Аппаратура импульсного нейтронного метода

    Введение 

        Ядерно-геофизическая разведка оформилась  как научное направление в  течение 50-60х годов текущего  столетия и в настоящее время  находится в стадии бурного  развития. Ее истоки питаются  достижениями ядерной физики, атомной  техники и радиоэлектроники –  наук ХХ века. Развитие ядерно-геофизической  разведки в широком плане является  частью работ по мирному использованию  атомной энергии в промышленности, народном хозяйстве, промышленности.

       Ядерная геофизика изучает ядерные  явления, происходящие в горных  породах и на планете в целом,  ядерно-физические характеристики  горных пород и некоторых других  природных объектов, пути и способы  их использования при решении  геологических задач, поисках,  разведке и контроле разработки  месторождений полезных ископаемых.

   Большинство методов ядерной геофизики основано на регистрации ядерных излучений, исключение составляют масс-спектрометрия  и некоторые другие методы.

   Один  из первых методов, нейтрон-нейтронный, заявлен в США в 1938 году, второй нейтронный гамма-метод исследования скважин предложен и осуществлен Б. Понтекорво в 1941 году.

   Геофизические методы - сравнительно молодые методы поисков и разведки полезных ископаемых, но в связи с их большой глубинностью и высокой производительностью они развивались быстрыми темпами.  В настоящее время геофизические методы стали неотъемлемой частью геологического картирования, поисков и разведки полезных ископаемых, решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач.

   Собственно  ядерно-геофизические методы, составляющие главный арсенал современных  средств ядерной геофизики и  основанные на многообразных эффектах взаимодействия ядерных излучений  с земным веществом, возникли несколько  позднее.

   Сравнивая ядерно-геофизические методы с «неядерными» методами разведочной геофизики, можно  отметить следующее. Принципиальная особенность  ядерно-геофизических методов состоит  в том, что они дают информацию непосредственно о вещественном составе горных пород, руд и минералов.

   Дальнейший  прогресс в развитии ядерно-геофизических  методов приведет к коренному  усовершенствованию методики поисков  и разведки полезных ископаемых и  технологии разработки месторождений. 

     1 Физические основы нейтронного метода

1. Понятие нейтронного метода

     Метод основан на облучении исследуемой  среды потоком быстрых нейтронов  и регистрацией тепловых и надтепловых нейтронов.

      Сущность метода заключается в регистрации потока замедлившихся нейтронов от помещенного в среду источника быстрых нейтронов.

           Нейтронное поле зависит от замедляющих и поглощающих свойств среды. Замедление нейтронов определяется главным образом водород содержанием горных пород, а поглощающие свойства зависят от присутствия элементов с аномально высокими сечениями захвата нейтронов (бор, марганец, редкоземельные элементы, хлор, ртуть и др.). Указанные особенности нейтронного поля используют в нейтронном методе для изучения влажности горных пород и содержания в них элементов с высокими сечениями захвата тепловых нейтронов.

       НМ осуществляют путем изучения стационарного поля тепловых или надтепловых нейтронов на некотором расстоянии от источника быстрых нейтронов, помещенного в горную породу или руду. В соответствии с этим различают два варианта метода— нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам (ННМ-т) и нейтрон-нейтронный метод по надтепловым нейтронам   (ННМ-нт). Практическое применение нашли скважинный, полевой и лабораторный варианты НМ. Однако их очевидные различия имеют подчиненное значение. Особенности НМ определяются главным образом областью применения и решаемой задачей. Наметилось три основных направления: изучение влажности грунтов и почв при решении инженерно-геологических и мелиоративных задач; изучение коэффициента пористости и характера заполнения пор на нефтяных и газовых месторождениях; изучение месторождений и опробование руд бора, марганца, ртути, редких земель и некоторых других элементов.

      Нейтроны, вылетевшие из источника, относятся к группе быстрых нейтронов. Являясь электрически нейтральными, нейтрон свободно проникает сквозь электронные оболочки атомов и взаимодействуют с ядрами. В результате столкновения с ядром нейтрон теряет часть своей энергии и изменяет направление своего движения, т. е. рассеивается.

