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.