ймовірність взаємодії радіоактивних випромінювань з електронною частинкою в ядерній геофізиці називають мікроскопічним перетином даного процесу. В залежності від того, чи буде частинка, яка бомбардує, захоплена ядром, чи при зіткненні тільки віддасть частину своєї енергії та змінить напрям руху. Розрізняють мікроскопічний перетин захоплення і розсіювання.

Існує поняття мікроскопічної і макроскопічної взаємодії гамма-квантів з речовиною. Під мікроскопічним січенням треба розуміти взаємодію гамма-квантів з атомом хімічного елементу, під макроскопічним (лінійним) перетином – взаємодію гамма-квантів з атомами хімічних елементів одиниці об’єму речовини.

Фотоефект. Він характерний для гамма-квантів з енергіями не більше ніж 0.5 МеВ. Гамма-квант при проходженні через речовину може вступити у взаємодію з електронами атомів цієї речовини. Гамма-квант передає свою енергію і повністю поглинається, а електрон викидається за межі атома.

При фотоефекті гамма-квант може вибити зв’язані електрони, енергія зв’язку Е _і яких менша енергії самого гамма-кванта Е _g. Енергія викинутого за межі атома електрона

Е _е= Е _g- Е _і= m _e V _e²/2, (3.1)

де m _e – маса електрона; V _e – швидкість викинутого електрона.

Такий процес виривання електрона з атома фотоном називається фотоефектом, а вирвані електрони – фотоелектронами. Атом, який загубив електрон, опиняється в збудженому стані. Рівень енергії, який вивільнився в атомі заповнюється одним з зовнішніх електронів, при цьому випускається квант характеристичного (рентгенівського) випромінювання, тобто фотоефект супроводжується характеристичним випромінюванням.

В деяких випадках енергія збудження передається безпосередньо одному з електронів, які покидають атом, і характеристичного випромінювання не відбувається. Це явище називається явищем Оже, а викинуті електрони – електронами Оже. Фотоефект на вільному електроні неможливий, так як при цьому не можуть бути одночасно задоволені закони збереження енергії та імпульсу для ізольованої системи квант-електрон.

Фотоелектрони вилітають переважно в напрямку, перпендикулярному до розповсюдження поляризованого пучка гамма-променів малої енергії (Рис. 3.1.а) під кутом j»90°.

Рисунок 3.1 – Схематичне зображення процесів фотоефекту (а), комптонівського ефекту (б) і ефекту утворення анігіляційних пар (в)

Гамма-кванти малої енергії можуть вибити з атома тільки оптичні електрони, які володіють малою енергією зв’язку. Гамма-кванти великої енергії можуть вибивати електрони з більш глибоких електронних шарів. Це зумовлює селективне фотопоглинання гамма-квантів з яскраво вираженими стрибками при Е _g= Е _i.

Мікроскопічний перетин фотоефекту залежить від порядкового номеру елементу (Z) і енергії гамма-квантів. Воно збільшується з ростом, тобто з підвищенням, густини речовини і зменшується з ростом енергії гамма-квантів за складною залежністю, аналогічно його макроскопічного перетину (Рис. 3.2). Для характеристики гірських порід як складної системи по відношенню до гамма-променів замість порядкового номеру, який відповідає окремому хімічному елементу, вводять величину ефективного порядкового номера Z _еф, вважаючи, що ефективний порядковий номер зв’язаний з деяким умовним середовищем визначеного порядкового номеру.

Рисунок 3.2 – Графіки залежності макроскопічних перетинів фотопоглинання μ_γф, комптонівського розсіювання μ _γк, утворення пар μ _γп і повного коефіцієнта поглинання μ _γ від енергії гамма-квантів в hν / mc ² у свинцю

Комптонівська взаємодія. Комптонівська взаємодія відбувається на електронах при енергіях гамма-квантів, які значно перевищуючих енергію зв’язку електронів на електронних орбітах. При цьому гамма-квант вступає в взаємодію з вільним або слабо зв’язаним електроном і в результаті непружного співудару з електроном передає останньому частину своєї енергії та імпульсу, а сам змінює своє направлення, набуває енергії, яка рівна (hn)^/, і відхиляється під кутом Q до початкового напрямку. Електрон викидається з атома під кутом j ^/ до напрямку падаючого гамма-кванту (Рис. 3.1,б). Із збільшенням енергії гамма-квантів кут їх відхилення від початкового напрямку при комптонівській взаємодії закономірно зменшується.