      При неупругом рассеянии значительная часть энергии нейтрона расходуется на возбуждение ядра. Образовавшееся при этом ядро отдачи переходит в нормальное состояние и испускает гамма кванты. Неупругое рассеяние на ядрах тяжелых элементов происходит при энергии нейтронов не ниже 0,1 фДж, а на ядрах легки: элементов — не ниже 160 фДж. При энергии нейтронов менее 16 фДж неупругое рассеяние практически прекращается и наступает процесс упругого рассеяния, при котором взаимодействие нейтрона с ядром подобно механическому взаимодействию двух упругих шаров. В этом случае нейтрон также рассеивается, но суммарная кинетическая энергия нейтрона и ядра не изменяется, т. е образование гамма-излучения не происходит. 

          1.2 Взаимодействие  с веществом нейтронного излучения 

     Нейтроны представляющие собой поток незаряженных частиц, которые при прохождении через вещество взаимодействуют только с ядрами атомов. Нейтроны обладают широким диапазоном энергий - от долей до десятков миллионов электрон-вольт. В зависимости от энергии нейтроны могут по-разному взаимодействовать с ядрами атомов. Характер взаимодействия может быть упругим и неупругим.

     Упругое рассеяние. Упругое взаимодействие нейтрона с ядрами аналогично столкновению бильярдных шаров. Если бильярдный шар, движущийся с большой скоростью, столкнется с неподвижным шаром, он передаст ему большую или меньшую часть энергии в зависимости от параметров удара, а сам изменит направление движения. Суммарная энергия обоих шаров до и после взаимодействия не изменится.

     Из  закона механики известно, что чем  больше масса неподвижного шара, по сравнению с массой движущегося, тем меньшая доля энергии будет  ему передана при столкновении. Если массы сталкивающихся шаров равны, то при каждом столкновении движущийся шар будет терять в среднем  половину своей энергии.

     Аналогичным образом нейтроны, обладающие определенным запасом энергии, взаимодействуя с  ядрами атомов, передают им часть энергии, а сами изменяют направление своего движения. Этот процесс называется упругим рассеянием.

     Ядра  атомов, получившие в результате столкновения определенный запас кинетической энергии, - ядра отдачи - "выскакивают" из электронной  оболочки и, проходя через вещество, производят ионизацию (поскольку они  обладают зарядом). Чем меньше масса  ядер среды, через которые проходят нейтроны, тем большую долю энергии  они теряют в процессе упругого рассеяния. При каждом акте рассеяния на ядрах  водорода нейтрон теряет в среднем  половину энергии, при рассеянии  на ядрах углерода - примерно 14 - 17 %, а при рассеянии на ядрах аргона - не более 8 - 9 %. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего  использовать водородосодержащие или  легкие вещества - обычную или тяжелую  воду, парафин, бериллий, углерод.

       В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона постепенно уменьшается и приближается к энергии теплового движения атомов и молекул среды, равной примерно 0,025 эВ. Такие нейтроны называются тепловыми. Чтобы нейтрон с первоначальной энергией 1 МэВ стал тепловым, число столкновений с ядрами водорода должно быть n = 25. В углероде энергия этого нейтрона достигает 0,025 эВ после 100 столкновений, а при взаимодействии с ядрами урана - после 2100 столкновений. Этот процесс завершается примерно через 10-6 секунды.

     Радиационный  захват. При достаточной тепловой скорости нейтрон может быть захвачен одним из ядер атомов среды. Ядро переходит при этом в возбужденное состояние. Возврат ядра в основное состояние сопровождается испусканием g-квантов.

     При радиационном захвате происходит следующая ядерная реакция: 

                               (1) 

    т.е. образуется изотоп исходного элемента, а избыточная энергия, полученная ядром  вследствие такой перестройки, испускается  в виде g-кванта. В ядерных реакторах, где создаются мощные потоки тепловых нейтронов, ядерная реакция указанного типа используется для получения искусственных радионуклидов.

     Не  только тепловые, но и быстрые нейтроны могут быть захвачены ядрами атомов. В результате произойдет ядерная  реакция с вылетом a-частицы, протона и т.д. и образуется ядро другого элемента: 

                        (2) 

     Радиационный  захват нейтрона возможен при любой  его энергии и на любых ядрах, но более вероятен на медленных нейтронах  и тяжелых ядрах, что следует  учитывать при выборе материала  защиты.

