Общая характеристика нейтронных методов

Общая характеристика нейтронных методов. При облучении гор¬ных пород нейтронами эти частицы, лишенные электрических зарядов, свободно проникают сквозь электронные оболочки и взаимодействуют непосредственно с ядрами атомов.

Взаимо¬действие нейтронов с ядром управляется ядерными силами, ко¬торые проявляются при каждом столкновении нейтрона с яд¬ром. Действие ядерных сил может привести к рассеянию и поглощению нейтронов, причем поглощение сопровождается разнообразными ядерными реакциями.

Исследуя рассеяние и поглощение нейтронов, можно идентифицировать химические элементы, на ядрах которых протекают эти процессы, что и используется в нейтронных методах каротажа. Вероятность взаимодействия нейтронов с ядрами опреде¬ленного сорта характеризуется полным нейтронным сечением σ, равным сумме сечений рассеяния σр и поглощения σп ней¬тронов: σ(Е) = σр(Е) + σп(Е) (1) Полное сечение а измеряется в барнах и представляет собой эффективную площадь ядра, которая обычно больше его гео¬метрического сечения.

Для быстрых нейтронов, например, σ ≈ 2πr2, где r — радиус ядра, зависимость сечений от энер¬гии Е нейтронов может быть очень сложной. Кроме того, сече¬ния зависят и от сорта ядер. При данной энергии для одних ядер преобладает рассеяние, а для других — поглощение ней¬тронов.

Основным процессом взаимодействия быстрых нейтронов (с Е>0,1 МэВ) с ядрами является рассеяние, которое может быть упругим и неупругим. При неупругом рассеянии нейтрон может возбудить ядро. Это возбуждение снимается путем ис¬пускания γ-излучения. Ядерная реакция неупругого рассеяния записывается в виде (n, n γ). При рассеянии нейтроны теряют энергию, т. е. замедляются. Когда энергия нейтронов станет меньше 0,1 МэВ, неупругое рассеяние практически прекраща¬ется, и дальнейшее замедление нейтронов происходит путем упругих столкновений.

Сечение поглощения увеличивается с уменьшением энергии нейтронов. Это легко понять, если учесть, что медленный ней¬трон может сравнительно долго находиться вблизи ядра. По¬этому возрастает вероятность захвата нейтрона ядром под действием ядерных сил. Реакция радиационного захвата (n, γ) наиболее типична для полностью замедлившихся нейтронов.

Энергия их соизме¬рима с энергией теплового движения атомов и молекул. Такие нейтроны называют тепловыми. Средняя энергия тепловых нейтронов при температуре 20°С составляет 0,025 эВ. Тепло¬вые нейтроны вызывают реакцию (n, γ) на ядрах всех элемен¬тов, за исключением гелия. В надтепловой области, т. е. в диапазоне энергий от долей и до нескольких сотен электронвольт, сечения поглощения для ряда элементов характеризуются наличием резонансов. Это означает резкое увеличение вероятности реакции (n, γ) для нейтронов с энергией, совпадающей с максимумами на кривой σп(Е). Такие нейтроны называют резонансными. Величины σр и σп в формуле (1) относятся к единичному ядру, поэтому их часто называют микроскопическими сечения¬ми. На практике обычно пользуются макроскопическими ней¬тронными сечениями Σ, которые измеряются в сантиметрах в минус первой степени и учитывают общее количество N атрмов данного сорта в кубическом сантиметре вещества: Σр(п)(E) = σр(п)(Е) N (2) Соответственно полное макроскопическое сечение будет равно Σ (Е) = Σ p(E) + Σ п(Е) (3) Полное макроскопическое сечение горной породы легко вы¬числить, если известен ее химический состав: Σ (Е) = Σi σi(Е) Ni, (4) где σi(E) — полное макроскопическое сечение для ядер i-copта; Ni — количество i-ядер в 1 см3, причем суммирование ве¬дется по всем химическим элементам и их изотопам.

Необходимо отметить, что нейтронные сечения, в особенно¬сти сечение поглощения, для разных элементов периодической таблицы варьируют в широких пределах.

Поэтому некоторые элементы, даже при ничтожном содержании их в породе, могут вносить в Σ значительный вклад.

К элементам с аномально большими сечениями поглощения относятся ртуть, бор, кад¬мий и многие редкие земли. Выше уже говорилось, что при облучении горной породы потоком быстрых нейтронов потери энергии при рассеянии при¬водят к замедлению нейтронов. Для большинства горных пород длина замедления в основ¬ном зависит от содержания водорода. 2.