Взаимодействие нейтронов с веществом

 

Вторым видом ядерных частиц, имеющим важнейшее значе­ние при исследовании скважин, являются нейтроны.

Не обладая электрическим зарядом, нейтроны не испытыва­ют действия электронных оболочек и не отталкиваются кулоновским полемядра, 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.

В свободном состоянии нейтрон распадается (Т – 11, 77 сек) на протон, нейтрино и электрон с выделением энергии 0, 782 МэВ: n → p + e^- + ν + 0, 782 МэВ.

Способность горных пород рассеивать и поглощать (захватывать) нейтроны характеризуется макроскопическими, эффективными сечениями рассеяния и захвата.

Нейтроны в зависимости от своей энергии Е подразделяются на:

быстрые: быстрые со скоростями υ > 10⁹ см/с и энергиями 0,1< Е < 14 МэВ и промежуточные 1< Е < 100 кэВ.

медленные: надтепловые 0,5< Е < 1 кэВ, тепловые 0,025< Е < 0,5 эВ, холодные Е< 0,025 эВ и ультрахолодные Е< 10^-7 эВ.

Реак­ции с участием нейтронов разделяются на две группы: рассея­ние и поглощение нейтронов. Рассеяние бывает упругое и не­упругое.

Упругое рассеяние (п,п) аналогично столкновению двух идеально упругих шаров, ядерная реакция при которой меняется лишь кинетические энергии и направления движения нейтронов. Сечение упругого рассеяния большинства ядер при Е < 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^-26 м² характерно для водорода.

Упругое рассеяние является универсальным процессом, который протекает на всех ядрах независимо от величины энергии нейтронов. При упругом рассеяние нейтрон отклоняется от первоначального направления движения и часть его кинетической энергии передается ядру.

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, а 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, поэтому водородосодержащие среды (вода, парафин, органические жидкости, а также бериллий и углерод) являются сильными замедлителями нейтронов.

При неупругом рассеянии (п,п*) энергия нейтрона расходу­ется не только на создание кинетической энергии ядра, но и на его возбуждение, т. е. увеличение его внутренней энергии. Пороговая реакция п+Х→Х^*+п^*, Х^*→Х+ γ, при которой ядро оказывается в возбужденном состоянии и энергия возбуждения снимается путем излучения γ-квантов неупругого рассеяния.   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. Спектр γ-излучения неупругого рассеяния является индивидуальной характеристикой ядра, поэтому измерение спектра гамма излучения позволяет определить природу ядер, особенно легких. Энергия рассеянных нейтронов п^* примерно равна разности энергий первичного нейтрона п и испущенного гамма квантаγ. С увеличением атомного веса ядра и энергии нейтрона сечение неупругого рассеяния увеличивается. Поэтому неупругое рассеяние происходит только с быстрыми нейтронами и преимущественно на тяжелых ядрах. Измерение спектра гамма излучения позволяет определять природу ядер элементов, неупруго рассеивающих нейтроны.

Поглощение нейтронов сопровождается испусканием какой-либо ядерной частицы. Это может быть протон, альфа-частица (α), один или несколько гамма-кван­тов и т. д. Соответствующие ядерные реакции принято обозна­чать (п, р), (п, α) и (п, γ). 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 (п, р) и (п, 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 (п, α) на некоторых легких элементах (бор, литий), ре­акция (п, р) на очень редком изотопе гелия ₂³Не и некоторых др. Они аналогично реакции (п, γ) 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), за исключением по­род, богатых бором и литием, где кроме гамма-квантов образу­ются также альфа-частицы.

Спектр гамма-излучения 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.

Различают упругое и неупругое рассеяние нейтронов. В пер­вом случае при столкновении нейтрона с ядром скорость его (следовательно, энергия) уменьшается, а направление движе­ния отклоняется от первоначального. Весь процесс определя­ется законами сохранения энергии и моментов, а также перво­начальной скоростью (энергией) нейтрона. Упругое рассеяние преобладает при энергиях нейтронов менее 1 МэВ. При боль­ших энергиях нейтронов (несколько МэВ) про­исходит процесс неупругого рассеяния. При этом значитель­ная часть энергии нейтрона передается ядру, которое переходит в возбужденное состояние. Неупругое рассеяние нейтронов со­провождается гамма-излучением, возникающим при возвраще­нии ядра в нормальное состояние. Наибольшую энергию ней­трон теряет при столкновении с ядром атома водорода, масса которого почти равна массе самого нейтрона. В этом случае велика вероятность потери нейтроном всей его энергии.

В результате многократных столкновений с ядрами ней­троны быстро растрачивают энергию и замедляются до тепло­вых скоростей. Длина замедления нейтронов прежде всего за­висит от содержания в окружающей среде водорода. Так, длина пути замедления нейтронов в воде составляет несколько сантиметров, а в горной породе – от 15 до 35 см (в зависимо­сти от содержания в ней воды или нефти).