     Неупругое рассеяние. При захвате нейтрона ядром может произойти ядерная реакция, в процессе которой образуется ядро исходного нуклида, но при этом энергия испущенного нейтрона меньше энергии захваченного.

     В этом случае говорят о процессе неупругого рассеяния, поскольку суммарная энергия системы (нейтрон + ядро) до взаимодействия не равна энергии системы после взаимодействия. Процесс неупругого рассеяния имеет большую вероятность для атомных ядер середины и конца периодической системы элементов.

     Таким образом, при прохождении нейтронов  через вещество происходят следующие  взаимодействия с ядрами: упругое  и неупругое рассеяния, радиационный захват и различного типа ядерные  реакции. Вероятность различного типа взаимодействий зависит от энергии  нейтронов.

    Поэтому по характеру взаимодействия нейтроны условно разделены на четыре группы, приведенные в таблице:

     Для быстрых нейтронов доминирующим процессом взаимодействия является упругое рассеяние, хотя, как для  всех других групп, возможны (со значительно  меньшей вероятностью) и другие процессы взаимодействия (неупругое рассеяние, ядерные реакции, радиационный захват). Для релятивистских нейтронов возрастает роль неупругого рассеяния по сравнению  с упругим, существенный вклад дают ядерные реакции. 
 

     Для промежуточных нейтронов наиболее характерным процессом взаимодействия является неупругое рассеяние, а  также радиационный захват.

       Для тепловых нейтронов наиболее вероятный процесс взаимодействия - радиационный захват. Вероятность этого процесса пропорциональна 1/E1/2, т.е. возрастает с уменьшением энергии (скорости) нейтронов. Наиболее вероятная скорость движения тепловых нейтронов при температуре 295 К (22 °С) составляет 2200м/сек, а соответствующая энергия - 0,025 эВ.

     Таким образом, при всех процессах взаимодействия нейтронов с веществом образуются либо заряженные частицы - ядра отдачи, непосредственно производящие ионизацию, либо g-излучение, которое также производит ионизацию в результате вторичных процессов.

    В процессе ядерных реакций под  воздействием нейтронов образуются также другие заряженные частицы (протоны, дейтроны и т.д.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Техника и методика работ

     2.1 Детекторы нейтронов 

     Детектирование  нейтронов, как и γ-излучения, осуществляется по вторичному заряженному излучению, сопровождающему нейтронные взаимодействия. В метрологии нейтронного излучения широкое применение находят пропорциональные детекторы нейтронов. В отличии от газоразрядных γ-счетчиков нейтронные счетчики наполняют газом, содержащим элементы с аномальными по отношению к регистрируемым нейтронам свойствами. К таким элементам относится бор.

     В качестве газового заполнителя используется трехфтористый бор BF3.

     Проходящие  через счетчик тепловые нейтроны поглощаются бором, изотоп B10 которого имеет аномально высокое сечение  захвата (~4000 барн). В результате возникающей при этом ядерной реакции (B10(nα)7Li) образуются «мягкое» γ-излучение (0,48 МэВ), ядра лития  и α-частицы. Избыточная энергия лития и альфа-частицы расходуется на ионизацию газа в счетчике.

     Гамма-излучение, сопровождающее захват нейтронов бором, а также «фоновое» γ-излучение взаимодействует с материалом катода счетчика, выбивая из него вторичные электроны, которые тоже ионизируют газ. Однако величина возникающих при этом электрических сигналов меньше, чем от α-частиц, и при соответствующем включении счетчика они не регистрируются.

     Для регистрации нейтронов надтепловых энергий пропорциональные счетчики окружаются слоем вещества высокого водородсодержания (парафин, плексиглаз) и тонким слоем кадмия. Кадмий, характеризующийся аномально высоким сечением захвата тепловых нейтронов (~2500 барн), практически полностью экранирует счетчик от тепловых нейтронов и пропускает к нему только надтепловые нейтроны. При прохождении через слой водородсодержащего вещества эти нейтроны замедляются, интенсивно захватываются ядрами  B10 и таким образом регистрируются счетчиком.

       Помимо борных пропорциональных счетчиков в ядерной геофизике используются счетчики, наполненные гелием. Благодаря громадному сечению захвата тепловых нейтронов гелиевые счетчики имеют высокую эффективность регистрации, в несколько раз превышающую эффективность борных счетчиков.

