Нейтронно гамма каротаж

    Введение 

    Ядерно-геофизические  методы обладают небольшим радиусом действия (глубинностью) – не более нескольких десятков сантиметров. Эта особенность во многом определяет их возможности и место в геологоразведочном производстве: исследование поверхности горных пород, анализ пород в горных выработках и скважинах. Существенное достоинство ядерно-геофизических методов состоит в том, что они являются в большинстве случаев прямыми методами определения тех или иных полезных ископаемых или физических свойств пород.

    Существует  несколько десятков ядерно-геофизических  методов, но практическое применение нашли  не все. Они условно делятся на две группы: гамма-методы, основанные на использовании источников гамма-излучения и изучении гамма-полей, и нейтронные методы, в которых изучают поля нейтронов или связанное с нейтронным полем гамма-излучение.

    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. Геофизическая  разведка проводится, прежде всего, при  поисках нефти и газа, рудных полезных ископаемых и подземных вод. Она  отличается от геологической разведки тем, что вся информация о поисковых  объектах извлекается в результате интерпретации инструментальных измерений, а не путем непосредственных наблюдений.

    Зарождение  геофизических методов разведки связано с началом использования  магнитных компасов для поиска железных руд и электрических измерений  для выявления сульфидных руд. Применение геофизических методов расширилось  в 1920-х годах, когда гравиметрические и сейсмические исследования доказали свою эффективность в обнаружении  соляных куполов и связанных  с ними нефтяных залежей на побережье  Мексиканского залива в США и  Мексике.

    Первый  из таких методов, нейтрон-нейтронный, заявлен в США в 1938 г., второй гамма-метод исследования скважин предложил и осуществил Б.Понтекорво в 1941г. Примерно в тоже время разработали нейтронный активационный анализ.

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

    Сравнивая ядерногеофизические 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.

    1 Теоретические основы метода 

    Нейтронный  гамма, НГК — метод исследований скважин, основанный на облучении горных пород быстрыми нейтронами и регистрации гамма-излучения, возникающего при захвате тепловых нейтронов в горной породе. Предложен Б. М. Понтекорво в 1940 с изотопным источником нейтронов, с импульсным — Г. Н. Флёровым, Ю. С. Шимелевичем и др. в 1956 (CCCP). Скважинный прибор состоит из источника быстрых нейтронов (т.н. изотопного с постоянным потоком нейтронов или импульсного) и удалённого от него на расстояние 40-80 см одного или нескольких детекторов гамма-излучения (газоразрядного, сцинтилляционного, полупроводникового). При использовании изотопного источника между ним и детектором помещают фильтр, поглощающий прямое излучение (металл, парафин и т.п.).

    НГК в интегральной модификации широко применяется для выделения и  оценки нефте-, водо- и газонасыщенности коллекторов, пластов угля в разрезе необсаженных и обсаженных скважин, т.к. показания НГК существенно зависят от содержания в горных породах ядер атомов водорода (аномально сильного замедлителя быстрых нейтронов), а также углерода. Для подсчёта открытой пористости горной породы учитывается, по другим данным, доля водорода, входящего в состав связанной воды. НГК спектрометрической модификации применяется для определения содержаний в горной породе железа, хрома и других элементов, ядра которых при захвате нейтронов излучают гамма-кванты с характерными энергиями. Импульсный НГК (ИНГК) применяется для разделения пластов, насыщенных нефтью и минерализованной водой (>=10-20 г/л NaCl), для оценки концентраций бора, ртути, солей хлора, редких земель, имеющих большие сечения захвата нейтронов. ИНГК за счёт импульсного (пульсирующего) источника обладает повышенной помехоустойчивостью и эффективно применяется для определения положения водонефтяного контакта и газонефтяного контакта в скважинах со сложной конструкцией, в т.ч. в обсаженных, оборудованных насосно-компрессорной арматурой. ИНГК используется при контроле за разработкой и при доразведке месторождений нефти и газа. Перспективы развития ИНГК связаны с разработкой многозондовых и спектрометрических модификаций.

