Аппаратура импульсного нейтронного метода

     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.