Izračun značilnosti interakcije gama kvantov z zrakom. Fotoelektrični učinek (fotoelektrična absorpcija)

Študija geološkega prereza vrtin (litološki in geološki prerez vrtine)

Študija tehničnega stanja vrtin

Nadzor nad razvojem naftnega in plinskega polja

Izvajanje perforacije in peskanja v vrtinah

Testiranje formacije in vzorčenje iz sten vrtine

8. Interakcija gama kvantov s snovjo, beleženje gama žarkov, problemi, ki jih je treba rešiti

Radioaktivnost - sposobnost nekaterih atomskih jeder, da spontano razpadejo z emisijo α, β, γ žarkov in včasih drugih delcev. Gama žarki so kratkovalovno elektromagnetno sevanje. Dolžina poti γ-kvantov v kamninah doseže več deset centimetrov. Zaradi visoke prodorne moči so glavna vrsta sevanja, zabeležena v metodi naravne radioaktivnosti. Energija delcev je izražena v elektronskih voltih (eV). Vpliv gama sevanja na okolje je kvantificiran v rentgenskih slikah. Od naravnih radioaktivnih elementov so najpogostejši uran U238, torij Th232 in kalijev izotop K40. Radioaktivnost sedimentnih kamnin je praviloma neposredno odvisna od vsebnosti glinenega materiala. Peščenjak, apnenec in dolomiti imajo nizko radioaktivnost, najmanjšo radioaktivnost imajo kamena sol, anhidrit in premog. Za merjenje intenzivnosti naravnega gama sevanja vzdolž vrtine se uporablja vrtinjsko orodje, ki vsebuje indikator γ-sevanja. Kot indikator se uporabljajo scintilacijski števci s plinskim razelektritvijo. Plinski števci so jeklenka, v kateri sta nameščeni dve elektrodi. Jeklenka je napolnjena z mešanico inertnega plina s hlapi makromolekularne spojine, ki je pod nizkim tlakom. Merilnik je priključen na visokonapetostni enosmerni vir - približno 900 voltov. Delovanje števca za plinsko razelektritev temelji na dejstvu, da γ-kvant, ki pade vanj, ionizira molekule plinskega polnila. To vodi do praznjenja v merilniku, ki bo ustvaril tokovni impulz v njegovem napajalnem tokokrogu. Beleženje gama žarkov. Pri prehodu skozi snov gama kvanti medsebojno delujejo z elektroni in atomskimi jedri. To vodi v oslabitev intenzivnosti γ-sevanja. Glavne vrste interakcije gama kvantov s snovjo so tvorba parov elektron-pozitron, fotoelektrični učinek, Comptonov učinek (γ-kvant prenese del svoje energije na elektron in spremeni smer gibanja). Elektron se izvrže iz atoma. Po več dogodkih sipanja se bo energija kvanta zmanjšala na vrednost, pri kateri se absorbira zaradi fotoelektričnega učinka. Fotoelektrični učinek se zmanjša na dejstvo, da γ-kvant vso svojo energijo prenese na enega od elektronov notranje lupine in se absorbira, elektron pa se izvrže izven atoma. Vodnjak ima pomemben vpliv na odčitke GGC. Zmanjša gostoto medija, ki obdaja sondo, in povzroči, da se odčitek GHA poveča sorazmerno s premerom. Za zmanjšanje vpliva vrtine imajo instrumenti GGS vpenjalne naprave in zaslone, ki ščitijo indikator pred razpršenim γ-sevanjem vrtalne tekočine. Obsevanje kamnine in zaznavanje razpršenega γ-sevanja v tem primeru poteka skozi majhne luknje v zaslonih, imenovane kolimatorji. Značilnost diagramov metode razpršenega gama sevanja ni neposredna, temveč povratna informacija z gostoto, ki je posledica velikosti sonde. Če bi indikator postavili blizu vira, bi medij s povečano gostoto zaznamoval tudi visoka intenzivnost razpršenega γ-sevanja.

9. Identifikacija intervalov perforacije glede na lokacijo rokavov

Uporablja se metoda elektromagnetne lokacije sklopk:

določiti položaj orodnih spojev zataknjenih vrtalnih cevi;

določitev položajev tulnih povezav ohišja;

natančna vezava odčitkov drugih instrumentov na položaj sklopk;

medsebojna vezava indikacij več naprav;

razjasnitev globine spuščanja cevi;

določitev trenutnega dna vrtine;

v ugodnih razmerah - za določitev intervala perforacije in prepoznavanje mest kršitev (pretrganja, razpoke) ohišnih strun.

Fizična osnova metode: Metoda elektromagnetnega lociranja spojk (LM) temelji na registraciji sprememb magnetne prevodnosti kovine vrtalnih cevi, ohišja in cevi zaradi njihove diskontinuitete.

Oprema: Detektor (senzor) lokatorja sklopke je diferencialni magnetni sistem, ki je sestavljen iz večplastne tuljave z jedrom in dveh trajnih magnetov, ki ustvarjata konstantno magnetno polje v in okoli tuljave. Pri premikanju lokatorja vzdolž stebra na mestih, kjer so cevi pretrgane, se magnetni tok prerazporedi in EMF se inducira v merilni tuljavi.

Lokator aktivne sklopke vsebuje dve tuljavi, od katerih ima vsaka vznemirljivo in sprejemno navitje. Pod vplivom izmeničnega magnetnega polja, ki nastane z uporabo izmenične napetosti na vzbujajočih navitjih, nastane izmenična napetost v sprejemnih navitjih, ki je odvisna od magnetnih lastnosti okolja. Informativni parameter je razlika napetosti na sprejemnih navitjih, ki je odvisna od neprekinjenosti medija.