    Различают два варианта НГК: интегральный, в  котором регистрируется интегральный поток гамма-излучения, и спектрометрический, в котором измеряется спектр гамма-излучения  или поток квантов в определенной энергетической области.

    Возможность использования НГК для выявления  рудных объектов и количественного  анализа горных пород определяется различиями рудных и породообразующих элементов в сечениях радиационного  захвата тепловых нейтронов и  энергиях мгновенного гамма-излучения.

    НГК в настоящее время применяется  для расчленения и корреляции разрезов, а так же для определения  в породах влаги (пористости) , выявления угольных пластов, каменной соли, титана, зрома, марганца, железа, никеля, меди и т.д.

    Нейтронный  гамма-метод по неупругому рассеянию  нейтронов (НГМ_НР) основан на регистрации гамма-излучения, возникающего в реакции (n, n^/, γ). Этот метод используется в основном для анализа элементов первой четверти системы Д. И. Менделеева.

    Такая ограниченность сферы применения метода связана главным образом с  тем, что с увеличением массы  ядра возрастает число возбуждаемых уровней, что, в свою очередь, приводит к усложнению спектра возникающего при этом гамма-излучения. Поэтому  в породах сложного состава становится практически невозможным выявить  элементы с большим атомным весом.

    При облучении пород потоками быстрых  нейтронов с помощью НГМ_НР прежде всего можно определять  углерод (Е_γ=4,43 Мэв), кислород (Е_γ=6,1 Мэв), магний (Е_γ=1,39 Мэв), алюминий (Е_γ=2,21 Мэв), кремний (Е_γ=1,78 Мэв), серу (Е_γ=2,23 Мэв), кальций (Е_γ=3,74 Мэв), железо (Е_γ=0,84 Мэв) и некоторые другие элементы. 

    1.1.1 Взаимодействие нейтронов с веществом 

    Нейтрон является электронейтральной частицей с массой, примерно равной массе протона. Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому они свободно проникают сквозь электронные оболочки атомов и взаимодействуют только с атомными ядрами элементов, входящих в состав горных пород. Сечение каждой ядерной реакции зависит от энергии нейтронов. Энергетическая зависимость сечения нерегулярно меняется от ядра к ядру. Тем не менее, можно выделить интервалы нейтронов в каждом из которых доминируют определенные типы ядерных реакций. Для этого вводится классификация нейтронов по энергии Е и по связанным с ней величинам– скорости  нейтронов υ, температуре Т и длине волны λ. 

    В зависимости от энергии нейтроны подразделяются на следующие условные группы:

    1) быстрые (более 0,5 МэВ);

    2) промежуточные (от 1 кэВ до 0,5 МэВ);

    3) медленные (от 0,1 кэВ до 1 кэВ);

    4) надтепловые (от 0,1 до 1 эВ);

    5) тепловые (0,025 эВ).

    Ввиду отсутствия электрического заряда нейтроны в основном взаимодействуют с  атомными ядрами. При столкновении нейтронов с ядрами в зависимости  от энергии могут происходить  различные ядерные реакции, приводящие либо к рассеянию нейтронов с  потерей первоначальной энергии, либо к поглощению с испусканием вторичного излучения. Вероятность того или  иного процесса зависит от энергии  нейтрона и состава ядер мишени.

    Для количественной характеристики нейтронных взаимодействий пользуются понятием сечения  взаимодействия. В качестве меры микроскопического σ (ядерного) сечения используется единица измерения барн. (1 барн = 10^-24 см²). 

    Макроскопическое  сечение Σ (см^-1) взаимодействия нейтронов, совпадающее с линейным коэффициентом ослабления гамма-квантов, определяется из выражения:  

    Σ= σρN_А /А                                                                                           (1) 

    где σ- сечение рассеяния;

    ρ-плотность рассеивателя;

    N_А –число Авогадро;

    А-атомная масса рассеивателя. 

    В зависимости от энергии нейтронов  и элементного состава объекта  исследования в основном следует  выделить три процесса взаимодействия нейтронов с веществом: упругое  рассеяние, неупругое рассеяние  и радиационный захват. 