Коефіцієнт ослаблення μ _к γ-випромінювання за рахунок комптонівського розсіяння визначається по формулі:

, (3.2)

де δ _п – густина поглинаючої речовини; Z – атомний (порядковий) номер речовини; А – атомна маса речовини; N ₀ – число Авогадро, рівне 6.023·10²³ молекул г/моль; μ _е – коефіцієнт ослаблення, розрахований на один електрон.

Таким чином, число електронів в одиниці об’єму речовини N _е буде рівне:

. (3.3)

Для хімічних елементів, з яких складаються гірські породи, відношення Z / А у формулах (3.2) і (3.3) є величиною рівною приблизно 0.5. Відповідно, число електронів в одиниці об’єму, а отже, і коефіцієнт ослаблення μ _к будуть пропорційні густині речовини.

Мікроскопічний перетин комптонівської взаємодії так як і при фотоефекті, залежить від порядкового номера елемента і енергії гамма-кванта, збільшуючись з ростом, тобто з підвищенням густини речовини, і зменшуючись з ростом за більш складною залежністю, як і макроскопічний перетин комптонівського розсіювання (Рис. 3.2).

Макроскопічна (лінійна) комптонівська взаємодія визначається кількістю електронів в одиниці об’єму речовини:

, (3.4)

де N _A – число Авогадро.

Слід розрізняти коефіцієнти комптонівського поглинання m _gкз, яке характеризує долю енергії, що передається гамма-квантом електрону, і розсіювання m _gкр, яка визначає частину енергії, що забирає розсіяний квант, тобто:

. (3.5)

Співвідношення розсіяної енергії та енергії, яка поглинається, а також величини кутів між напрямками падаючого фотону, вибитого комптонівського електрона і розсіяного фотона залежать від положення електрона в атомі відносно падаючого фотона в момент взаємодії гамма-кванта з атомом речовини. В загальному випадку відхилення розсіяного фотона можливе в будь-якому напрямку, в тому числі і зворотному.

Утворення анігіляційних (лектронно-позитронних) пар. При великих енергіях зменшується фотоелектричне поглинання та комптонівська взаємодія (Рис. 3.2). Починаючи з енергії близької 1,02 МеВ і при більших її значеннях появляється механізм утворення пар частинок (електрон-позитрон). Електронно-позитронні пари утворюються при взаємодії гамма-квантів з гравітаційним полем ядра за рахунок поглинання енергії гамма-квантів. Електрон і позитрон вилітають з атома хімічного елементу під деякими кутами і до напрямку гамма-кванту (Рис. 3.1,в). При великих енергіях електрон і позитрон вилітають майже в напрямку розповсюдження падаючих гамма-квантів.

Мікроскопічний перетин утворення електронно-позитронних пар при середніх енергіях гамма-квантів збільшується зі збільшенням енергії і порядкового номеру елемента. Макроскопічний (лінійний) перетин утворення пар визначається виразом:

. (3.6)

Таким чином, при взаємодії гамма-квантів з речовиною частина енергії первинного гамма-випромінювання поглинається при утворенні електронів віддачі, фотоелектронів і пар електрон-позитрон, а частина зберігається у вигляді енергії розсіяного гамма-випромінювання. Іонізація на шляху розповсюдження гамма-випромінювання відбувається, в основному, за рахунок вторинних електронів, які виникають при взаємодії гамма-випромінювання з речовиною.

При проходженні гамма-квантів у гірській породі найбільш ймовірна наступна трансформація енергії: багатократне комптонівське розсіювання до енергії 0.1-0.05 МеВ з передачею її атомним електронам, потім поглинання гамма-квантів при фотоефекті.