Vstopnica 4

10. Kompleks za sečnjo vodnjaka v obloženem vodnjaku, naloge, ki jih je treba rešiti

Predpogoj za uspešno uporabo sečnje pri proučevanju geološkega prereza vrtine je izbira ustreznega paketa (programa) geofizikalnih raziskav. Program naj zagotavlja reševanje zadanih nalog z najmanjšo možno količino meritev. Ob upoštevanju podobnosti geoloških in tehničnih pogojev dela so standardni GIS kompleksi nameščeni na različnih območjih. Standardni paketi vključujejo splošne študije, ki se izvajajo po celotni vrtini, in pravne študije obetavnih intervalov nafte in plina. V obloženem vodnjaku se izvajajo vse vrste sečnje razen mikrosečnje in BKZ (ker se uporabljajo v odprti luknji, ker te metode določajo debelino glinene pogače).

11. Nevtronski gama žarki, fizikalne osnove, krivulje, problemi, ki jih je treba rešiti

Nevtronska karotaža se uporablja v odprtih in obloženih vrtinah in se uporablja za reševanje naslednjih težav:

za namen litološke razdelitve odsekov;

določitev položaja trenutnega plinsko-oljenega kontakta (GOC), intervalov preboja plina, prelivanja, razplinjevanja nafte v rezervoarju in ocena nasičenosti plina;

določitev položaja stika olje-voda WOC v vrtinah z visoko slanostjo formacijskih voda.

Nevtronsko sevanje ima največjo prodorno moč. To je posledica dejstva, da nevtroni, ki so nenabiti delci, ne sodelujejo z elektronskimi lupinami atomov in jih Coulombovo polje jedra ne odbija. Tako kot gama kvante je tudi za nevtrone značilna energija E, ki je v tem primeru povezana z njihovo hitrostjo. Obstajajo hitri nevtroni z energijo 1-15 MeV, vmesni 1 MeV - 10 eV, počasni ali epitermični 0,1-10 eV in toplotni nevtroni s povprečno energijo 0,025 eV. Interakcija nevtronov s stvarjo v elastičnem trku z jedrom z izgubo dela energije, t.j. pri umirjanju nevtrona in ujetju nevtrona z jedrom. Za nevtrone z energijami od nekaj MeV do 0,1 eV je glavna vrsta interakcije elastično sipanje. Pri elastičnem sipanju nevtronov je količina izgube energije zaradi trka določena le z maso jedra: manjša kot je masa jedra, večja je izguba energije. Naib. izguba energije nastane, ko nevtron trči v jedro vodikovega atoma. Eden od glavnih nevtronskih parametrov medija je dolžina pojemka L3. To je povprečna razdalja od mesta oddajanja nevtrona do mesta, kjer se upočasni v toplotno energijo. Zmerni nevtroni se še naprej premikajo in trčijo v jedra elementov, vendar ne spreminjajo povprečne energije. Ta proces se imenuje difuzija. Povprečna razdalja, ki jo nevtron prepotuje od točke upočasnitve do točke ujetja, se imenuje difuzijska dolžina. Dolžina difuzije je običajno veliko manjša od dolžine pojemka. Končni rezultat gibanja toplotnega nevtrona je njegova absorpcija z nekim atomskim jedrom. Ko nevtron ujame jedro, se energija sprosti v obliki enega ali več γ - kvantov. Obstajajo naslednje vrste nevtronskih metod: NGM nevtronska gama metoda, NMN epitermalna nevtronska metoda in NMT termična nevtronska metoda. Med seboj se razlikujejo po vrsti uporabljenih kazalnikov. Impulzne nevtronske metode. Bistvo impulznega nevtronskega karotanja je v preučevanju nestacionarnih nevtronskih polj in γ-polj, ki jih generira nevtronski generator. Nevtronski generator deluje v impulznem načinu s frekvenco od 10 do 500 Hz. Pri impulznih metodah se kamnina obseva s kratkotrajnimi hitrimi nevtronskimi tokovi trajanja ∆t, ki si sledijo drug za drugim v časovnih intervalih t.

diapozitiv 1

Predavanje 8 Procesi interakcije gama kvantov Fotoelektrični učinek Značilnosti preseka fotoelektričnega učinka Prerez fotoelektričnega učinka Smer ubežanja elektronov Comptonov učinek Prerez Comptonovega učinka na elektronu Prerez Comptonovega učinka na protonu "Interakcija gama kvantov s snovjo"

diapozitiv 2

E/m interakcija gama kvantov: -fotoelektrični učinek; - elastično sipanje na elektronih (Comptonov učinek); - rojstvo parov delcev. Procesi se pojavljajo v energijskem območju keV - stotine MeV, ki se najpogosteje uporabljajo v uporabnih raziskavah. Poglejmo odvisnost od energije Eγ in značilnosti snovi. Procesi interakcije gama kvantov Razmerje med energijo γ-kvanta in njegovo valovno dolžino:

diapozitiv 3

Fotoelektrični učinek. gama žarkov ni. To pomeni, da med fotoelektričnim učinkom elektron prejme energijo Ii - ionizacijski potencial TA - kinetično energijo iona

diapozitiv 4

Značilnosti preseka fotoelektričnega učinka Fotoelektrični učinek je možen, če je energija γ-kvanta večja od ionizacijskega potenciala (K, L, M…-lupina) Če 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.

diapozitiv 5

Prerez fotoelektričnega učinka Če je energija γ-kvanta manjša od ionizacijskega potenciala najbolj oddaljene lupine, je presek fotoelektričnega učinka enak nič. Še en omejevalni primer - če je energija γ-kvanta zelo velika (Eγ >> I), potem lahko domnevamo, da je elektron prost, fotoelektrični učinek pa ni možen na prostih elektronih. Ko se energija povečuje, se presek asimptotično nagiba k nič. V območju potencialnih ionizacijskih energij lupine (Eγ = Ii) prerez skoči, na segmentu se presek na M-lupini zmanjša, saj se vezava elektrona na to lupino glede na energijo foton gama žarkov se zmanjša, medtem ko je fotoelektrični učinek iz L-lupine še vedno energijsko prepovedan.

diapozitiv 6

Vpliv močne vezave elektrona v atomu na presek fotoelektričnega učinka se odraža v odvisnosti po stopnji od jedrskega naboja. Kvantno-mehanski izračun zahteva poznavanje -funkcij atomskih elektronov na različnih lupinah. fotoelektričnega učinka iz notranje K-lupine določajo razmerja (cm2/atom): če Eγ > mc2 Thomsonov presek sipanja Hitro padajoči prerez Prerez fotoelektričnega učinka

Diapozitiv 7

Smer ubežanja elektronov Če žarek gama žarkov zadene atome, se izvrženi elektroni oddajajo pretežno v smeri, pravokotni na impulz fotona vzdolž vektorja električnega polja valovanja. Torej. kotna porazdelitev fotoelektronov za nizkoenergijske porazdelitve za visokoenergijske fotone Fotoelektrični učinek je glavni proces absorpcije fotonov pri nizkih energijah. Absorpcija na težke atome je še posebej učinkovita.

Diapozitiv 8

Comptonov učinek: energija razpršenega fotona Elastično sipanje visokoenergijskega γ-kvanta z atomskim elektronom Kvantna energija je veliko večja od ionizacijskega potenciala Еγ >> I ; elektron lahko štejemo za proste Pri tem procesu je γ-kvant z energijo (val -) pokazal lastnosti delca med razprševanjem () Ugotovimo, kako je energija razpršenega kvanta odvisna od kota sipanja Ohranjanje 4- zagone

Diapozitiv 9

Comptonov učinek: energija razpršenega elektrona Energija razpršenega elektrona, odvisno od kota njegovega sipanja in razmerja med koti razpršenih delcev: elektrona in γ-kvanta Pri visoki energiji je poenostavljen izraz za energijo dobimo razpršeni gama-kvant Energija gama-kvanta po razprševanju ni odvisna od začetne energije Za elektron Na primer, ko se razprši nazaj () vedno energija. Tak rezultat je manifestacija korpuskularnih lastnosti gama kvanta diapozitiv 11 Prerez Comptonovega učinka na proton Ali je Comptonov učinek možen na protonu? Kvalitativni premisleki kažejo, da mora žarek gama za interakcijo "zadeti v elektromagnetno območje" tarče, za katero je značilna Comptonova valovna dolžina delca. Od tu najdemo razmerje. Vidi se, da lahko Comptonov učinek na protone zanemarimo. Podoben zaključek dobimo iz natančnih formul za prečni prerez z zamenjavo količine z vrednostjo v primeru sipanja protonov. Ko gama kvanti medsebojno delujejo s snovjo, se pojavijo kvantno-mehanske lastnosti mikroobjektov

Značilnost gama sevanja intenzivnost, ki ga razumemo kot produkt energijeγ -kvantov po njihovem številu, ki padajo vsako sekundo na enoto površine normalno na tok gama-kvantov.

Kot pri kateri koli vrsti elektromagnetnega sevanja se intenzivnost γ-sevanja iz točkovnega vira zmanjša obratno sorazmerno s kvadratom razdalje od vira sevanja (če v mediju ni dodatne absorpcije). To določajo čisto geometrijske lastnosti toka sevanja, t.j. njena divergenca z oddaljenostjo od točkovnega vira sevanja. V resnici bo takšno oslabitev opaziti v absolutnem vakuumu.

Gama sevanje je zelo prodorno sevanje. Toda ko gre skozi katero koli snov, jo bo ta snov absorbirala. Ta absorpcija se lahko pojavi zaradi interakcije γ-sevanja z atomi, elektroni in jedri snovi, kar se kaže v obliki naslednjih učinkov:

· fotoelektrični učinek- sestoji iz izločanja elektronov iz notranjih elektronskih lupin atomov z γ-kvantom (najpogosteje iz Za-shell), kar vodi do njegove ionizacije in pojava prostega elektrona. Ta učinek prevladuje pri energijah γ-kvantov pod 0,5 MeV;

· comptonov učinek, ki je sestavljen iz dejstva, da γ-kvant vzbudi elektron v zunanji lupini atoma in mu prenese del svoje energije, zaradi česar se njegova energija zmanjša in njegova smer spremeni (Comptonovo sipanje);

· tvorba parov -če γ-kvant leti neposredno blizu jedra in njegova energija presega 1,022 MeV, se lahko oblikuje par elektron-pozitron;

· fotonuklearne reakcije, pri katerem gama kvanti, ki jih jedro absorbira, ga vzbujajo in nanj prenašajo svojo energijo, in če je ta energija večja od energije vezave nevtrona, protona ali alfa delca, potem lahko ti delci zapustijo jedro. Na cepljivih jedrih (235 U, 239 Pu itd.), če je energija gama-kvanta večja od praga jedrske cepitve, bo prišlo do njegove cepitve.

Zaradi vseh teh interakcij, ko gama sevanje prehaja skozi absorber, se njegova intenzivnost zmanjša po zakonu:

kje jaz 0, jaz je intenzivnost γ-sevanja pred in po prehodu skozi absorber;

μ je linearni koeficient dušenja;

d je debelina absorberja.

Na sl. Slika 3.1 prikazuje preprosto zasnovo poskusa slabljenja. Ko sevanje gama z intenzivnostjo jaz 0 pade na debelino absorberja d, intenzivnost jaz sevanje, ki je prešlo skozi absorber, opisujemo z eksponentnim izrazom (3.1).

riž. 3.1. Osnovni zakon slabljenja gama sevanja

Intenzivnost prenesenega sevanja jaz je funkcija energije gama sevanja, sestave in debeline absorberja. Odnos jaz/jaz 0 se imenuje prepustnost sevanja gama. Slika 3.2 prikazuje eksponentno slabljenje za tri različne energije žarkov gama. Iz slike je razvidno, da prepustnost narašča s povečanjem energije gama sevanja in pada s povečanjem debeline absorberja. Faktor μ v enačbi (3.1) se imenuje linearni faktor slabljenja.

Linearni faktor slabljenjaμ je odvisen od energije γ žarkov in lastnosti absorbiranega materiala. Ima dimenzijo m -1 in je številčno enak deležu monoenergetskih gama kvantov, ki zapustijo vzporedni žarek na enoto sevalne poti v snovi. Koeficient linearne dušenja je odvisen od gostote in serijske številke snovi ter od energije žarkov gama. Na primer, svinec ima visoko gostoto in visoko atomsko število ter prenaša veliko manjši delež vpadnega gama sevanja kot aluminij ali jeklo enake debeline.

riž. 3.2. Odvisnost prepustnosti gama žarkov od debeline svinčenega absorberja

Vrednosti linearnega koeficienta slabljenja gama sevanja iz vira 60 Co za različne materiale so predstavljene v tabeli 3.1, njihova odvisnost od energije γ-kvantov pa v tabeli 3.2.

Imenuje se debelina absorberskega sloja, ki je potrebna za zmanjšanje intenzivnosti sevanja za polovico polovica debeline d 1/2.

Iz zakona absorpcije (3.1) izhaja, da je polovica debeline enaka

Tabela 3.1

Linearni koeficient dušenja μ materialov γ-sevanja Co-60

Tabela 3.2

Odvisnost linearnega koeficienta dušenja μ materialov

na energijo γ-kvantov

E, MeV	μ, cm -1
Svinec	Voda	aluminij	železo	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 koeficient slabljenja je najpreprostejši koeficient slabljenja, ki ga je mogoče eksperimentalno izmeriti, vendar ga običajno ne navedemo v iskalnih tabelah zaradi odvisnosti od gostote vpojnega materiala. Voda, led in para imajo na primer različne linearne koeficiente dušenja za isto energijo, čeprav so sestavljeni iz iste snovi.

Gama žarki delujejo predvsem z atomskimi elektroni, zato mora biti koeficient slabljenja sorazmeren z gostoto elektronov. P, ki je sorazmerna z nasipno gostoto vpojnega materiala. Za vsako posamezno snov je razmerje med elektronsko gostoto in nasipno gostoto te snovi konstanta Z/A, neodvisna od nasipne gostote. Razmerje Z/A je skoraj konstantno za vse, razen za najtežje elemente in vodik:

P=Zρ / A, (3.3)

kje P- elektronska gostota;

Z- atomsko število;

ρ - masna gostota;

A- masno število.

Če linearni koeficient slabljenja delimo z gostoto snovi ρ, dobimo faktor dušenja mase, ki ni odvisna od gostote snovi:

Masni koeficient dušenja se meri v cm 2 /g (v sistemu SI - m 2 /kg) in je odvisen le od serijske številke snovi in ​​energije žarkov gama. Sodeč po merski enoti tega koeficienta ga lahko štejemo za efektivni presek za interakcijo elektronov na enoto mase absorberja. Masni koeficient dušenja lahko zapišemo z reakcijskim presekom σ (cm2):

kje N 0 - Avogadrovo število (6,02 10 23);

AMPAK- masno število vpojnega elementa.

Prerez interakcije σ jaz so po definiciji podobni reakcijskim presekom, t.j. določa verjetnost puščanja jaz proces med interakcijo gama kvanta z atomom. Povezan je z linearnimi koeficienti slabljenja μ jaz formula

kje N- število atomov snovi v 1 cm 3;

jaz- kratka oznaka fotoelektričnega učinka (f), Comptonovega učinka (c) in učinka nastajanja parov elektron-pozitron (p).

Prerezi so izraženi v skednjih na atom.

Z uporabo koeficienta dušenja mase lahko enačbo (3.1) predstavimo na naslednji način:

, (3.7) kjer x = ρ d.

Masni koeficient dušenja ni odvisen od gostote, ampak je odvisen od energije fotona in atomskega števila absorberja. Sliki 3.3 in 3.4 prikazujeta odvisnost od energije fotona v območju od 0,01 do 100 MeV za skupine elementov od ogljika do svinca. Ta faktor je pogosteje prikazan v tabeli kot linearni faktor slabljenja, saj kvantificira verjetnost interakcije gama žarkov z določenim elementom.

riž. 3.3. Odvisnost skupnega masnega absorpcijskega koeficienta od energije fotona za različne materiale (energetsko območje od 0,01 do 1 MeV)

Priročnik vsebuje tabele odvisnosti linearnih in masnih koeficientov slabljenja ter povprečne proste poti gama kvantov od njihove energije v območju od 0,01 do 10 MeV za različne snovi.

Za interakcijo gama sevanja s kompleksno snovjo je značilno učinkoviti rednik Z učinek te snovi. Enako je zaporedni številki takšne pogojne preproste snovi, katere masni koeficient dušenja pri kateri koli energiji žarkov gama sovpada z masnim koeficientom dušenja te kompleksne snovi. Izračuna se iz razmerja:

kje Р 1 , Р 2 , …, Р n- masni odstotek sestavnih snovi v kompleksni snovi;

μ 1 /ρ 1 , μ 2 /ρ 2 , …, μ n/ρ n so masni koeficienti dušenja sestavnih snovi v kompleksni snovi.

Ob upoštevanju zgornjih treh glavnih učinkov interakcije gama sevanja s snovjo bo skupni linearni koeficient slabljenja sestavljen iz treh komponent, ki jih določajo fotoelektrični učinek, Comptonov učinek in učinek ustvarjanja parov:

Vsak od njih je na drugačen način odvisen od serijske številke snovi in ​​energije žarkov gama.