    Упругое рассеяние

    Упругое рассеяние характерно в основном для быстрых и промежуточных  нейтронов. При упругом рассеянии  нейтрона ядром элемента нейтрон  отклоняется от первоначального  направления движения. При этом часть  кинетической энергии нейтрона передается ядру, а суммарная кинетическая энергия  нейтрона и ядра не изменяется в  результате упругого рассеяния.

    Изменение энергии нейтрона при упругом  рассеянии зависит от массы ядра-мишени и угла рассеяния. Чем меньше масса  рассеивателя и больше угол рассеяния, тем большую энергию теряет нейтрон.   

    Таким образом, наибольшая потеря энергии  происходит при упругом рассеянии  нейтронов на легких ядрах (водород, водородосодержащие вещества).

    Благодаря высокому сечению рассеяния и  большой потере энергии нейтрона при соударении с водородом, последний является аномальным замедлителем нейтронов.

    При упругом рассеянии на тяжелых  ядрах (А >100) изменение энергии  нейтрона незначительно и в некоторых  случаях можно считать, что этот процесс происходит без потери энергии. 

    Неупругое рассеяние 

    Неупругое рассеяние нейтронов приводит к  большой потере энергии нейтрона по сравнению с упругим рассеянием на том же ядре, поскольку при  этом энергия расходуется  не только на создание кинетической энергии, но также на его возбуждение, т.е. увеличение внутренней энергии ядра.

    Данный  процесс характерен в основном для  быстрых нейтронов и сред с  большим атомным номером. Неупругое  рассеяние это реакция, имеющая  пороговый характер. Это означает, что процесс может произойти только в случае, когда энергия первичного нейтрона превышает энергию возбужденного уровня ядра рассеивателя. Положение уровня возбуждения ядра у разных элементов различно.

    Сечение неупругого рассеяния возрастает при  переходе от легких к тяжелым ядрам. Это вызвано большим числом уровней  возбуждения у тяжелых ядер, а следовательно и большей вероятностью неупругого рассеяния. С увеличением энергии нейтрона наблюдается тенденция к возрастанию сечения этого процесса.

    При неупругом рассеянии быстрых  нейтронов на ядрах, последние переходят в возбужденное состояние. Это состояние ядра неустойчивое и в течении очень короткого времени (~10^-10с) возбужденное ядро переходит в нормальное состояние с испусканием гамма-излучения определенной энергии, характерной для каждого элемента. Это гамма-излучение часто в ядерной геофизике называют мгновенным гамма-излучением.

    Возбуждение  ядра снимается путем излучения  гамма-квантов. Измеряя их количество, можно следить за процессом неупругого рассеяния нейтронов.  У ядер ряда породообразующих элементов (C, O, Si и Ca) первые уровни возбуждения в соответствии с рис.1 лежат сравнительно высоко  и, кроме того, они существенно различны по энергии.

    Как правило, энергия первого возбужденного  уровня ядра уменьшается с увеличением  его массового числа. Чем выше энергия первичного нейтрона, тем  в более возбужденном состоянии  после неупругого рассеяния может  находиться ядро,  ибо растет количество возможных конечных состояний ядра. Следствием этого является увеличение сечения с ростом энергии нейтронов. 

    Рисунок 1 – Схемы энергетических уровней  четырех легких ядер и одного тяжелого ядра (¹⁸⁰Hf)

    Примечания:

    1. Показаны положения трех нижних уровней возбуждения

    2. Цифры – энергия в МэВ 

    В таблице 2 приведены значения энергии гамма-квантов, возникающихпри неупругом рассеянии быстрых нейтронов на ядрах ряда элементов.

                                                                                                                        Таблица 2

    Основные  параметры и характеристики неупругого рассеяния быстрых нейтронов:

    Энергия неупругого рассеянного нейтрона примерно равна разности энергий падающего нейтрона и гамма-излучения, возникающего при неупругом рассеянии. 