       Однако гелиевые счетчики не могут полностью заменить борные. Из-за низкого энергетического выхода амплитуда импульсов в счетчиках с 3Не мала, что затрудняет их работу при регистрации тепловых нейтронов в условиях повышенного фона γ-излучения.

     Сцинтилляционный  принцип детектирования нейтронов  заключается в использовании  в качестве люминофора веществ, содержащих аномальные по отношению к нейтронам  элементы.

     Датчиками сцинтилляционных детекторов нейтронов  служат люминофоры на основе сернистого цинка с бором, ионные монокристаллы с литием, литиевые стекла, специальные пластики, органические кристаллы. Основные характеристики люминофоров приведены в табл. 2.1. Под действием нейтронов в веществе датчика появляются заряженные частицы, они дают вспышку, которая усиливается с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Эффективность регистрации сцинтилляционными детекторами медленных нейтронов составляет несколько десятков процентов, а в отдельных случаях близка к 100%. Другое положительное качество этих детекторов-их быстродействие. Временное разрешение у сцинтилляционных детекторов на два порядка выше, чем у газовых. Вместе с тем сцинтилляционные счетчики нейтронов труднее защищать от высокого γ-фона.

     Для регистрации быстрых нейтронов  применяются люминофоры из органического  стекла с ZnS(Ag)- сернистый цинк, активированный серебром. Детектирование нейтронов осуществляется по протонам отдачи, возникающим при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода.

     Наиболее  распространены сцинтилляционные детекторы  нейтронов, в которых применяются монокристаллы йодистого лития, активированного европием и таллием, -LiJ(Eu), LiJ(Tl). Нейтроны вызывают реакцию 6Li (n, α)3Н. Реакция идет с высоким выходом энергии (Q = 4,78 МэВ), которая распределяется между α-частицей и ядром трития. Поскольку суммарная кинетическая энергия этих частиц достаточно велика, вспышка в кристалле получается сильной, создаваемый ею импульс удается выделить на фоне импульсов от γ-квантов. Если кристалл LiJ(Eu) или LiJ(Tl) окружить слоем замедлителя, т. е. вещества с большим содержанием водорода, его можно использовать для регистрации быстрых нейтронов.

     В  практику нейтронных  измерений внедряются литиевые стекла,  которые   изготовляются   сплавлением   окислов лития, алюминия и активируются церием. Здесь используется та же реакция на изотопе 6Li. У литиевых стекол очень короткое время высвечивания - 5ּ10-9 с. Эффективность детекторов-стекол при регистрации тепловых нейтронов — около 100 %, а для нейтронов с энергией 1 кэВ составляет 25 % при толщине чувствительного слоя 4 см.   
 

    Таблица 2.1 Основные свойства неорганических сцинтилляторов

          2.2 Источники нейтронов

     2.2.1 Ампульные источники нейтронов 

     В нейтрон-нейтроном методе используется такое взаимодействие нейтронов  с облучаемой средой, при котором  вторичное, измеряемое, излучение является нейтронным. Существует вид взаимодействия нейтронов с веществом, при котором  природа излучения сохраняется. Характер взаимодействия определяется энергией нейтронов и свойствами вещества, с которыми взаимодействуют  нейтроны.

     К источникам нейтронного излучения, применяемым в нейтронных методах, предъявляется ряд требований: достаточно постоянный выход нейтронов в течение длительного времени; низкий уровень побочного гамма-излучения; небольшая стоимость и минимальные затраты на обслуживание; небольшие габариты.  

          Этим требованиям  лучше всего отвечают ампульные  источники нейтронов и малогабаритные нейтронные генераторы.

     В обоих случаях нейтроны получаются за счет бомбардировки ядер легких элементов (мишени) потоком элементарных частиц по реакциям типа (α,n), (γ,n), (d,n). Вне зависимости от типа излучателя и материала мишени нейтронные источники различаются по энергетическому составу нейтронов, по скорости распада, по природе и интенсивности сопровождающего излучения, по общему выходу нейтронов.

     Среди радионуклидных источников наибольшее применение получили α- нейтронные (α,n)-источники. В качестве альфа-излучающего нуклида применяются плутоний, полоний, радий, америций и др. Мишенями служат ядра легких элементов, таких как бериллий, бор, фтор. Тщательно перемешанная смесь порошкообразных препаратов α-излучателя и мишени, упакованная в герметически запаянную ампулу является источником нейтронов.

     Так как при взаимодействии  α-частиц с ядром мишени нейтроны вылетают под разным углом и уносят разную энергию, а также вследствие расходования части энергии на возбуждение ядер углерода, возникающих при реакции Be9 (α,n) C12, источники испускают нейтроны сложного энергетического состава.    

    Выход нейтронов зависит от вида и соотношения  масс α-излучающего вещества и ядер мишени, однородности смеси и других факторов. Наибольшим выходом нейтронов отличается бериллий при его облучении α-частицами. По этой причине при изготовлении нейтронных источников типа (α,n) чаще всего используют бериллий. В таблице 2.2. даны сведения об основных α-нейтронных источниках. 

    Таблица 2.2 Характеристика некоторых ампульных источников нейтронов 

     Скорость  распада ампульных источников нейтронов  определяется периодами полураспада  Т1/2  альфа-излучателей, соответственно равными 24360 лет для плутония Pu, 138 дней для полония Po.

    α-нейтронные источники обладают фоновым γ-излучением, сопровождающим непосредственно α-распад. Высокий γ-фон несколько ограничивает применение Ra-Be источников. Эти источники целесообразно использовать, если необходимо иметь как нейтронное, так и гамма-излучение.

    Po-Be источники выгодно отличаются от Ra-Be источников низким γ-фоном, но имеют небольшой период полураспада. Источники на основе бора, в частности Po-B, испускают нейтроны меньшей энергии.

    Наиболее  широкое применение имеют  источники типа Po-Be, Pu-Be, Po-B.

    Po-Be и Pu-Be источники характеризуются близкими между собой спектрами нейтронов, простирающимися до энергий Е ≈ 11 МэВ. (рис.2)

    В спектрах этих источников имеются по два относительно четких выраженных максимума, приуроченных к энергиям 3,5 - 4 МэВ и 5-6 МэВ у Po-Be и 4 и 7,5 МэВ у Pu-Be источника.                

     Рисунок 2. Спектры нейтронных источников   

     Несколько меньшее распространение получили радионуклидные источники на основе фотоядерной реакции (γ,n). Для создания ампульных фотонейтронных источников пригодны только лишь те радионуклиды, которые испускают γ-кванты с энергией, превышающей энергию связи нейтрона в ядре атома (мишени). Нейтроны, в источниках данного типа возникают за счет их выбивания из ядер мишени γ-квантами. Наименьшими порогами реакции (γ,n) обладают 2H и 4Be, имеющие пороги, равные соответственно 2,23 и 1,67 МэВ.

     Конструктивно γ-нейтронный источник представляет собой  систему из бериллия, реже из дейтерия внутри которой размещается γ-излучающее вещество-сурьма   124Sb. Недостатком 124Sb+Be источника служит большой фон γ-излучения. Выход нейтронов у фотонейтронных источников значительно меньше, чем у источников, основанных на реакции (α,n).

     Большой интерес представляют трансурановые  элементы как источники нейтронного  излучения. Нейтроны испускаются при  спонтанном делении ядер некоторых  трансурановых элементов. Уникальное свойство некоторых ядер-самопроизвольно  делиться с выходом 1,3-4 нейтрона на один акт деления. Энергетическое распределение  нейтронов спонтанного деления  ядер трансурановых элементов близко к спектру деления ядер 235U.

     Наиболее  перспективными для изготовления источников спонтанного деления следует  признать радионуклиды 252Cf  и 244Sm. При не слишком большом периоде полураспада и значительном выходе реакции деления такие источники могут иметь исключительно высокую мощность на единицу массы.

     Ампульные источники нейтронов имеют ряд  недостатков, снижающие эффективность  радиометрических исследований скважин:

     1. Опасность облучения обслуживающего  персонала и, как следствие,  ограничения в  допускаемой правилами техники безопасности «мощности» используемых источников. Последнее приводит к снижению статистической точности радиометрических исследований.

     2. Немонохроматичность испускаемых нейтронов, затрудняющая последующую интерпретацию результатов радиометрических исследований.

     3. Относительно невысокая энергия испускаемых нейтронов, приводящая к малой глубинности нейтронных методов исследования скважин, и как следствие, к большому влиянию скважинных условий.