Pri fotoelektrični učinek kvant gama absorbira atom, elektron pa pobegne iz atoma (slika 3.5).

riž. 3.5. Shema procesa fotoelektrične absorpcije

Del kvantne energije gama žarkov, enak vezni energiji ε e, se porabi za ločitev elektrona od atoma, preostanek pa se pretvori v kinetično energijo tega elektrona. njo:

Prva značilnost fotoelektričnega učinka je, da se pojavi le, ko je energija gama-kvanta večja od energije vezave elektrona v ustrezni lupini atoma. Če je energija gama žarka manjša od energije vezave elektrona v Za- lupini, vendar več kot v L-lupina, potem lahko fotoelektrični učinek gre na vse lupine atoma, razen Za- školjke itd.

Druga značilnost je povečanje fotoelektrične absorpcije gama žarkov s povečanjem energije vezave elektronov v atomu. Na šibko vezanih elektronih fotoelektrični učinek praktično ni opažen, prosti elektroni pa sploh ne absorbirajo gama žarkov. Koeficient linearne dušenja fotoelektričnega učinka je sorazmeren z razmerjem Z4/E γ 3 .

Ta sorazmernost je le približna, saj je eksponent Z se spreminja v območju od 4,0 do 4,8. Ko se energija gama kvanta zmanjšuje, se verjetnost fotoelektrične absorpcije hitro poveča (glej sliko 3.6). Fotoelektrična absorpcija je prevladujoči proces interakcije za nizkoenergijske gama žarke, rentgenske žarke in zavorno svetlobo.

Fotoelektrični učinek opazimo predvsem v K- in L- lupine težkih atomov pri energijah gama žarkov do 10 MeV. Koeficient μ f z naraščajočo energijo žarkov gama močno pada in se pri energiji okoli 10 MeV približa ničli, t.j. fotoelektroni se ne proizvajajo. Na sl. 3.6 prikazuje fotovoltaični masni ekstinkcioni koeficient za svinec. Verjetnost interakcije se hitro poveča z zmanjšanjem energije, nato pa se močno zmanjša pri energiji fotona gama žarkov tik pod vezno energijo K-elektrona. Ta skok se imenuje K- rob. Pod to energijo žarek gama nima dovolj energije, da bi jo izločil K-elektron. Spodaj K verjetnost interakcije z robom se ponovno poveča, dokler energija postane pod veznimi energijami L-elektroni. Takšni skoki se imenujejo L JAZ - , L II - , L III - - robovi.

riž. 3.6. Fotovoltaični masni ekstinkcioni koeficient za svinec

Na šibko vezanih elektronih atomov so γ-kvanti razpršeni, imenovani Comptonov učinek . Pri takšni interakciji pride do tako rekoč elastičnih trkov γ-kvantov z enakovredno maso m γ = E/c 2 z maso elektronov jaz. Shematično je takšen trk prikazan na sliki 3.7. Pri vsakem takem trku γ-kvant prenese del svoje energije na elektron in mu da kinetično energijo. Zato se ti elektroni imenujejo povratni elektroni. Kinetična energija povratnega elektrona bo enaka

kje v in sta frekvenca γ-kvanta pred in po trku;

h je Planckova konstanta.

riž. 3.7. Shema interakcije gama kvanta s snovjo

s Comptonovim učinkom

Po trku se povratni elektron in γ-kvant razpršita pod kotoma θ in φ glede na začetno smer γ-kvanta. Ob upoštevanju zakonov ohranjanja energije in zagona (momenta) bo prišlo do spremembe valovne dolžine γ-kvanta:

Pri tangencialnih trkih se γ-kvant odkloni za majhne kote (φ ~ 0) in njegova valovna dolžina se neznatno spremeni. Največja bo pri čelnih trkih (φ ~ 180 0), pri čemer bo dosegla vrednost

Energija razpršenega gama-kvanta in povratnega elektrona e e sta povezana z začetno energijo gama kvanta, s kotoma φ in θ z razmerji:

Ker je interakcija γ-kvanta s katerim koli elektronom neodvisna, je vrednost μ do sorazmerno z elektronsko gostoto N e, kar pa je sorazmerno z redno številko Z snovi. Odvisnost μ od energije γ-kvanta h v in Z, ki so ga pridobili fiziki Klein, Nishina in Tamm, ima obliko:

kje N- število atomov v 1 cm 3 snovi.

Comptonov učinek se pojavlja predvsem na šibko vezanih elektronih v zunanjih lupinah atomov. Ko se energija poveča, se delež razpršenih γ-kvantov zmanjša. Toda zmanjšanje koeficienta linearnega sipanja μ do poteka počasneje kot μ f. Zato v energetski regiji Eγ > 0,5 MeV Comptonov učinek prevlada nad fotoelektričnim učinkom.

Pri spektrometriji gama žarkov je količina dμ na /dE e poklical diferencialni Comptonov koeficient sipanjaγ -kvant. Njegov fizični pomen je, da določa število povratnih elektronov na enoto prostornine snovi, ki jih tvori tok gama žarkov Ф z energijo Eγ , katerega energija je v območju od nič do največje vrednosti njo maks. Teorija Klein-Nishina-Tamm omogoča, da dobimo analitični izraz za količino dμ do / dE e = Nd, kje N je število atomov na enoto prostornine snovi. Za ponazoritev te odvisnosti predstavljamo grafične porazdelitve povratnih elektronov za tri fiksne energije žarkov gama (slika 3.8). V primeru visokih energij γ-žarkov (več kot 2 MeV) je energijska porazdelitev povratnih elektronov skoraj konstantna. Odmik od konstantne vrednosti (povečanje gostote porazdelitve elektronov odvračanja) se začne, ko se njihova energija približa energiji γ-kvanta in tvori t.i. Comptonov vrh. V tem primeru je energija povratnih elektronov v Comptonovem vrhu nekoliko nižja od energije gama kvantov, ki so jih ustvarili (kot je razvidno iz slike).

riž. 3.8. Porazdelitev energije povratnih elektronov

za γ-kvante različnih energij

Ker energija povratnih elektronov ne more biti višja od začetne energije γ-kvantov, se po Comptonovem vrhu porazdelitev nenadoma prekine na nič. Z zmanjšanjem energije γ-kvantov (manj kot 1,5 MeV) se krši tudi enakomernost porazdelitve pod Comptonovim vrhom. Slika 3.9 prikazuje odvisnost energije Comptonovega roba od energije žarkov gama. Iz tega sledi, da z naraščanjem energije gama žarkov razlika v energijah fotopika in Comptonovega roba najprej hitro raste, vendar se pri energiji 100-200 keV ta razlika nagiba k konstantni vrednosti.