    Радиационный  захват

    Этот  процесс приводит к поглощению (исчезновению) нейтрона и наиболее вероятен для  тепловых и в меньшей степени  для надтепловых нейтронов. Практически все ядра могут захватывать нейтроны, исключение составляют ядра элемента ⁴He.       

    Сечение радиационного захвата нейтронов  обратно пропорционально энергии  нейтронов Е:

    σ_р.з.  ~                                                                                        (2)

    При захвате теплового нейтрона ядром  элемента, последнее переходит в  так называемое составное возбужденное ядро, которое в очень короткий промежуток времени (~10^-10с) переходит в нормальное состояние с испусканием гамма-излучения, со строго определенной для каждого элемента энергией.

    Спектр  мгновенного гамма-излучения радиационного  захвата тепловых нейтронов имеет  сложный вид. В этом спектре как правило наряду с многочисленными линиями имеются наиболее интенсивные, которые используются на практике. Поскольку каждое ядро характеризуется собственной структурой уровней возбуждения, по гамма-излучению радиационного захвата можно идентифицировать элементы, ядра которых участвуют в поглощении. 

    1.1.2 Взаимодействие гамма излучения с веществом 

    Гамма-излучением называют электромагнитные колебания, распространяющиеся в вакууме со скоростью света. Гамма-излучение  возникает при ядерных превращениях. Свойство этого излучения прежде всего зависит от его энергии (длины волны). 

    E = hν,                                                                                           (3) 

    где  h — постоянная Планка, равная 6,62∙10^-27 эрг · с;

    ν — частота.

    Если  энергию Е выразить в электронвольтах, а длину волны λ —в ангстремах (1 А =10^{-8 см}), то Е=12400/ λ.

    Для количественной характеристики вероятности  взаимодействия любого ионизирующего  излучения вводят параметр, называемый сечением взаимодействия.

    Микроскопическое  сечение характеризует вероятность  взаимодействия излучения с одним  атомом (электроном). Оно измеряется в барнах. 

    1 барн=10^-24 см². 

    Представление вероятности взаимодействия величиной, размерность которой совпадает  с размерностью площади, обосновано следующим. Величину сечения взаимодействия можно представить как поперечное сечение некоторого шара, в котором  при попадании кванта происходит взаимодействие. Данное определение  сечения взаимодействия как площади  используется вследствие его наглядности. В элементарном смысле микроскопическое сечение есть площадь мишени, которую  представляет собой атом по отношению  к налетающей частице (гамма-квант, нейтрон и т. д.). С физико-математической точки зрения характеристика сечения  как площади мишени не является строгой. Известно, что сечение взаимодействия любой элементарной частицы сильно зависит от его энергии, несмотря на один и тот же действительный размер атома. Кроме того, нестрогость данной характеристики подтверждается огромными вариациями сечения взаимодействия атомов различных элементов при их относительно постоянных размерах.

    Известны  три вида взаимодействия с электронами  атомов: без передачи энергии фотона электрону, с частичной передачей  энергии электрону и с полной передачей энергии фотона электрону. Эти виды взаимодействия получили названия соответственно релеевское рассеяние, комптоновское рассеяние и фотоэлектрическое поглощение. С ядрами атмов известно также три вида взаимодействия: образование пар, фотонейтронное  поглощение и  эффект Мессбауэра.  
 

    1.1.3 Взаимодействие гамма излучения с  ядрами атомов 

    Образование электронно-позитронных пар

    При больших энергиях гамма-кванты в кулоновском поле ядра могут поглотиться, образуя пару электрон-позитрон. Непременным условием протекания данного процесса является превышение энергии гамма-квантов удвоенной (1,022 МэВ) энергии покоя электрона. Избыточная энергия гамма-квантов переходит в кинетическую энергию образованной пары.

    Сечение образования пар медленно возрастает в интервале от 1,022 до 4,0 МэВ, а  затем, с дальнейшим ростом энергии, растет пропорционально Е_о. С ростом атомного номера элемента микроскопическое сечение возрастает пропорционально Z². 