Повний лінійний коефіцієнт послаблення гамма-кванта в речовині складається з суми коефіцієнтів фотоелектричного поглинання, комптонівської взаємодії і утворення електронно-позитронних пар:

. (3.7)

Але в різних інтервалах енергії послаблення гамма-квантів обумовлене переважно тим або іншим видом взаємодії: фотоефект переважає в області низьких енергій гамма-квантів (від 0.1 до 0.05 МеВ), комптонівське розсіювання – в проміжній області (0.3 до 3 МеВ), утворення електронно-позитронних пар – в області високих енергій (1.02 МеВ і вище).

Послаблення гамма-квантів в шарі речовини товщиною відбувається за експоненціальним законом:

, (3.8)

де I _g і I _g0 – інтенсивності гамма-випромінювання, які реєструються, відповідно, при наявності поглинача і без нього.

Але в цьому випадку фіксуються тільки ті гамма-кванти, які не вступали у взаємодію з речовиною. Насправді реєструється і частина гамма-квантів, які пройшовши комптонівське розсіювання, досягли детектора.

Для приблизного розрахунку проходження гамма-квантів в речовині використовують ефективний коефіцієнт поглинання m _gеф, який враховує і розсіяні гамма-кванти, що досягли детектора гамма-випромінювання. Числові значення m _gеф визначаються експериментально. Послаблення потоку гамма-квантів в речовині, в цьому випадку, вираховується за формулою:

. (3.9)

3.2 Гамма-гамма-каротаж густинний (ГГК-Г)

В методах розсіяного гамма-випромінювання, в основному, присутнє фотоелектричне поглинання і комптонівське розсіювання гамма-квантів породою. В залежності від енергії опромінених гамма-квантів і мінерального складу гірської породи переважає той чи інший процес взаємодії їх з породою.

У методі ГГК-Г вимірюють жорстку складову розсіяного гамма-випромінювання. На практиці дуже часто в якості джерела γ-випромінювання використовують ізотоп ⁶⁰Co, який випускає γ-кванти порівняльно великої енергії (1.87 і 2.13·10^-13 Дж).

При взаємодії з гірською породою жорстких гамма-квантів (Еg>0.5 МеВ) в початковий момент головну роль відіграє комптонівське розсіювання, в результаті якого жорстке гамма-випромінювання, втративши значну частину своєї енергії, переходить в м’яке гамма-випромінювання. Тобто, в подальшому головну роль відіграє фотоелектричне поглинання гамма-квантів. Виходячи з вищевказаного, ймовірність комптонівського розсіювання в кінцевому результаті прямо пропорційно залежить від густини гірської породи, а ймовірність фотоелектричного поглинання – від її мінерального складу і особливо від вмісту тяжких елементів. Завдяки цьому, реєструючи розсіяні гамма-кванти високої енергії, отримують густинну характеристику гірської породи, а сумарна інтенсивність розсіяних гамма-квантів залежить як від густини, так і від мінерального складу породи.

Ймовірність взаємодії жорстких гамма-квантів з гірською породою визначається числом електронів в одиниці об’єму, яке пропорційне густині породи. Таким чином, якщо гірську породу опромінити гамма-квантами енергії не нижче 0.5 МеВ і підібрати енергетичний поріг дискримінації гамма-квантів, які реєструються, то за результатами вимірювань ГГК-Г можна встановити густину цієї породи.

Джерело і індикатор γ-випромінювання у методі ГГК-Г розташовані на деякій відстані один від одного, яка називається довжиною зонду L _з. Індикатор укладений в сталеву гільзу, поглинаючу м’яку складову розсіяного γ-випромінювання (до 320·10^-16 Дж). Одержана крива ГГК-Г несе інформацію про зміну об’ємної густини оточуючого середовища, тобто величина розсіяного γ - випромінювання, що реєструється в свердловині, визначається ефектом комптонівського розсіювання.

У зв’язку з вищевикладеним, величина розсіяного γ - випромінювання визначається, в основному, густиною навколишнього середовища, в якому знаходиться наш прилад (зонд). Між інтенсивністю розсіяного γ - випромінювання і густиною гірських порід для зондів, що застосовуються на практиці, існує зворотна залежність: чим більше густина порід і чим більша довжина зонда, тим менше γ – випромінювання, що реєструється.^.

Дата добавления: 2014-10-15