ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ ОТ ЗАХВАТА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Закономерности поля захватного гамма-излучения определяются последовательной трансформацией полей излучений в результате следующих процессов: замедление быстрых нейтронов до надтепловой энергии термализация надтепловых нейтронов (пространст­венное перемещение нейтронов в процессе термализации иногда называют «трансфузией») диффузия тепловых нейтронов до их поглощения ядрами породообразующих элементов захват нейтронов и снятие возбуждения ядер высвечиванием характеристического гамма-излучения рассеяние (диффузия) захватного гамма-излучения.

После поглощения теплового нейтрона ядро атома возбуждается на величину энергии связи захваченного нейтрона ( 8 МэВ). Избыток энергии высвечивается преимущественно в виде гамма-излучения, небольшая часть уносится электронами и электрон-позитронными парами внутренней конверсии, поэтому в достаточно широком энергетическом диапазоне для спектра захватного гамма-излучения хорошо выполняется соотношение

,

где — число гамма-квантов с энергией (индекс k — номер линии в спектре), испускаемых в результате поглощения одного нейтрона; — энергия связи нейтрона в ядре.

Энергетические спектры захватного гамма-излучения условно делятся на три типа. Первый характеризуется малым числом гамма-квантов на один поглощенный нейтрон (захват), причем преобладает прямой переход из возбужденного состояния в основное; большая часть избыточной энергии испускается в виде одного гамма-кванта с энергией, равной энергии связи (спектрами этого типа обладают ядра легких и «магических» элементов). Спектры второго типа имеют четко выраженную линейчатую структуру, определяемую каскадными переходами из возбужденного состояния в основное (типичны для элементов со средними массовыми числами). Спектры третьего типа являются сплошными при малом выходе захватного гамма-излучения (типичны для тяжелых элементов, за исключением свинца).

Пространственное распределение захватного гамма-излучения определяется выражением

, (8.181)

где — излучающая способность среды, равная числу гамма-квантов с энергией , излучаемых единицей объема среды (1 см³) при поглощении одного нейтрона [для удобства обычно числа захватных гамма-квантов приводятся на 100 захватов]:

;

— парциальная вероятность поглощения тепловых нейтронов -м элементом; Ф — плотность потока тепловых нейтронов; — время жизни тепловых нейтронов относительно поглощения -м элементом; — функция распределения гамма-излучения с энергией от точечного источника с энергией ; —энергетическая эффективность детектора гамма-излучения; —излучающая способность -го элемента (изотопа).

Для безграничной однородной изотропной среды интегральной характеристикой пространственного распределения является площадь миграции - излучения

, (8.182)

где — квадрат длины переноса (диффузии) гамма-квантов;

.

При выполнении расчетов и анализе закономерностей нейтронного гамма-метода необходимо учитывать весьма существенный вклад в регистрируемые показания гамма-излучения неупругого рассеяния. В осадочных породах этот вклад достигает 40% для Ро — Ве-источника и 50% для (D,T)-генератора (однако быстро уменьшается с увеличением размера зонда).

Для жесткого (нерассеянного) гамма-излучения

; . (8.183)

Подчеркнем, что при изучении закономерностей поля вторичного (нейтронного) гамма-излучения в системе скважина-пласт введение параметра теряет смысл, поскольку в результирующих показаниях детектора вклады излучений отдельных зон складываются аддитивно. Распространение закономерностей однородной среды на систему скважина-пласт привело бы к совершенно неверным выводам относительно характера основных интерпретационных зависимостей.

Задавшись явным видом пространственного распределения плотности потока тепловых нейтронов Ф(r), можно получить выражения, описывающие пространственное распределение захватного гамма-излучения в бесконечной однородной среде. В скважинных условиях измерений эти выражения полезны для приближенного описания излучения, приходящего из пласта, в зависимости от размера зонда и физических свойств исследуемой породы. Однако они не дают правильного представления о результирующей зависимости показаний НГМ, слагающейся, кроме излучения пласта, из излучений, возникающих в среде, заполняющей скважину, корпусе глубинного прибора и промежуточных зонах. (см. раздел 5.8).

Рассмотрим выражение для в частном случае однородной среды высокого водородосодержания с изменяющейся концентрацией поглотителей тепловых нейтронов (например, переменной минерализацией жидкости). Для сред с высоким водородосодержанием выполняется неравенство , и справедливо соотношение

где Q(r) — плотность замедления надтепловых нейтронов.

Учитывая, что Q(r) и коэффициенты поглощения гамма-квантов в рассматриваемом случае не зависят от минерализации, пренебрегая зависимостью от и обозначая через и величины, соответствующие минерализованной жидкости, а через и — пресной жидкости, получаем

, (8.184)

где

и интегрирование распространено на весь спектр энергий гамма-квантов радиационного захвата. Это соотношение полезно тем, что оно позволяет пересчитать эталонную «водяную» единицу для НГМ (показание прибора в пресной воде) на показание в пластовой минерализованной воде.