      Фотонейтронное поглощение

    Сводится  к поглощению фотона ядром и испусканию нейтрона. Гамма-излучение естественных радиоактивных элементов характеризуется  энергиями до 480 фДж, очень низкими для такого взаимодействия. Известны два изотопа, ядра которых могут взаимодействовать с фотонами столь низких энергий. К ним относятся ⁹Ве и дейтерий ²Н.

    На  основании всей совокупности видов  взаимодействия γ-излучения с веществом можно сделать обобщение, имея в виду, что γ-излучение естественных радиоактивных элементов характеризуется энергией γ-квантов, не превышающей 480 фДж.

1.   Основным типом взаимодействия для γ-квантов таких энергий является взаимодействие с электронами атомов.
2. Взаимодействие γ-излучения с ядрами либо очень слабо проявляется в указанном интервале энергий, либо имеет место при наличии некоторых конкретных атомов (⁹Ве, ²Н) или особых условий их нахождения (эффект Мессбауэра), в общем случае —явление нетипичное. При взаимодействии γ-излучения с горными породами и подавляющим большинством руд взаимодействием с ядрами веществ можно пренебречь, но для энергии от 160 до 480 фДж необходимо учитывать взаимодействие с образованием пар.

    Каждый  вид взаимодействия зависит от энергии  фотонов, и для определенной энергии  выбор вида взаимодействия является случайным.  

    1.1.4  Взаимодействие гамма излучения с нейтронами атомов 

    Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект)

    При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант  полностью отдает свою энергию одному из электронов атома. Гамма-квант при  этом исчезает. Электрон вылетает из атома  с энергией, равной разности энергий  кванта и энергии связи электрона  с ядром атома. Энергия гамма-кванта при фотоэффекте расходуется на преодоление связи электрона с атомом, отрыв электрона и передачу ему кинетической энергии. В дальнейшем вакантное место на электронной оболочке атома заполняется электроном с более удаленных оболочек. При этом атом испускает рентгеновское флуоресцентное (характеристическое) излучение с энергией, строго зависящей от атомного номера элемента (квадратный корень из значения энергии приблизительно пропорционален Z элемента).

    Непременное условие вырывания электрона  из атома при фотоэлектрическом  поглощении гамма-квантов - превышение энергии падающего кванта над энергией связи электрона. Значения энергии связи электрона строго зависят от атомного номера элемента и местонахождения (уровня) электрона в атоме. Чем больше Z элемента, тем значения энергии связи больше.

    Микроскопическое  сечение фотоэлектрического поглощения гамма-квантов сильно зависит от атомного номера элемента и энергии излучения: 

    σ_ф ~ 

    Вероятность фотоэффекта тем больше, чем меньше разница между энергией связи  электрона в атоме и энергией квантов. Для квантов с энергией, значительно превышающей энергию  связи электрона в атоме, электрон оказывается слабо связанным и фотоэффект становится маловероятным. Так как максимальной энергией связи обладают электроны K - оболочки, то фотоэффект происходит в основном на K – электронах.

    В легких элементах (Z мало) энергия связи даже для К – электронов  невелика, поэтому роль фотоэффекта незначительна.

    Если  энергия кванта меньше энергии связи К – электрона  (Е_о<Е_к)  то из атома может быть вырван электрон с L-оболочки. Это обусловливает наличие фотоэффекта ниже границы К - оболочки.

    Помимо  микроскопического сечения взаимодействия используется также и макроскопическое сечение. Применительно к гамма-излучению введен параметр, называемый линейным коэффициентом ослабления. Он характеризует вероятность взаимодействия квантов на единице пути.                                                Линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения гамма-квантов может быть рассчитан по формуле:

    где σ_ф — микроскопическое сечение фотоэффекта;  

    — плотность атомов; 

    —плотность  элемента;

    N_A —число Авогадро;

    А—массовое число элемента. 

    В практических расчетах пользуются массовым коэффициентом взаимодействия, характеризующим  вероятность взаимодействия квантов  в веществе массой в 1 грамм. Массовый коэффициент фотоэлектрического поглощения квантов находится так: