Взаимодействие нейтронов с хлором

Свойства нейтронов различных энергий. Проходя сквозь вещество, нейтроны вызывают различные ядерные реакции и упруго рассеиваются на ядрах. Интенсивностью этих микроскопических процессов, в конечном счете, определяются все макроскопические свойства прохождения нейтронов через вещество, такие, как замедление, диффузия, поглощение и т. д. Так как нейтрон имеет нулевой электрический заряд, он практически не взаимодействует с электронами атомных оболочек. Поэтому атомные характеристики среды не играют никакой роли в распространении нейтронов в веществе. Это чисто ядерный процесс.
Сечения различных нейтрон-ядерных реакций зависят от энергии нейтронов, сильно и нерегулярно изменяются от ядра к ядру при изменении A или Z. Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами в среднем растут по закону "1/v" при уменьшении энергии нейтрона. По этому свойству нейтроны разделяются на две большие группы – медленных и быстрых нейтронов. Граница между этими группами не является строго определённой. Она лежит в области 1000 эВ.
Нейтроны классифицируют по энергии.

Медленные : энергия Резонансные : 1 эВ ÷ 10 кэВ, Промежуточные : 10 кэВ ÷ 1 МэВ, Быстрые : 1 МэВ ÷ 100 МэВ, Релятивистские : > 100 МэВ.

В свою очередь медленные нейтроны принято подразделять на тепловые и холодные .
Тепловые нейтроны находятся в тепловом равновесии с атомами среды. Их средние энергии − сотые доли электронвольта. Часто в качестве характерной энергии теплового нейтрона указывают величину 0.025 эВ, полученную из соотношения

Етепл = kT,

(1)

где k - постоянная Больцмана, для абсолютной температуры, соответствующей энергии тепловых нейтронов, получается значение Т = 300 0 , т.е. комнатная температура. Таким образом, энергия Е_тепл соответствует наиболее вероятной скорости нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой при комнатной температуре.
Заметим, что скорость медленных нейтронов весьма относительна. Даже нейтрон с энергией
0.025 эВ имеет скорость 2 км/сек.
Холодными называют нейтроны с энергиями ниже 0.025 эВ:

В таблице 5 приведены области энергий и порядки величин сечений различных ядерных реакций под действием нейтронов.

Таблица 5.

При небольших энергиях (0.01100 эВ) для получения монохроматических нейтронов можно использовать их дифракцию на кристалле. Зависимость энергии нейтронов от угла их отражения от поверхности кристалла φ даётся формулой Брэгга-Вульфа

где m − масса нейтрона, d − расстояние между соседними атомными плоскостями в кристалле, n − целое число (порядок спектра).

Так как у нейтронов отсутствует электрический заряд, они взаимодействуют главным образом с ядрами атомов вещества. В отличие от протонов, которые не могут эффективно взаимодействовать с ядром при малых энергиях из-за кулоновского барьера, нейтроны даже при низких энергиях способны подойти к ядру на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил.
Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов.
Нейтроны с энергиями десятки кэВ и более передают энергию в основном в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (n,n) и неупругие (n,n′) столкновения с ядрами. Под действием быстрых нейтронов также эффективно идут реакции типа (n,α), (n,p), (n,2n), реакции деления (n,f), и др.
Для нейтронов с энергиями доли эВ ÷ 10 кэВ наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определённых значениях энергий нейтронов, характерных для данного вещества. Основные процессы - рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей.
Энергии тепловых нейтронов (сотые доли эВ) не превышают энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в случае, если не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызвать лишь возбуждения колебательных степеней свободы, что приводит к разогреву вещества.
Важными процессами для тепловых нейтронов являются также ядерные реакции. Наиболее характерные из них - реакции радиационного захвата (n,γ). При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (n,n) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (n,γ) растет по закону 1/v, где v - скорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата.

Замедление нейтронов. Замедление нейтронов происходит при упругих столкновениях с ядрами, т.к. если до столкновения ядро покоилось, то после столкновения оно приходит в движение, получая от нейтрона некоторую энергию. Поэтому нейтрон замедляется. Однако это замедление нейтронов не может привести к их полной остановке из-за теплового движения ядер. Энергия теплового движения порядка kT. Если нейтрон замедлился до этой энергии, то при столкновении с ядром он может с равной вероятностью как отдать, так и получить энергию. Нейтроны с энергиями kT находятся в тепловом равновесии со средой. Поглощение и диффузия нейтронов происходят как во время замедления, так и после окончания этого процесса.
Практическая важность процесса замедления обусловлена тем, что в большинстве нейтронных источников (реактор, радон-бериллиевая ампула и т. д.) нейтроны рождаются в основном с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ, в то время, как большинство важных в прикладном отношении нейтронных реакций, согласно закону "1/v", наиболее интенсивно идёт при низких энергиях нейтронов.
Для того чтобы понять основные закономерности процесса замедления нейтронов, рассмотрим сначала среднюю потерю энергии быстрого нейтрона при столкновении с ядром водорода – протоном. Так как массы нейтрона и протона примерно равны, то баланс энергии при столкновении имеет вид

где E₀, v – начальные энергия и скорость нейтрона, v_n, v_p – соответственно скорости нейтрона и протона после столкновения. Поскольку в системе центра инерции рассеяние изотропно, то в среднем протон и нейтрон и в лабораторной системе имеют после столкновения одинаковые энергии (благодаря равенству их масс):

где E₁ – средняя энергия нейтрона после столкновения. Таким образом, в водороде энергия нейтрона в среднем уменьшается вдвое при каждом столкновении. Если нейтрон сталкивается не с протоном, а с более тяжёлым ядром, то средняя потеря энергии при столкновении уменьшается При рассеянии нейтрона на ядре с массовым числом А средняя потеря энергии определяется соотношением

Этот процесс называется термализацией нейтронов.

