Proračun karakteristika interakcije gama kvanta sa zrakom. Fotoelektrični efekt (fotoelektrična apsorpcija)

Studija geološkog presjeka bušotina (litološki i geološki presjek bušotine)

Studija tehničkog stanja bunara

Kontrola razvoja naftnog i plinskog polja

Izvođenje perforacije i miniranja u bušotinama

Ispitivanje formacije i uzorkovanje sa stijenki bušotine

8. Interakcija gama kvanta s materijom, snimanje gama zraka, problemi koje treba riješiti

Radioaktivnost - sposobnost nekih atomskih jezgri da se spontano raspadnu emisijom α, β, γ zraka, a ponekad i drugih čestica. Gama-zrake su elektromagnetsko zračenje kratke valne duljine. Duljina puta γ - kvanta u stijenama doseže desetke centimetara. Zbog svoje velike prodorne moći, glavna su vrsta zračenja zabilježena metodom prirodne radioaktivnosti. Energija čestice izražena je u elektron voltima (eV). Utjecaj gama zračenja na okoliš kvantificira se u rendgenima. Od prirodnih radioaktivnih elemenata najčešći su uran U238, torij Th232 i izotop kalija K40. Radioaktivnost sedimentnih stijena u pravilu izravno ovisi o sadržaju glinenog materijala. Pješčenjaci, vapnenci i dolomiti imaju nisku radioaktivnost, a najmanju radioaktivnost imaju kamena sol, anhidrit i ugljen. Za mjerenje intenziteta prirodnog gama zračenja duž bušotine koristi se bušotinski alat koji sadrži indikator γ-zračenja. Kao indikator se koriste scintilacijski brojači s plinskim pražnjenjem. Plinski brojači su cilindar u koji su smještene dvije elektrode. Cilindar je napunjen smjesom inertnog plina s parama makromolekularnog spoja, koji je pod niskim tlakom. Mjerilo je spojeno na izvor istosmjerne struje visokog napona - oko 900 volti. Rad brojača plinskog pražnjenja temelji se na činjenici da γ-kvant, koji pada u njega, ionizira molekule plinskog punila. To dovodi do pražnjenja u mjeraču, što će stvoriti strujni impuls u njegovom strujnom krugu. Zapisivanje gama zraka. Kada prolaze kroz materiju, gama kvanti stupaju u interakciju s elektronima i atomskim jezgrama. To dovodi do slabljenja intenziteta γ-zračenja. Glavne vrste interakcije gama kvanta s materijom su stvaranje parova elektron-pozitron, fotoelektrični efekt, Comptonov efekt (γ -kvant prenosi dio svoje energije na elektron i mijenja smjer gibanja). Elektron je izbačen iz atoma. Nakon nekoliko događaja raspršenja, energija kvanta će se smanjiti na vrijednost pri kojoj se apsorbira zbog fotoelektričnog efekta. Fotoelektrični efekt se svodi na činjenicu da γ-kvant svu svoju energiju prenosi na jedan od elektrona unutarnje ljuske i apsorbira se, a elektron se izbacuje izvan atoma. Bušotina ima značajan utjecaj na očitanja GGC-a. Smanjuje gustoću medija koji okružuje sondu i uzrokuje povećanje očitanja GHA proporcionalno promjeru. Kako bi se smanjio utjecaj bušotine, GGS instrumenti imaju stezne uređaje i zaslone koji štite indikator od raspršenog γ-zračenja tekućine za bušenje. Zračenje stijene i percepcija raspršenog γ-zračenja u ovom slučaju se provodi kroz male rupe u zaslonima, zvane kolimatori. Karakteristična značajka dijagrama metode raspršenog gama zračenja nije izravna, već povratna informacija s gustoćom, što je posljedica veličine sonde. Kada bi se indikator smjestio blizu izvora, medij povećane gustoće također bi bio obilježen visokim intenzitetom raspršenog γ-zračenja.

9. Identifikacija intervala perforacije prema mjestu čahure

Koristi se metoda elektromagnetskog položaja spojnica:

utvrditi položaj spojeva alata zaglavljenih bušaćih cijevi;

određivanje položaja spojeva rukavaca kolone omotača;

točno vezanje očitanja drugih instrumenata na položaj spojnica;

međusobno vezanje indikacija više uređaja;

pojašnjenje dubine spuštanja cijevi;

određivanje trenutnog dna bušotine;

u povoljnim uvjetima - za određivanje intervala perforacije i utvrđivanje mjesta kršenja (pukotine, pukotine) struna za kućište.

Fizička osnova metode: Metoda elektromagnetskog lociranja spojnica (LM) temelji se na registraciji promjena magnetske vodljivosti metala bušaćih cijevi, omotača i cijevi zbog njihovog diskontinuiteta.

Oprema: Detektor (senzor) lokatora spojke je diferencijalni magnetski sustav, koji se sastoji od višeslojne zavojnice s jezgrom i dva trajna magneta koji stvaraju konstantno magnetsko polje ui oko zavojnice. Prilikom pomicanja lokatora duž stupa na mjestima gdje su cijevi prekinute, magnetski tok se preraspoređuje i EMF se inducira u mjernoj zavojnici.

Aktivni lokator spojke sadrži dvije zavojnice, od kojih svaka ima uzbudljiv i prijemni namot. Pod utjecajem izmjeničnog magnetskog polja nastalog primjenom izmjeničnog napona na uzbudljive namote, u prijamnim namotima nastaje izmjenični napon koji ovisi o magnetskim svojstvima okoline. Informativni parametar je razlika napona na prijemnim namotima, koja ovisi o kontinuitetu medija.

Ulaznica 4

10. Kompleks za snimanje bušotina u obloženoj bušotini, zadaci za rješavanje

Preduvjet za uspješno korištenje karotaže za proučavanje geološkog presjeka bušotine je izbor odgovarajućeg paketa (programa) geofizičkih istraživanja. Program treba osigurati rješavanje zadataka koji su mu dodijeljeni uz najmanju moguću količinu mjerenja. Uzimajući u obzir sličnost geoloških i tehničkih uvjeta rada, standardni GIS kompleksi instalirani su u različitim područjima. Standardni paketi uključuju opće studije koje se izvode u cijeloj bušotini i pravne studije obećavajućih intervala nafte i plina. U obloženoj bušotini provode se sve vrste karoče osim mikroseča i BKZ (jer se koriste u otvorenoj bušotini, jer se tim metodama određuje debljina glinenog kolača).