Učinek združevanja se pojavi med prehodom γ-kvanta blizu jedra, če njegova energija preseže mejno vrednost 1,022 MeV. Zunaj polja jedra γ-kvant ne more tvoriti para elektron-pozitron, ker v tem primeru bo kršen zakon o ohranitvi gibalne količine. Čeprav je energija 1,022 MeV dovolj za generiranje para, mora biti zagon ustvarjenih delcev enak nič, medtem ko ima γ-kvant zagon, ki je drugačen od nič in enak E γ /c. Vendar pa je v polju jedra ta učinek možen, saj se v tem primeru energija in zagon γ-kvanta porazdelita med elektron, pozitron in jedro, ne da bi pri tem kršili zakone o ohranjanju. Ker je v tem primeru masa jedra tisočkrat večja od mase elektrona in pozitrona, prejme nepomemben del energije γ-kvanta, ki je skoraj v celoti porazdeljena med elektronom in pozitronom. Shematično je učinek rojstva para elektron-pozitron prikazan na sliki 3.10.

riž. 3.9. Odvisnost energije Comptonovega roba od energije gama žarka

riž. 3.11. Odvisnost linearnih koeficientov slabljenja gama sevanja od energije γ-kvantov za svinec

Vsi trije opisani procesi interakcije prispevajo k skupnemu masnemu koeficientu izumrtja. Relativni prispevek treh interakcijskih procesov je odvisen od energije gama-kvanta in atomskega števila absorberja. Na sl. 3.12 prikazuje niz krivulj masnega slabljenja, ki pokrivajo širok razpon energij in atomskih številk. Koeficient slabljenja za vse elemente, z izjemo vodika, se močno poveča v območju nizke energije, kar kaže, da je fotoelektrična absorpcija prevladujoči proces interakcije v tem območju. Lokacija tega dviga je močno odvisna od atomskega števila. Nad porastom v območju nizke energije se vrednost koeficienta masnega slabljenja postopoma zmanjšuje, kar definira območje, v katerem je Comptonovo sipanje prevladujoča interakcija.

riž. 3.12. Masni koeficienti dušenja nekaterih elementov

(prikazane so energije gama kvantov, ki se običajno uporabljajo v

identifikacija izotopov urana in plutonija z gama sevanjem)

Masni koeficienti dušenja za vse elemente z atomsko številko manj kot 25 (železo) so skoraj enaki v energijskem območju od 200 do 2000 keV. V območju od 1 do 2 MeV se krivulje slabljenja konvergirajo za vse elemente. Oblika krivulje oslabitve vodikove mase kaže, da se interakcija gama žarkov z energijami nad 10 keV zgodi skoraj izključno s Comptonovim sipanjem. Pri energijah nad 2 MeV za elemente z visokim atomskim številom Z proces interakcije s tvorbo parov postane pomemben in koeficient dušenja mase začne ponovno naraščati.

Interakcije gama kvantov s snovjo

FIZIKALNE OSNOVE VODENIČNE RADIOMETRIJE

2. DEL. Metode jedrske fizike

V jedrski geofiziki se uporabljajo le najbolj prodorna sevanja - nevtroni in gama kvanti, ki skozi jekleno ohišje in cementni kamen "vidijo skozi" sistem tvorbe vrtine. Reakcije, ki jih povzročajo nevtroni v kamninah, so veliko bolj raznolike kot reakcije, ki jih povzročajo žarki gama. Zaradi tega se stacionarne in impulzne nevtronske metode pogosto uporabljajo v nahajališčih nafte, plina in drugih mineralov za določanje rezervoarskih lastnosti kamnin, prepoznavanje proizvodnih objektov, nadzor razvoja polja, elementarne analize kamnin in mineralnih surovin ter reševanje številnih drugih pomembnih težave..

Merilo interakcije gama kvantov (kot tudi drugih delcev) s snovjo je efektivni prerez interakcije - mikroskopski in makroskopski. mikroskopski odsek s določa verjetnost interakcije enega delca z drugim ciljnim delcem (jedro, elektron, atom). makroskopski odsek Σ - ϶ᴛᴏ mera verjetnosti interakcije delca z enoto prostornine snovi; je enak zmnožku mikroprereza s številom tarč na enoto prostornine. Po zgodovinsko uveljavljeni tradiciji se običajno imenuje makro odsek za gama kvante linearni koeficient dušenja in označimo m (namesto Σ). Vrednost 1/Σ določa srednjo prosto pot za določeno vrsto interakcije.

Gama sevanje se v snovi oslabi zaradi: fotoelektrični učinek; Comptonov učinek; tvorba parov; fotonuklearne interakcije.

Pri fotoelektrični učinek (slika 7.1a) gama kvanti medsebojno delujejo z elektronsko lupino atoma. Nastajajoči fotoelektron odnese del energije gama sevanja E=hv-E 0, kje E 0 je energija vezave elektrona v atomu. Proces poteka pri energijah, ki ne presegajo 0,5 MeV. Fotoelektrični učinek proizvaja tudi značilne rentgenske žarke.

Mikroskopski presek fotoelektričnega učinka je odvisen od energije gama žarka in serijske številke Z element

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

Močna odvisnost od Z omogoča uporabo fotoelektričnega učinka za kvantitativno določanje vsebnosti težkih elementov v kamninah (rentgenske radiometrične in selektivne gama-gama metode).