Итак, поскольку нейтрон электрически нейтрален, он не взаимо­действует с электрическими зарядами атома и скорость его движения, а следовательно, энергия изменяется только в ре­зультате столкновений с ядрами атома.

Замедлившиеся до тепловых скоростей нейтроны вступают в диффузионную фазу движения, т. е. двигаются в среде, пре­терпевая столкновения с атомами, но сохраняя среднее значе­ние своей энергии (0,025 эВ). Эта фаза характеризуется диф­фузионной длиной, т. е. расстоянием, которое проходит нейтрон с момента, когда он становится тепловым, до момента его по­глощения (захвата) каким-либо ядром. Способность разных элементов захватывать медленные нейтроны различная. Сред­нее время жизни теплового нейтрона 10^–3 – 10 ^{- 4} с.

Наибольшим сечением захвата нейтрона характеризуются такие элементы, как хлор, бор, железо, марганец и некоторые другие.

Захватывая тепловой нейтрон, ядро возбуждается, а при возвращении в устойчивое состояние излучает один или не­сколько гамма-квантов. Это гамма-излучение называют радиационным, вторичным или вызванным. При захвате нейтрона атомом Cl испускается 2,37 гамма квантов (Е =4 – 7 МэВ). Возникновения гамма-лучей захвата в водородосодержащей среде происходит с испусканием одного гамма кванта по следующей реакции:

 

Н₁¹ + п _о¹ = Н₁² + γ (Е =2,2 МэВ)                                                 (17)

 

Каждый элемент (изотоп) обладает характерным спектром гамма-излучения, возникающего при радиационном захвате нейтрона. Это обстоятельство позволяет использовать гамма-спектрометрию для определения состава вещества с помощью реакции (п, γ).  

С удалением от источника плотность нейтронов (число нейтронов в единице объема) в среде уменьшается, и одновременно возрастает количество нейтронов с меньшей энергией. Плотность нейтронов зависит от замедляющих и поглощающих свойств среды, т.е. от водородосодержания, чем выше водородосодержание, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.

В результате рассеяния быстрых нейтронов, испускаемых источником, происходит их замедление и превращение в надтепловые и тепловые, т.е. энергия нейтронов становится равной кинетической энергии атомов и молекул. Такие нейтроны участвуют в тепловом движении атомов и молекул, сталкиваясь с ними, не теряя и не приобретая энергии. Этот процесс получил название диффузией нейтронов. Для характеристики диффузии тепловых нейтронов в веществе используют такие параметры, как коэффициент диффузии D, среднее время жизни нейтрона τ и длина диффузии L.

D обратно пропорционален содержанию водорода в среде. Чем больше водонасышенность среды, тем медленней рассеивается облако тепловых нейтронов (диффузия происходит в течение 10² – 10⁴ мкс).

Среднее время жизни нейтрона, т.е. время с момента начала диффузии нейтрона до момента его захвата:

τ = λ_з/υ = 1/(υ_*Σ_з),                                                     (18)

 

где λ_з – путь нейтрона (по ломаной) от точки замедления до точки поглощения;

υ – скорость движения тепловых нейтронов, равная 2200 м/с при Е = 20 ^оС;

Σ_з – эффективное макроскопическое сечение захвата нейтронов, выражающее способность среды поглощать нейтроны.

 

Значение τ зависит от присутствия в породе элементов с высоким сечением поглощения тепловых нейтронов. В большинстве осадочных породах таким элементом является хлор, содержащийся в пластовых водах.

Другим основным параметром нейтронов является длина замедления нейтронов L_s – среднее расстояние по прямой линии от места вылета нейтрона до точки, в которой нейтрон становится тепловым. Величина L_s зависит от водородосодержания и при содержании воды и нефти в породах изменяется от 15 до 35 см, а в воде составляет несколько сантиметров.

Длина диффузии L (аналогично длине замедления) характеризует среднюю длину пути нейтрона от точки, в которой он стал тепловым (точка замедления), до точки захвата (поглощения).

Аномальное сечение замедления нейтронов водородом при распространении их в водонасыщенных породах обуславливает возможность количественной оценки влажности горных пород. В том случае, когда в составе пород отсутствуют элементы с аномальными поглотителями медленных нейтронов (CL, B, K, Mn, Fe), влагосодержание измеряют по эффекту замедления нейтронов до тепловых энергий.

Изучение водонасыщенности разрезов, содержащих высокоминерализованные поровые воды с NaCl, также глинистые породы с повышенным содержанием К, В, Fe, проводят по эффекту замедления нейтронов надтепловых энергий (0,5 – 1000эВ).