11. Neutronska gama karotaža, fizičke osnove, krivulje, problemi koje treba riješiti

Neutronska karotaža se koristi u otvorenim i obloženim bušotinama i koristi se za rješavanje sljedećih problema:

radi litološke podjele presjeka;

određivanje položaja trenutnog plinsko-uljenog kontakta (GOC), intervala proboja plina, preljeva, otplinjavanja nafte u ležištu i procjena zasićenosti plinom;

određivanje položaja kontakta ulje-voda WOC-a u bušotinama s visokim salinitetom formacijskih voda.

Neutronsko zračenje ima najveću prodornu moć. To je zbog činjenice da neutroni, budući da su nenabijene čestice, ne stupaju u interakciju s elektronskim ljuskama atoma i ne odbijaju ih Coulombovo polje jezgre. Kao i gama kvanti, neutrone karakterizira energija E, koja je u ovom slučaju povezana s njihovom brzinom. Postoje brzi neutroni s energijom od 1-15 MeV, srednji 1 MeV - 10 eV, spori ili epitermalni 0,1-10 eV i toplinski neutroni s prosječnom energijom od 0,025 eV. Interakcija neutrona sa stvari u elastičnom sudaru s jezgrom uz gubitak dijela energije, t.j. u umjerenosti neutrona i hvatanju neutrona jezgrom. Za neutrone s energijama od nekoliko MeV do 0,1 eV, glavna vrsta interakcije je elastično raspršenje. Kod elastičnog raspršenja neutrona, količina gubitka energije zbog sudara određena je samo masom jezgre: što je manja masa jezgre, to je gubitak energije veći. Naib. gubitak energije nastaje kada se neutron sudari s jezgrom atoma vodika. Jedan od glavnih neutronskih parametara medija je duljina usporavanja L3. Ovo je prosječna udaljenost od mjesta gdje se neutron emitira do mjesta gdje se usporava u toplinsku energiju. Umjereni neutroni nastavljaju se kretati i sudarati se s jezgrama elemenata, ali bez promjene prosječne energije. Taj se proces naziva difuzija. Prosječna udaljenost koju neutron prijeđe od točke usporavanja do točke hvatanja naziva se difuzijska duljina. Duljina difuzije je obično mnogo manja od duljine usporavanja. Krajnji rezultat gibanja toplinskog neutrona je njegova apsorpcija nekom atomskom jezgrom. Kada jezgra uhvati neutron, oslobađa se energija u obliku jednog ili više γ - kvanta. Postoje sljedeće vrste neutronskih metoda: NGM neutronska gama metoda, NMN epitermalna neutronska metoda i NMT metoda toplinskih neutrona. Međusobno se razlikuju po vrsti korištenih pokazatelja. Impulsne neutronske metode. Bit pulsnog neutronskog snimanja leži u proučavanju nestacionarnih neutronskih polja i γ-polja koje stvara neutronski generator. Generator neutrona radi u impulsnom načinu rada s frekvencijom od 10 do 500 Hz. Kod pulsnih metoda, stijena se ozračuje kratkotrajnim tokovima brzih neutrona u trajanju ∆t, koji slijede jedan za drugim u vremenskim intervalima t.

slajd 1

Predavanje 8 Procesi interakcije gama kvanta Fotoelektrični efekt Karakteristike presjeka fotoelektričnog efekta Poprečni presjek fotoelektričnog efekta Smjer emisije elektrona Comptonov učinak Poprečni presjek Comptonovog efekta na elektronu Poprečni presjek Comptonovog efekta na proton " Interakcija gama kvanta s materijom"

slajd 2

E/m interakcija gama kvanta: -fotoelektrični efekt; - elastično raspršenje na elektronima (Comptonov efekt); - rađanje parova čestica. Procesi se odvijaju u energetskom području keV - stotine MeV, koji se najčešće koriste u primijenjenim istraživanjima. Razmotrimo ovisnost o energiji Eγ i karakteristikama tvari. Procesi interakcije gama kvanta Odnos između energije γ-kvanta i njegove valne duljine:

slajd 3

Fotoelektrični efekt Fotoelektrični efekt je proces izbacivanja elektrona iz neutralnog atoma pod djelovanjem gama kvanta.Slobodni elektron ne apsorbira gama kvant. nema gama zraka. To znači da tijekom fotoelektričnog efekta elektron prima energiju Ii – ionizacijski potencijal TA – kinetičku energiju iona

slajd 4

Karakteristike presjeka fotoelektričnog efekta Fotoelektrični efekt je moguć ako je energija γ-kvanta veća od potencijala ionizacije (K, L, M…-ljuska) Ako je Eγ< Ik , то выбивание электронов происходит только с внешних оболочек L, M.. Выбивание электронов с внутренних оболочек сопровождается монохроматическим рентгеновским характеристическим излучением, возникающим при переходе атомного электрона на освободившийся уровень. При этом может возникать целый каскад взаимосвязанных переходов. Передача энергии иона одному или нескольким орбитальным электронам, приводит в вылету из атома электронов Оже.

slajd 5

Presjek fotoelektričnog efekta Ako je energija γ-kvanta manja od ionizacijskog potencijala najudaljenije ljuske, tada je presjek fotoelektričnog efekta jednak nuli. Drugi ograničavajući slučaj - ako je energija γ-kvanta vrlo velika (Eγ >> I), onda možemo pretpostaviti da je elektron slobodan, a fotoelektrični efekt nije moguć na slobodnim elektronima. Kako energija raste, presjek asimptotski teži nuli. U području potencijalnih energija ionizacije ljuske (Eγ = Ii) poprečni presjek skače.Na segmentu se presjek na M-ljusci smanjuje, budući da se vezanje elektrona na ovoj ljusci s obzirom na energiju foton gama zraka se smanjuje, dok je fotoelektrični efekt iz L-ljuske još uvijek energetski zabranjen.

slajd 6

Utjecaj jakog vezanja elektrona u atomu na presjek fotoelektričnog efekta ogleda se u ovisnosti o naboju jezgre po stupnju. Kvantno-mehanički proračun zahtijeva poznavanje -funkcija atomskih elektrona na različitim ljuskama Efektivni presjek fotoelektričnog efekta iz unutarnje K-ljuske određen je odnosima (cm2/atom): ako je Eγ > mc2 Thomsonov presjek raspršenja Brzo opadajući presjek Poprečni presjek fotoelektričnog efekta

Slajd 7

Smjer bijega elektrona Ako snop gama zraka pogodi atome, tada se izbačeni elektroni emitiraju pretežno u smjeru okomitom na impuls fotona duž vektora električnog polja vala. Zato. kutna raspodjela fotoelektrona za niske energije distribucija za fotone visoke energije Fotoelektrični efekt je glavni proces apsorpcije fotona pri niskim energijama. Posebno je učinkovita apsorpcija na teške atome.