Pri Compton Zaradi učinka gama sevanje deluje z elektroni in jim prenese del energije, nato pa se širi v kamnini in doživi večkratno sipanje s spremembo začetne smeri gibanja. Ta proces je možen pri kateri koli energiji gama žarkov in je glavni pri 0,2<E<3 МэВ, т. е. именно в области спектра первичного излучения естественно-радиоактивных элементов.

sl.7.1a,b. Glavne vrste interakcij gama sevanja s snovjo ( a) ter razponi energij in atomskih številk, v katerih se pojavljajo ( b) (IAEA, 1976 ᴦ.):

1 – fotoelektrični učinek; 2 – Comptonovo sipanje; 3 je učinek tvorbe elektronsko-pozitronskega nap

Proces tvorbe parov elektron-pozitron, ki nastanejo iz fotonov v polju atomskih jeder, je najverjetneje za kamnine, ki vsebujejo težke elemente (glej sliko 7.1b) pri energijah najmanj 1,02 MeV.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, pri različnih energijah gama kvanti delujejo predvsem z različnimi tarčami: atomi, elektroni, atomska jedra.

V energijskem območju, kjer so Comptonovi in ​​foto učinki najbolj pomembni (slika 7.1b), skupni makroskopski presek interakcije (imenovan tudi linearni koeficient slabljenja)

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

kjer je m = n e s k - makro-odsek Comptonovega učinka; n e je število elektronov na enoto prostornine.

Elektronska gostota medija, sestavljenega iz elementov z razmerjem Z/A=1/2, je strogo sorazmerna z nasipno gostoto (takšni mediji se imenujejo "normalni"). Zaradi prisotnosti vodika, za katerega je Z/A=1, se kamnine razlikujejo od »normalnih« medijev; merilo te razlike je "koeficient redukcije na normalno okolje".

Efektivna atomska številka medija kompleksne sestave je ϶ᴛᴏ redna številka takšnega enoelementnega medija, katerega fotoelektrični absorpcijski prerez je enak kot v danem večelementnem mediju.

Za monoelementno okolje ne=d N A Z/A, kje N A je Avogadrovo število; AMPAK in Z– masno številko in serijsko številko; d je gostota. Elementi, ki sestavljajo minerale, ki tvorijo kamnine Ker pogoj za stabilnost atomskih jeder (pogoj za nasičenost jedrskih sil) zahteva, da A=N+P» N+Z»2 Z, (N» Z) (kje N in R so števila nevtronov in protonov v jedru), potem Z/A=0,5 ne glede na vrsto elementa (edina izjema je vodik).

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, s Comptonovim sipanjem, je makro-presek m to določen z gostoto (vrednost 2d Z/A imenujemo elektronska gostota). To dejstvo služi kot stroga fizična utemeljitev. sprememba gostote metode gama-gama (GGM) . V energijskem območju Comptonovega učinka m»d in vrednost

ni odvisna od gostote (slika 7.2b); ta vrednost se običajno imenuje "masni koeficient dušenja".

Slika 7.2a,b. Odvisnosti masnega koeficienta dušenja m/d od energije žarkov gama ( a) in atomsko število Z element ( b). Šifra krivulj - energija gama kvantov, MeV

Za udobje primerjave vpliva fotoelektričnega učinka in Comptonovega sipanja se uporablja presek fotoabsorpcije na elektron

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

kjer je vrednost P e(»indeks fotoelektrične absorpcije«) je enak ( Z/10) 3.6. Razmerje odsekov m f / m k \u003d s f / Z s k " P e/s do. Učinkovito atomsko število Z eff je izražen na naslednji način (za večelementno okolje):

kjer je Z jaz, A jaz,P jaz- serijska številka, atomska teža in utežni (masni) delež jaz-th element oziroma seštevanje se razširi na vse elemente v naravni mešanici.

Oslabitev in intenzivnost DJširokega snopa gama sevanja v ravni plasti homogene snovi z debelino dx je opisan z diferencialno enačbo, podobno zakonu radioaktivnega razpada:

v integralni obliki

J(x) = J 0 exp(–m x). (7.6)

Če je gostota medija odvisna od x("pregradna" geometrija), t.j. μ = μ (x), potem

J(x) = J 0exp[–Λ( x)], (7.7)

kjer je Λ optična debelina plasti x, oz

kjer je Т(х) debelina masne plasti х; - masni koeficient dušenja.

Za točkovni izotropni vir velja zakon geometrijske divergence 1/(4p r 2) v sferični geometriji ("zakon inverznega kvadrata"):

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

Ta izraz opisuje prostorsko porazdelitev nerazpršenega (nevtronskega ali gama) sevanja. Spekter večkratno razpršenega sevanja (slika 7.3) iz monoenergijskega vira vključuje razpršeno sevanje, vendar z manjšo energijo vse več prispeva večkratno razpršeno sevanje. Dokler je presek fotoelektričnega učinka majhen, je odločilni faktor elektronska gostota snovi, ki pa jo določa gostota medija. S povečanjem preseka fotoelektrične absorpcije (v skladu z zmanjšanjem energije gama žarkov) se amplituda spektra zmanjša in je določena ne le z gostoto, temveč tudi z efektivnim atomskim številom snovi ( indeks fotoelektrične absorpcije). Zaradi tega spektrometrična registracija omogoča določitev ne le gostote kamnine, temveč tudi njeno efektivno atomsko število (litološki tip kamnine). Ta sprememba GGM se običajno imenuje "selektivna".

