Импульсный нейтронный метод

Введение

Использование нестационарных нейтронных и γ-полей дает новую информацию о горных породах по сравнению со стационарными полями. Это обстоятельство стимулировало развитие импульсных нейтронных методов  ядерной геофизики, которые отличаются от стационарных методов как своими возможностями, так и методикой, техникой работ и приемами интерпретации.

Идея импульсного- нейтронного метода высказана в 1956- г. Г. Н. Флёровым, а первые испытания аппаратуры и методики выполнены в 1959—1960 гг. в СССР и за границей. За сравнительно короткий промежуток времени достигнут большой прогресс в развитии и практическом применении импульсных нейтронных методов для каротажа нефтяных и газовых скважин. Выполнены первые оценки возможностей метода при каротаже рудных скважин.

Физическая основа ИНК:

а) облучение объекта исследования потоком быстрых нейтронов;

б) регистрация тепловых нейтронов, гамма- излучения радиационного захвата, а также гамма- излучения неупругого рассеяния.

ИНК имеет несколько модификаций, основными из которых является импульсный нейтрон- нейтронный каротаж и импульсный нейтронный гамма каротаж.

ИНГК основан на регистрации гамма излучения радиационного захвата, реализуется путем наличия в скважинном приборе низкочастотного импульсного генератора нейтронов. При ИНГК изучают процесс спада гамма- излучения радиационного захвата во времени от периодически возбуждаемых коротковольтных импульсов генератора нейтронов. После некоторой задержки регистрируют число импульсов во временных окнах.

1. Теоретические основы ИНГМ

1.1 Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтрон – электронейтральная частица, не имеющая электрического заряда, масса нейтрона примерно равна массе протона.

Нейтронное излучение является одним из наиболее проникающих видов излучения. Это объясняется незаряженностью нейтронов, благодаря чему нейтроны свободно проникают сквозь оболочки атома и взаимодействуют только с ядрами элементов.

В зависимости от своей энергии нейтроны подразделяются на:

- быстрые, E>500 кэВ;

- промежуточные, Е≈1-500 кэВ;

- медленные, Е≈ 0,1-1 кэВ;

- надтепловые Е≈ 0,1- 1 эВ;

- тепловые Е≈0,025 эВ.

Основными видами взаимодействия нейтрона с веществом являются:

1. Упругое рассеяние;
2. Неупругое рассеяние;
3. Радиационный захват.

Связь между энергией нейтронов и их скорости выражается следующей формулой:

υ=1,38∙105  [см/сек], [эВ]                                 (1.1)[pic 1]

1. Упругое рассеяние

[pic 2]

Рисунок 1.1 – Упругое рассеяние: n;E0- первичный нейтрон с первоначальной энергией Е0; n;E’- нейтрон после взаимодействия с энергией E’ (упруго- рассеянный нейтрон)

Упругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов, в меньшей степени для промежуточных нейтронов. На рисунке 1.1 показан процесс упругого рассеяния.

Быстрый нейтрон, сталкиваясь с ядром, передает ему часть своей энергии и отклоняется от своего первоначально направления на угол θ, при этом ядро атома остается неизменным, то есть не возбуждается.

Потеря энергии нейтронов зависит от угла рассеяния и массы ядра, с которым сталкивается нейтрон, чем меньше масса ядра и больше угол рассеяния, тем больше энергии теряет нейтрон.

Вероятность упругого рассеяния увеличивается с уменьшением массы ядра, то есть вероятность упругого рассеяния будет максимальна, когда исследуемая среда насыщена легкими элементами (водородсодержащие вещества).

Таким образом, наибольшая потеря энергии происходит при упругом рассеянии на ядре водорода (потому что Н состоит из 1 протона и при столкновении нейтрона и протона нейтрон теряет почти всю энергию, поскольку массы протона и нейтрона примерно равны).

1.1.2 Неупругое рассеяние

[pic 3]

Рисунок 1.2 – Неупругое рассеяние: n;E’- неупруго- рассеянный нейтрон; γ;Eγ- гамма излучение с энергией Eγ

Неупругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов в меньшей степени для промежуточных нейтронов. На рисунке 1.2 представлен процесс неупругого рассеяния.