Slajd 8

Comptonov efekt: energija raspršenog fotona Elastično raspršenje γ-kvanta visoke energije atomskim elektronom Energija kvanta je mnogo veća od ionizacijskog potencijala Eγ >> I ; elektron se može smatrati slobodnim U ovom procesu, γ-kvant s energijom (val -) pokazao je svojstva čestice tijekom raspršenja () Otkrijmo kako energija raspršenog kvanta ovisi o kutu raspršenja Očuvanje 4- zamah

Slajd 9

Comptonov efekt: energija raspršenog elektrona Energija raspršenog elektrona ovisno o kutu njegovog raspršenja i odnosu između kutova raspršenih čestica: elektrona i γ-kvanta Pri visokoj energiji, pojednostavljeni izraz za energiju dobiva se raspršeni gama-kvant Energija gama-kvanta nakon raspršenja ne ovisi o početnoj energiji Za elektron Na primjer, kada se rasprši natrag () uvijek energija Takav rezultat je manifestacija korpuskularnih svojstava gama kvanta slajd 11 Presjek Comptonovog učinka na proton Je li Comptonov učinak moguć na protonu? Kvalitativna razmatranja ukazuju na to da za interakciju, gama zraka mora "pogoditi elektromagnetsko područje" mete, koju karakterizira Comptonova valna duljina čestice. Odavde nalazimo omjer. Vidi se da se Comptonov učinak na protone može zanemariti. Sličan zaključak dobiva se iz točnih formula za presjek zamjenom količine vrijednošću u slučaju raspršenja protona. Kada gama kvanti stupe u interakciju s materijom, pojavljuju se kvantno-mehanička svojstva mikro-objekata

Gama zračenje karakterizira intenzitet, koji se shvaća kao proizvod energijeγ -kvanta po njihovom broju, padaju svake sekunde po jedinici površine normalno na tok gama-kvanta.

Kao i za bilo koju vrstu elektromagnetskog zračenja, intenzitet γ-zračenja iz točkastog izvora opada obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti od izvora zračenja (ako nema dodatne apsorpcije u mediju). To je određeno čisto geometrijskim svojstvima toka zračenja, t.j. njegovu divergenciju s udaljenosti od točkastog izvora zračenja. U stvarnosti će se takvo slabljenje promatrati u apsolutnom vakuumu.

Gama zračenje je vrlo prodorno zračenje. Ali kada prolazi kroz bilo koju tvar, ta će je tvar apsorbirati. Do ove apsorpcije može doći zbog interakcije γ-zračenja s atomima, elektronima i jezgrama tvari, što se očituje u obliku sljedećih učinaka:

· fotoelektrični efekt- sastoji se u izbacivanju elektrona iz unutarnjih elektronskih omotača atoma pomoću γ-kvanta (najčešće od Do-ljuska), što dovodi do njegove ionizacije i pojave slobodnog elektrona. Ovaj učinak prevladava pri energijama γ-kvanta ispod 0,5 MeV;

· compton efekt, koji se sastoji u tome da γ-kvant pobuđuje elektron u vanjskoj ljusci atoma, prenoseći mu dio svoje energije, uslijed čega se njegova energija smanjuje i mijenja smjer (Comptonovo raspršenje);

· formiranje parova - ako γ-kvant leti neposredno u blizini jezgre i njegova energija prelazi 1,022 MeV, tada se može formirati par elektron-pozitron;

· fotonuklearne reakcije, u kojem gama kvanti, apsorbirani od strane jezgre, pobuđuju je, prenoseći joj svoju energiju, a ako je ta energija veća od energije vezanja neutrona, protona ili alfa čestice, tada te čestice mogu napustiti jezgru. Na fisijskim jezgrama (235 U, 239 Pu, itd.), ako je energija gama-kvanta veća od praga nuklearne fisije, doći će do njegove fisije.

Zbog svih ovih interakcija, kada gama zračenje prolazi kroz apsorber, njegov intenzitet opada prema zakonu:

gdje ja 0, ja je intenzitet γ-zračenja prije i nakon prolaska kroz apsorber;

μ je linearni koeficijent prigušenja;

d je debljina apsorbera.

Na sl. Slika 3.1 prikazuje jednostavan dizajn eksperimenta prigušenja. Kada gama zračenje s intenzitetom ja 0 pada na debljinu apsorbera d, intenzitet ja zračenje koje je prošlo kroz apsorber opisuje se eksponencijalnim izrazom (3.1).

Riža. 3.1. Osnovni zakon slabljenja gama zračenja

Intenzitet prenesenog zračenja ja je funkcija energije gama zračenja, sastava i debljine apsorbera. Stav ja/ja 0 naziva se propusnost gama zračenja. Slika 3.2 prikazuje eksponencijalno slabljenje za tri različite energije gama zraka. Iz slike se vidi da propusnost raste s povećanjem energije gama zračenja, a opada s povećanjem debljine apsorbera. Faktor μ u jednadžbi (3.1) naziva se linearni faktor slabljenja.

Linearni faktor prigušenjaμ ovisi o energiji γ zraka i svojstvima apsorbirajućeg materijala. Ona ima dimenziju m -1 i numerički je jednaka udjelu monoenergetskih gama kvanata koji izlaze iz paralelnog snopa po jedinici puta zračenja u tvari. Linearni koeficijent prigušenja ovisi o gustoći i serijskom broju tvari, kao i o energiji gama zraka. Na primjer, olovo ima veliku gustoću i visok atomski broj te prenosi mnogo manji dio upadnog gama zračenja nego aluminij ili čelik iste debljine.