Slika 7.3. Spekter večkratno razpršenega gama sevanja v kamninah enake gostote, vendar različne sestave (po I.G. Dyadkin, 1978 ᴦ .; V. Bertozzi, D. Ellis, J. Vol, 1981 ᴦ.):

1 -3 – atomske številke Z oziroma majhna, srednja in velika; 4 – območje fotoelektričnega učinka in Comptonovega sipanja; 5 je območje sipanja po Comptonu, S je mehki del spektra; H je trdi (Comptonov) del spektra

Pri selektivna modifikacija GGM(GGM-S) uporabljajo vire in detektorje mehkega gama sevanja. Odčitki GGM-S so odvisni tako od Comptonovega sipanja gama kvantov (torej od gostote medija) kot od njihove absorpcije, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ je določen s koncentracijo težkih elementov v kamnini. Interpretativni parameter metode je fotoelektrični absorpcijski prerez - P e [barn/elektron]. Makroskopski prerez absorpcije na enoto prostornine snovi je označen z U, običajno imenovan parameter fotoabsorpcije [skedenj / cm 3] in je določena z izrazom:

kjer je b e elektronska gostota. Parameter U ima linearni petrofizični model. To omogoča vključitev podatkov GGM-S v sistem petrofizičnih enačb za določanje litološke sestave in poroznosti polimineralnih nahajališč. Na primer, za dvokomponentni model medija (okostje in tekočina, ki zapolnjujeta kapacitivni prostor) je indeks fotoelektrične absorpcije določen z izrazom:

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

kjer sta U fl, U sk ustrezna parametra tekočine oziroma skeleta.

Razlika v naravi gama sevanja od alfa in beta sevanja (pomanjkanje naboja in mase mirovanja v gama kvantah) vodi do bistveno drugačnega mehanizma za interakcijo tega sevanja s snovjo. Ionizacija in vzbujanje medija se pojavi zaradi sekundarnih ionizirajočih delcev. Primarna interakcija gama kvantov s snovjo je zmanjšana na tri glavne procese (mehanizmi interakcije):

fotoelektrični učinek;

Comptonovo sipanje;

Nastanek para elektron-pozitron.

fotoelektrični učinek je, da gama žarek, ki deluje z atomom (molekulo ali ionom), iz njega izloči elektron. V tem primeru sam gama-kvant izgine, njegova energija pa se prenese na elektron, ki postane prost (slika a) in povzroči ionizacijo in vzbujanje podobno kot beta delec.

Med Comptonovo sipanje (Comptonov učinek, elastično sipanje) gama žarek tudi izloči elektron iz atoma (molekule ali iona), hkrati pa na elektron prenese le del svoje energije in sam spremeni smer gibanja (razprši) ​​- slika b.

Če je energija gama kvanta večja od 1,02 MeV, se lahko gama kvant spremeni v elektron in pozitron.

Takšna transformacija se zgodi le v bližini atomskega jedra in vodi v izginotje gama kvanta (slika 6c). Nastali pozitron se premika v snovi, upočasni in sodeluje z elektronom medija. V tem primeru elektron in pozitron izgineta (izničita) s tvorbo elektromagnetnega sevanja, ki se imenuje anihilacija.

Verjetnost fotoelektričnega učinka se hitro zmanjšuje z naraščajočo energijo gama žarkov. Tudi verjetnost Comptonovega sipanja se z naraščajočo energijo gama žarkov zmanjšuje, vendar ne tako močno kot pri fotoelektričnem učinku. Verjetnost nastanka para narašča z energijo, začenši z 1,02 MeV. Domnevamo lahko, da bo v območju "majhnih" energij gama žarkov glavni mehanizem interakcije gama sevanja s snovjo fotoelektrični učinek. V območju "srednjih" energij - Comptonov učinek in v območju "visokih" - tvorba parov elektron-pozitron. Koncepti "majhne", "srednje" in "visoke" energije so odvisni od naboja atomov medija Z. Na primer, pri svincu sta ta energijska območja ločena za približno 0,5 MeV in 5 MeV.

Tako, ko gama sevanje komunicira s snovjo, na koncu nastanejo:

a) visokoenergijski elektroni, katerih nadaljnja usoda se bistveno ne razlikuje od usode beta delcev;

b) sekundarno elektromagnetno sevanje - razpršeni gama kvanti in anihilacijsko sevanje.

Na splošno se razlika v fizični sliki interakcije alfa, beta in gama sevanja kaže le v začetni fazi, ki traja milijardenke sekunde. Energija, ki jo delci prenesejo na snov, se pretvori v energijo sekundarnih delcev – elektronov, fotonov – in elektronskih vzbujanj, ki se obnašajo na podoben način, ne glede na to, kateri ionizirajoči delec jih je ustvaril. Svojo energijo »izmenjajo« za tvorbo velikega števila novih elektronov, fotonov in elektronskih vzbujanj z nižjo energijo (ta proces imenujemo »energetska disipacija«), s čimer razširijo delovanje primarnega delca na določeno prostornino.

Rezultat interakcije je odvisen od agregacijskega stanja snovi. Za pline (vključno z zrakom) je ionizacija in vzbujanje molekul glavni rezultat delovanja sevanja, čeprav se poleg tega v večji ali manjši meri pojavljajo kemične reakcije (v plinih so težke zaradi velike razdalje med molekulami) , kar vodi v nastanek novih snovi. Pri tekočinah so kemijske reakcije nastalih kemično aktivnih delcev (ionov, radikalov) že glavni učinek vpliva sevanja. Delovanje sevanja na trdne snovi pogosto vodi tudi do kemičnih transformacij in vedno do napak v njihovi kristalni mreži (kršitve elektronske strukture, prazna mesta, intersticijski atomi, dislokacije itd.), katerih rojstvo in razvoj v času in prostornini snovi je precej težka naloga..

Kemične transformacije, ki se pojavijo v snovi kot posledica izpostavljenosti sevanju, preučuje sevalna kemija. Vpliv sevanja na strukturo snovi in ​​s tem na spreminjanje njenih lastnosti proučuje sevalna materialna znanost, ki je tako kot sevalna kemija velikega pomena tako s temeljnega (razvoj naravoslovja) kot iz uporabnega ( razvoj tehnologije) vidik.