Riža. 3.2. Ovisnost propusnosti gama zraka o debljini olovnog apsorbera

Vrijednosti linearnog koeficijenta prigušenja gama zračenja iz izvora 60 Co za različite materijale prikazane su u tablici 3.1, a njihova ovisnost o energiji γ-kvanta - u tablici 3.2.

Debljina sloja apsorbera potrebna za smanjenje intenziteta zračenja za polovicu naziva se poludebljina d 1/2.

Iz zakona apsorpcije (3.1) proizlazi da je poludebljina jednaka

Tablica 3.1

Linearni koeficijent prigušenja μ materijala γ-zračenja Co-60

Tablica 3.2

Ovisnost linearnog koeficijenta prigušenja μ materijala

na energiju γ-kvanta

E, MeV	μ, cm -1
voditi	Voda	Aluminij	Željezo	Grafit	Zrak
0,10		0,171	0,455	2,91	0,342	2,00 10 -4
0,15	22,8	0,151	0,371	1,55	0,304	1,76 10 -4
0,20	11,1	0,137	0,328	1,15	0,277	1,59 10 -4
0,30	4,43	0,119	0,280	0,865	0,241	1,38 10 -4
0,40	2,62	0,106	0,249	0,740	0,214	1,23 10 -4
0,50	1,80	0,0966	0,227	0,661	0,196	1,12 10 -4
0,80	0,999	0,0786	0,184	0,526	0,159	9,13 10 -5
1,0	0,798	0,0279	0,165	0,471	0,143	8,21 10 -5
1,5	0,591	0,0575	0,135	0,382	0,117	6,68 10 -5
2,0	0,518	0,0493	0,116	0,334	0,0999	5,74 10 -5
3,0	0,475	0,0396	0,0950	0,284	0,0801	4,63 10 -5
4,0	0,472	0,0340	0,0834	0,260	0,0684	3,98 10 -5
5,0	0,480	0,0302	0,0761	0,247	0,0603	3,54 10 -5
8,0	0,519	0,0242	0,0651	0,233	0,0482	2,87 10 -5
	0,552	0,0220	0,0619	0,233	0,0439	2,62 10 -5
	0,628	0,0193	0,0584	0,241	0,0380	2,31 10 -5
	0,694	0,0180	0,0578	0,250	0,0351	2,19 10 -5
	0,792	0,0170	0,0584	0,269	0,0329	2,08 10 -5
	0,863	0,0166	0,0603	0,285	0,0320	2,06 10 -5
	0,915	0,0166	0,0616	0,299	0,0320	2,08 10 -5

Linearni koeficijent prigušenja je najjednostavniji koeficijent prigušenja koji se može eksperimentalno izmjeriti, ali se obično ne navodi u tablicama pretraživanja zbog ovisnosti o gustoći upijajućeg materijala. Na primjer, voda, led i para imaju različite linearne koeficijente prigušenja za istu energiju, iako se sastoje od iste tvari.

Gama zrake uglavnom djeluju s atomskim elektronima, stoga koeficijent prigušenja mora biti proporcionalan gustoći elektrona P, što je proporcionalno nasipnoj gustoći upijajućeg materijala. Za bilo koju određenu tvar, omjer gustoće elektrona i nasipne gustoće te tvari je Z/A konstanta neovisna o nasipnoj gustoći. Z/A omjer je gotovo konstantan za sve osim za najteže elemente i vodik:

P=Zρ / A, (3.3)

gdje P- gustoća elektrona;

Z- atomski broj;

ρ - gustoća mase;

A- maseni broj.

Ako linearni koeficijent prigušenja podijelimo s gustoćom tvari ρ, dobivamo faktor prigušenja mase, što ne ovisi o gustoći tvari:

Maseni koeficijent prigušenja mjeri se u cm 2 /g (u SI sustavu - m 2 /kg) i ovisi samo o serijskom broju tvari i energiji gama zraka. Sudeći prema jedinici mjerenja ovog koeficijenta, može se smatrati efektivnim presjekom za interakciju elektrona po jedinici mase apsorbera. Maseni koeficijent prigušenja može se zapisati kao presjek reakcije σ (cm2):

gdje N 0 - Avogadrov broj (6,02 10 23);

ALI- maseni broj upijajućeg elementa.

Poprečni presjek interakcije σ i slični su po definiciji presjecima reakcije, t.j. određuje vjerojatnost curenja i proces tijekom interakcije gama kvanta s atomom. Vezano je za linearne koeficijente prigušenja μ i formula

gdje N- broj atoma tvari u 1 cm 3;

i- kratka oznaka fotoelektričnog efekta (f), Comptonovog efekta (c) i efekta stvaranja parova elektron-pozitron (p).

Poprečni presjeci su izraženi u ambarima po atomu.

Koristeći koeficijent prigušenja mase, jednadžba (3.1) se može prikazati na sljedeći način:

, (3.7) gdje je x = ρ d.

Maseni koeficijent prigušenja ne ovisi o gustoći, već ovisi o energiji fotona i atomskom broju apsorbera. Na slikama 3.3 i 3.4 prikazana je ovisnost o energiji fotona u rasponu od 0,01 do 100 MeV za skupine elemenata od ugljika do olova. Ovaj faktor se češće prikazuje u tablicama od faktora linearnog prigušenja jer kvantificira vjerojatnost interakcije gama zraka s određenim elementom.

Riža. 3.3. Ovisnost koeficijenta apsorpcije ukupne mase o energiji fotona za različite materijale (energetski raspon od 0,01 do 1 MeV)

Priručnik sadrži tablice ovisnosti linearnih i masenih koeficijenata prigušenja i srednjeg slobodnog puta gama kvanta o njihovoj energiji u rasponu od 0,01 do 10 MeV za različite tvari.

Interakcija gama zračenja sa složenom tvari karakterizira djelotvorni redni red Z učinak ove tvari. On je jednak serijskom broju takve uvjetne jednostavne tvari, čiji se koeficijent prigušenja mase pri bilo kojoj energiji gama zraka podudara s koeficijentom masenog prigušenja ove složene tvari. Izračunava se iz omjera:

gdje R 1 , R 2 , …, R n- težinski postotak sastavnih tvari u složenoj tvari;

μ 1 /ρ 1 , μ 2 /ρ 2 , …, μ n/ρ n su maseni koeficijenti slabljenja sastavnih tvari u složenoj tvari.

Uzimajući u obzir gornja tri glavna učinka interakcije gama zračenja s materijom, ukupni linearni koeficijent prigušenja sastojat će se od tri komponente određene fotoelektričnim efektom, Comptonovim efektom i učinkom stvaranja para:

Svaki od njih na drugačiji način ovisi o serijskom broju tvari i energiji gama zraka.

Na fotoelektrični efekt atom gama apsorbira, a elektron izlazi iz atoma (slika 3.5).

Riža. 3.5. Shema procesa fotoelektrične apsorpcije

Dio kvantne energije gama zraka, jednak energiji vezivanja ε e, troši se na odvajanje elektrona od atoma, a ostatak se pretvara u kinetičku energiju tog elektrona Nju:

Prva značajka fotoelektričnog efekta je da se javlja samo kada je energija gama zraka veća od energije vezanja elektrona u odgovarajućoj ljusci atoma. Ako je energija gama zraka manja od energije vezanja elektrona u Do-ljuske, ali više nego u L-ljuske, tada fotoelektrični efekt može ići na sve ljuske atoma, osim Do- školjke itd.

Druga značajka je povećanje fotoelektrične apsorpcije gama zraka s povećanjem energije vezanja elektrona u atomu. Na slabo vezanim elektronima fotoelektrični efekt se praktički ne opaža, a slobodni elektroni uopće ne apsorbiraju gama zrake. Linearni koeficijent slabljenja fotoelektričnog efekta proporcionalan je omjeru Z4/E γ 3 .

Ova proporcionalnost je samo približna, budući da je eksponent Z varira u rasponu od 4,0 do 4,8. Kako se energija gama kvanta smanjuje, vjerojatnost fotoelektrične apsorpcije brzo raste (vidi sliku 3.6). Fotoelektrična apsorpcija je prevladavajući proces interakcije za niskoenergetske gama zrake, rendgenske zrake i kočnice.

Fotoelektrični efekt se uglavnom opaža u K- i L-ljuske teških atoma pri energijama gama zraka do 10 MeV. Koeficijent μ f naglo opada s povećanjem energije gama zraka i približava se nuli pri energiji od oko 10 MeV, t.j. fotoelektroni se ne proizvode. Na sl. 3.6 prikazuje fotonaponski maseni koeficijent ekstinkcije za olovo. Vjerojatnost interakcije brzo raste sa smanjenjem energije, ali se zatim naglo smanjuje pri energiji fotona gama zraka neposredno ispod energije vezanja K-elektrona. Ovaj skok se zove K-rub. Ispod ove energije, gama zraka nema dovoljno energije za izbacivanje K-elektron. Ispod K Vjerojatnost interakcije na rubu ponovno raste sve dok energija postaje ispod energija vezanja L-elektroni. Takvi skokovi se zovu L ja - , L II - , L III - - rubovi.

Riža. 3.6. Fotonaponski maseni koeficijent ekstinkcije za olovo

Na slabo vezanim elektronima atoma γ-kvant se raspršuje, tzv Comptonov efekt . S takvom interakcijom dolazi do, takoreći, elastičnih sudara γ-kvanta s ekvivalentnom masom m γ = E/c 2 s masom elektrona mi. Shematski je takav sudar prikazan na slici 3.7. U svakom takvom sudaru γ-kvant prenosi dio svoje energije na elektron, dajući mu kinetičku energiju. Stoga se ti elektroni nazivaju povratni elektroni. Kinetička energija povratnog elektrona bit će jednaka

gdje v i su frekvencija γ-kvanta prije i nakon sudara;

h je Planckova konstanta.

Riža. 3.7. Shema interakcije gama kvanta s materijom

s Comptonovim učinkom

Nakon sudara, elektron trzanja i γ-kvant se raspršuju pod kutovima θ i φ u odnosu na početni smjer γ-kvanta. Uzimajući u obzir zakone održanja energije i količine gibanja (momenta), doći će do promjene valne duljine γ-kvanta:

U tangencijalnim sudarima, γ-kvant se odbija pod malim kutovima (φ ~ 0) i njegova se valna duljina neznatno mijenja. Najveća će biti u frontalnim sudarima (φ ~ 180 0), dostižući vrijednost

Energija raspršenog gama-kvanta i elektrona trzanja e e povezani su s početnom energijom gama kvanta, s kutovima φ i θ relacijama:

Budući da je interakcija γ-kvanta s bilo kojim elektronom neovisna, vrijednost μ do proporcionalno elektronskoj gustoći N e, što je pak proporcionalno rednom broju Z tvari. Ovisnost μ o energiji γ-kvanta h v i Z, koji su dobili fizičari Klein, Nishina i Tamm, ima oblik:

gdje N- broj atoma u 1 cm 3 tvari.

Comptonov učinak javlja se uglavnom na slabo vezanim elektronima u vanjskim omotačima atoma. Kako se energija povećava, udio raspršenih γ-kvanta se smanjuje. Ali smanjenje koeficijenta linearnog raspršenja μ do događa se sporije od μ f. Dakle, u energetskoj regiji Eγ > 0,5 MeV Comptonov efekt prevladava nad fotoelektričnim efektom.

U spektrometriji gama zraka, kvant dμ na /dE e pozvao diferencijalni Comptonov koeficijent raspršenjaγ -kvanta. Njegovo fizičko značenje je da određuje broj elektrona trzanja po jedinici volumena tvari, formiranih protokom gama zraka F s energijom Eγ , čija energija leži u rasponu od nule do maksimalne vrijednosti Nju Maks. Klein-Nishina-Tamm teorija omogućuje dobivanje analitičkog izraza za veličinu dμ do / dE e = Nd, gdje N je broj atoma po jedinici volumena tvari. Da bismo ilustrirali ovu ovisnost, predstavljamo grafičke distribucije elektrona trzanja za tri fiksne energije gama zraka (slika 3.8). U slučaju visokih energija γ zraka (više od 2 MeV), raspodjela energije povratnih elektrona je praktički konstantna. Odstupanje od konstantne vrijednosti (povećanje gustoće distribucije elektrona trzanja) počinje kada se njihova energija približi energiji γ-kvanta, tvoreći tzv. Comptonov vrh. U ovom slučaju, energija povratnih elektrona u Comptonovom vrhuncu je nešto niža od energije gama kvanta koji ih je generirao (kao što se može vidjeti iz slike).

Riža. 3.8. Raspodjela energije povratnih elektrona

za γ-kvante raznih energija

Budući da energija povratnih elektrona ne može biti veća od početne energije γ-kvanta, nakon Comptonovog vrha distribucija se naglo prekida na nulu. Smanjenjem energije γ-kvanta (manje od 1,5 MeV) narušena je i ujednačenost raspodjele ispod Comptonovog vrha. Na slici 3.9 prikazana je ovisnost energije Comptonovog brida o energiji gama zraka. Iz ovoga slijedi da, kako se energija gama zraka povećava, razlika u energijama fotopika i Comptonovog ruba najprije brzo raste, ali, počevši od energija od 100-200 keV, ta razlika teži konstantnoj vrijednosti.

Učinak uparivanja događa se tijekom prolaska γ-kvanta u blizini jezgre, ako njegova energija prelazi vrijednost praga od 1,022 MeV. Izvan polja jezgre γ-kvant ne može formirati par elektron-pozitron, jer u tom slučaju će se prekršiti zakon održanja količine gibanja. Iako je energija od 1,022 MeV dovoljna za generiranje para, tada zamah generiranih čestica mora biti jednak nuli, dok γ-kvant ima zamah različit od nule i jednak E γ /c. Međutim, u polju jezgre ovaj učinak postaje moguć, budući da se u tom slučaju energija i zamah γ-kvanta raspodjeljuju između elektrona, pozitrona i jezgre bez kršenja zakona očuvanja. U isto vrijeme, budući da je masa jezgre tisuće puta veća od mase elektrona i pozitrona, ona prima neznatan dio energije γ-kvanta, koji je gotovo potpuno raspoređen između elektrona i pozitrona. . Shematski je učinak rođenja para elektron-pozitron prikazan na slici 3.10.

Riža. 3.9. Ovisnost energije Comptonovog ruba o energiji gama zraka

Riža. 3.11. Ovisnost linearnih koeficijenata prigušenja gama zračenja o energiji γ-kvanta za olovo

Sva tri gore opisana procesa interakcije doprinose ukupnom masenom koeficijentu izumiranja. Relativni doprinos tri interakcijska procesa ovisi o energiji gama-kvanta i atomskom broju apsorbera. Na sl. 3.12 prikazuje skup krivulja prigušenja mase koje pokrivaju širok raspon energija i atomskih brojeva. Koeficijent prigušenja za sve elemente, s izuzetkom vodika, ima nagli porast u području niske energije, što ukazuje da je fotoelektrična apsorpcija prevladavajući proces interakcije u ovom području. Mjesto ovog porasta jako ovisi o atomskom broju. Iznad porasta u području niske energije, vrijednost koeficijenta masenog prigušenja postupno opada, definirajući područje u kojem je dominantna interakcija Comptonovo raspršenje.

Riža. 3.12. Maseni koeficijenti slabljenja nekih elemenata

(prikazane su energije gama kvanta, koje se obično koriste u

identifikacija izotopa urana i plutonija gama zračenjem)

Maseni koeficijenti prigušenja za sve elemente s atomskim brojem manjim od 25 (željezo) su gotovo identični u energetskom području od 200 do 2000 keV. U rasponu od 1 do 2 MeV, krivulje prigušenja konvergiraju za sve elemente. Oblik krivulje prigušenja mase vodika pokazuje da se interakcija gama zraka s energijama iznad 10 keV događa gotovo isključivo Comptonovim raspršenjem. Pri energijama iznad 2 MeV za elemente s visokim atomskim brojem Z proces interakcije s formiranjem parova postaje važan, a koeficijent prigušenja mase ponovno počinje rasti.

Interakcije gama kvanta s materijom

FIZIČKI OSNOVI BUŠARSKOG RADIOMETRIJA

DIO 2. Metode nuklearne fizike

U nuklearnoj geofizici koriste se samo najprodornija zračenja - neutroni i gama kvanti, koji kroz čelično kućište i cementni kamen "vide kroz" sustav bušotine. Reakcije uzrokovane neutronima u stijenama mnogo su raznolikije od reakcija uzrokovanih gama zrakama. Zbog toga se stacionarne i pulsne neutronske metode široko koriste u nalazištima nafte, plina i drugih minerala za određivanje ležišnih svojstava stijena, identifikaciju proizvodnih objekata, kontrolu razvoja polja, elementarnu analizu stijena i mineralnih sirovina te rješavanje mnogih drugih važnih problemi..

Mjera interakcije gama kvanta (kao i drugih čestica) s materijom je efektivni presjek interakcije - mikroskopski i makroskopski. mikroskopski presjek s određuje vjerojatnost interakcije jedne čestice s drugom ciljnom česticom (jezgrom, elektronom, atomom). makroskopski presjek Σ - ϶ᴛᴏ mjera vjerojatnosti interakcije čestice s jediničnim volumenom tvari; jednak je umnošku mikropresjeka po broju meta po jedinici volumena. Prema povijesno utvrđenoj tradiciji, makro-presjek za gama kvante obično se naziva linearni koeficijent prigušenja i označimo m (a ne Σ). Vrijednost 1/Σ određuje srednji slobodni put za određenu vrstu interakcije.

Gama zračenje je oslabljeno u materiji zbog: fotoelektrični efekt; Comptonov učinak; formiranje para; fotonuklearne interakcije.

Na fotoelektrični efekt (Sl.7.1a) gama kvanti stupaju u interakciju s elektronskom ljuskom atoma. Fotoelektron u nastajanju odnosi dio energije gama zračenja E=hv-E 0 , gdje E 0 je energija vezanja elektrona u atomu. Proces se odvija pri energijama koje ne prelaze 0,5 MeV. Fotoelektrični efekt također proizvodi karakteristične X-zrake.

Mikroskopski presjek fotoelektričnog efekta ovisi o energiji gama zraka i serijskom broju Z element

s f \u003d 12.1 E –3,15 Z 4.6 [štala/atom].

Jaka ovisnost o Z omogućuje korištenje fotoelektričnog efekta za kvantitativno određivanje sadržaja teških elemenata u stijenama (rentgenske radiometrijske i selektivne gama-gama metode).

Na Compton Učinkom, gama zračenje stupa u interakciju s elektronima, prenoseći im dio energije, a zatim se širi u stijeni, doživljavajući višestruko raspršenje s promjenom početnog smjera gibanja. Taj je proces moguć pri bilo kojoj energiji gama zraka i glavni je pri 0,2<E<3 МэВ, т. е. именно в области спектра первичного излучения естественно-радиоактивных элементов.

sl.7.1a,b. Glavne vrste interakcija gama zračenja s materijom ( a) i rasponi energija i atomskih brojeva u kojima se pojavljuju ( b) (IAEA, 1976. ᴦ.):

1 – fotoelektrični efekt; 2 – Comptonovo raspršenje; 3 je učinak stvaranja elektron-pozitronskog nap

Proces stvaranja parova elektron-pozitron koji proizlaze iz fotona u polju atomskih jezgri najvjerojatnije je za stijene koje sadrže teške elemente (vidi sliku 7.1b) pri energijama od najmanje 1,02 MeV.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, pri različitim energijama, gama kvanti djeluju uglavnom s različitim ciljevima: atomima, elektronima, atomskim jezgrama.

U energetskom rasponu gdje su Comptonovi i foto efekti najznačajniji (slika 7.1b), ukupni makroskopski poprečni presjek interakcije (koji se naziva i linearni koeficijent prigušenja)

m=m f +m k =m k (1+m f /m k) (7.1)

gdje je m = n e s k - makro-presjek Comptonovog efekta; n e je broj elektrona po jedinici volumena.

Elektronska gustoća medija koji se sastoji od elemenata s omjerom Z/A=1/2 strogo je proporcionalna nasipnoj gustoći (takvi mediji se nazivaju "normalnim"). Zbog prisutnosti vodika, za koji je Z/A=1, stijene se razlikuju od "normalnih" medija; mjera te razlike je "koeficijent redukcije na normalnu okolinu".

Efektivni atomski broj medija složenog sastava je ϶ᴛᴏ redni broj takvog jednoelementnog medija čiji je presjek fotoelektrične apsorpcije isti kao u danom multielementnom mediju.

Za monoelementno okruženje ne=d N A Z/A, gdje N A je Avogadrov broj; ALI i Z– maseni broj i serijski broj; d je gustoća. Elementi koji čine minerale koji tvore stijene Budući da uvjet stabilnosti atomskih jezgri (uvjet zasićenja nuklearnih sila) zahtijeva da A=N+P» N+Z»2 Z, (N» Z) (gdje N i R su brojevi neutrona i protona u jezgri), zatim Z/A=0,5 bez obzira na vrstu elementa (jedina iznimka je vodik).

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, uz Comptonovo raspršenje, makro-presjek m to je određen gustoćom (vrijednost 2d Z/A zove se elektronska gustoća). Ova činjenica služi kao rigorozno fizičko opravdanje. modifikacija gustoće gama-gama metode (GGM) . U energetskom području Comptonovog efekta m»d, a vrijednost

ne ovisi o gustoći (slika 7.2b); ova vrijednost se obično naziva "koeficijent prigušenja mase".

Slika 7.2a,b. Ovisnosti masenog koeficijenta prigušenja m/d o energiji gama zraka ( a) i atomski broj Z element ( b). Šifra krivulja - energija gama kvanta, MeV

Radi praktičnosti usporedbe utjecaja fotoelektričnog efekta i Comptonovog raspršenja, koristi se presjek fotoapsorpcije po elektronu

s f / Z = P e×10 –2 ( E/132) –3,15 , (7.3)

gdje je vrijednost P e(“indeks fotoelektrične apsorpcije”) jednak je ( Z/10) 3.6. Omjer presjeka m f / m k \u003d s f / Z s k " P e/s do. Efektivni atomski broj Z eff se izražava na sljedeći način (za okruženje s više elemenata):

gdje je Z i, A i,P ja- serijski broj, atomska težina i težinski (maseni) udio i-ti element, odnosno zbrajanje se proširuje na sve elemente u prirodnoj smjesi.

Slabljenje i intenzitet DJširokog snopa gama zračenja u ravnom sloju homogene tvari debljine dx opisuje se diferencijalnom jednadžbom sličnom zakonu radioaktivnog raspada:

u integralnom obliku

J(x) = J 0 exp(–m x). (7.6)

Ako gustoća medija ovisi o x("barijerna" geometrija), t.j. μ = μ (x), zatim

J(x) = J 0exp[–Λ( x)], (7.7)

gdje je Λ optička debljina sloja x, ili

gdje je T(h) debljina masenog sloja h; - koeficijent prigušenja mase.

Za točkasti izotropni izvor, zakon geometrijske divergencije 1/(4p r 2) u sfernoj geometriji ("zakon obrnutog kvadrata"):

J(r) = J 0 exp(–m r)/ (4 str r 2). (7.9)

Ovaj izraz opisuje prostornu raspodjelu neraspršenog (neutronskog ili gama) zračenja. Spektar višestruko raspršenog zračenja (slika 7.3) iz monoenergetskog izvora uključuje raspršeno zračenje, ali sa smanjenjem energije, višestruko raspršeno zračenje daje sve veći doprinos. Sve dok je presjek fotoelektričnog efekta mali, odlučujući faktor je elektronska gustoća tvari, koja je, pak, određena gustoćom medija. S povećanjem presjeka fotoelektrične apsorpcije (u skladu sa smanjenjem energije gama zraka), amplituda spektra se smanjuje, a određena je ne samo gustoćom, već i efektivnim atomskim brojem tvari ( indeks fotoelektrične apsorpcije). Iz tog razloga spektrometrijska registracija omogućuje određivanje ne samo gustoće stijene, već i njenog efektivnog atomskog broja (litološki tip stijene). Ova modifikacija GGM-a obično se naziva "selektivna".

sl.7.3. Spektar višestruko raspršenog gama zračenja u stijenama iste gustoće, ali različitog sastava (prema I.G. Dyadkin, 1978 ᴦ .; V. Bertozzi, D. Ellis, J. Vol, 1981 ᴦ.):

1 -3 – atomski brojevi Z odnosno mali, srednji i veliki; 4 – područje fotoelektričnog efekta i Comptonovog raspršenja; 5 je Comptonovo područje raspršenja, S je meki dio spektra; H je tvrdi (Compton) dio spektra

Na selektivna modifikacija GGM-a(GGM-S) koriste izvore i detektore mekog gama zračenja. Očitavanja GGM-S ovise i o Comptonovom raspršenju gama kvanta (dakle, o gustoći medija) i o njihovoj apsorpciji, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ je određen koncentracijom teških elemenata u stijeni. Interpretativni parametar metode je presjek fotoelektrične apsorpcije - P e [barn/elektron]. Makroskopski presjek apsorpcije po jedinici volumena tvari označava se s U, obično se naziva parametar fotoapsorpcije [štala / cm 3] i određuje se izrazom:

gdje je b e gustoća elektrona. Parametar U ima linearni petrofizički model. To vam omogućuje da podatke GGM-S uključite u sustav petrofizičkih jednadžbi za određivanje litološkog sastava i poroznosti polimineralnih naslaga. Na primjer, za dvokomponentni model medija (kostur i tekućina koja ispunjava kapacitivni prostor), fotoelektrični indeks apsorpcije određen je izrazom:

U \u003d K p U fl + (1-K p) U sk, (7.10)

gdje su U fl, U sk odgovarajući parametri tekućine, odnosno kostura.

Razlika u prirodi gama zračenja od alfa i beta zračenja (nedostatak naboja i mase mirovanja u gama kvantima) dovodi do bitno drugačijeg mehanizma interakcije tog zračenja s materijom. Ionizacija i ekscitacija medija nastaje zbog sekundarnih ionizirajućih čestica. Primarna interakcija gama kvanta s materijom svodi se na tri glavna procesa (mehanizmi interakcije):

fotoelektrični efekt;

Comptonovo raspršenje;

Stvaranje para elektron-pozitron.

fotoelektrični efekt je da gama zraka, u interakciji s atomom (molekulom ili ionom), izbacuje elektron iz njega. U tom slučaju sam gama-kvant nestaje, a njegova energija se prenosi na elektron, koji postaje slobodan (slika a) i proizvodi ionizaciju i ekscitaciju slično beta čestici.

U procesu Comptonovo raspršenje (Comptonov efekt, elastično raspršivanje) gama kvant također izbacuje elektron iz atoma (molekule ili iona), ali u isto vrijeme prenosi samo dio svoje energije na elektron, a sam mijenja smjer kretanja (raspršuje) - slika b.

Ako je energija gama kvanta veća od 1,02 MeV, tada se gama kvant može pretvoriti u elektron i pozitron.

Takva se transformacija događa samo u blizini atomske jezgre i dovodi do nestanka gama kvanta (slika 6c). Nastali pozitron kreće se u tvari, usporava i stupa u interakciju s elektronom medija. U tom slučaju elektron i pozitron nestaju (anihiliraju) uz nastanak elektromagnetskog zračenja, što se naziva anihilacija.

Vjerojatnost fotoelektričnog efekta brzo opada s povećanjem energije gama zraka. Vjerojatnost Comptonovog raspršenja također se smanjuje s povećanjem energije gama zraka, ali ne tako oštro kao za fotoelektrični efekt. Vjerojatnost stvaranja para raste s energijom, počevši od 1,02 MeV. Može se pretpostaviti da će u području "malih" energija gama zraka glavni mehanizam interakcije gama zračenja s materijom biti fotoelektrični efekt. U području "srednjih" energija - Comptonov efekt, au području "visokih" - formiranje parova elektron-pozitron. Koncepti "male", "srednje" i "visoke" energije ovise o naboju atoma medija Z. Na primjer, za olovo, ti energetski rasponi su razdvojeni s približno 0,5 MeV i 5 MeV.

Dakle, kada gama zračenje stupi u interakciju s materijom, u konačnici nastaje sljedeće:

a) visokoenergetski elektroni, čija se daljnja sudbina bitno ne razlikuje od sudbine beta čestica;

b) sekundarno elektromagnetsko zračenje – raspršeni gama kvanti i anihilacijsko zračenje.

Općenito, razlika u fizičkoj slici interakcije alfa, beta i gama zračenja očituje se tek u početnoj fazi, u trajanju od milijardnih dionica sekunde. Energija koju čestice prenose na tvar pretvara se u energiju sekundarnih čestica - elektrona, fotona - i elektroničkih pobuđivanja, koje se ponašaju na sličan način, bez obzira na to koja ih je ionizirajuća čestica generirala. Svoju energiju "razmjenjuju" za stvaranje velikog broja novih elektrona, fotona i elektroničkih pobuđivanja s nižom energijom (taj proces se naziva "disipacija energije"), proširujući djelovanje primarne čestice na određeni volumen.

Rezultat interakcije ovisi o stanju agregacije tvari. Za plinove (uključujući zrak) glavni je rezultat djelovanja zračenja ionizacija i pobuđivanje molekula, iako se uz to u većoj ili manjoj mjeri javljaju kemijske reakcije (u plinovima su otežane zbog velike udaljenosti između molekula) , što dovodi do stvaranja novih tvari. Za tekućine su kemijske reakcije nastalih kemijski aktivnih čestica (iona, radikala) već glavni učinak utjecaja zračenja. Djelovanje zračenja na čvrsta tijela također često dovodi do kemijskih transformacija i uvijek do nedostataka u njihovoj kristalnoj rešetki (kršenja elektronske strukture, praznine, međuprostorni atomi, dislokacije, itd.), čije rođenje i evolucija u vremenu i volumenu tvari je prilično težak zadatak..

Kemijske transformacije koje se događaju u tvari kao rezultat izlaganja zračenju proučavaju se radijacijskom kemijom. Utjecaj zračenja na strukturu tvari i, sukladno tome, modifikaciju njezinih svojstava proučava radijacijska znanost o materijalima, koja je, kao i radijacijska kemija, od velike važnosti kako iz temeljne (razvoj prirodnih znanosti), tako i iz primijenjene znanosti. (razvoj tehnologije) gledište.