Диффузия нейтронов. Замедленные до тепловых энергий нейтроны диффундируют, распространяясь в веществе во все стороны от источника. Этот процесс приближённо описывается обычным уравнением диффузии с обязательным учётом поглощения, которое для тепловых нейтронов всегда велико. Основной характеристикой среды, описывающей процесс диффузии, является длина диффузии L, определяемая соотношением

Таблица 6.

Замедлители	τ (см 2 )	L(см)
H2O (вода)	31	2.72
D2O (тяжёлая вода)	125	159
Be (бериллий)	86	21
C (графит)	313	58

Альбедо нейтронов. Интересным свойством нейтронов является их способность отражаться от различных веществ. Это отражение не когерентное, а диффузное. Его механизм таков. Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения с ядрами и после ряда столкновений может вылететь обратно. Вероятность такого вылета носит название альбедо нейтронов для данной среды. Очевидно, что альбедо тем выше, чем больше сечение рассеяния и чем меньше сечение поглощения нейтронов ядрами среды. Хорошие отражатели отражают до 90% попадающих в них нейтронов, т.е. имеют альбедо до 0.9. в частности, для обычной воды альбедо равно 0.8. Неудивительно поэтому, что отражатели нейтронов широко применяются в ядерных реакторах и других нейтронных установках. Возможность отражения нейтронов объясняется следующим образом. Вошедший в отражатель нейтрон при каждом столкновении с ядром может рассеяться в любую сторону. Если нейтрон у поверхности рассеялся назад, то он вылетает обратно, т.е. отражается. Если же нейтрон рассеялся в другом направлении, то он может рассеяться так, что уйдёт из среды при последующих столкновениях. Этот же процесс приводит к тому, что концентрация нейтронов резко снижается вблизи границы среды, в которой они рождаются, т.к. вероятность для нейтрона уйти наружу велика.

Не обладая электрическим заря­дом, нейтроны не испытывают действия зарядов электронов и ядер, поэтому характеризуются большой проникающей способностью. Взаимодействуют, в основном с ядрами атомов. В ядерной геофизике используются, в подавля­ю­щем большинстве, тепловые и надтепловые нейтроны с энергией до 100 эв. Для таких нейтронов характерны реакции: поглощения (радиационный захват нейтронов) и рассеяния (упругое и неупругое).

Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шаров: сумма энергий до и после рассеяния остается постоянной. Сечение упругого рассеяния σ_р для большинства ядер в области энергий до 100 эв остается постоянной. Исключением является водород, имеющий наибольшее σ_р среди основных породообразующих элементов.

n - нейтрон до взаимодействия; M – ядро-мишень до взаимодействия; n’- положение нейтрона после взаимодействия; M’- положение ядра-мишени после взаимодей­ствия; Ψ – угол рассеяния нейтрона. Часть энергии нейтрона при соударении расходуется на создание импульса отдачи ядра-мишени.

Потеря энергии нейтрона при упругом рассеянии зависит от массы ядра-мишени М и угла рассеяния нейтрона. Энергия нейтрона до Е₀ и после соударения Е с покоящимся ядром:

Минимальное значение энергии при лобовом соударении (ψ = π) равно:

Отсюда следует, что наибольшая потеря энергии нейтрона наблюдается при соударении с ядром-мишенью с М=1, т.е. с ядром водорода. При лобовом соударении с водородом возможна полная потеря энергии нейтрона. Для сравнения: потеря энергии нейтрона при соударении с ядром кислорода составляет 11%; при соударении с ядром кремния – 6%. Благодаря высокому сечению рассеяния и большой потере энергии нейтрона, водород является аномальным замедлителем нейтронов.

В теории чаще употребляется среднелогарифмическая потеря энергии на одно соударение, так называемый параметр замедления

Неупругое рассеяние нейтронов. При этом взаимодействии кинетичес­кая энергия нейтрона расходуется не только на создание отдачи ядра-мише­ни, но и на повышение его внутренней энергии, т.е. на возбуждение ядра. Энергия возбуждения в последующем высвобождается в виде γ-кванта. Спектр излучения γ-квантов для каждого элемента характерен, т.е. строго определен по энергиям γ-квантов. Неупругое рассеяние – поровая реакция, энергия порога Е_пор уменьшается с ростом массы ядра - от нескольких тысяч Кэв для легких ядер до 100 Кэв для тяжелых. Поэтому неупругое рассеяние происходит только с быстрыми нейтронами и преимущественно на тяжелых ядрах. Сечение неупругого рассеяния становится больше 0 при достижении нейтроном энергии выше Епор, при энергии 10-15 Мэв достигает максималь­ного значения.

Поглощение нейтронов. Для ядерной геофизики, из всех реакций пог­ло­щения нейтрона веществом, наиболее важны: реакция радиационного захвата нейтрона ядром (n, γ); а также реакция (n, α) на изотопах ₁₀B и ₆Li. Эти реакции идут при любых энергиях нейтронов, но максимум сечения приходится на область низких энергий. Сечение реакции захвата в тепловой области убывает обратно пропорцио­нально энергии нейтрона, для тяже­лых элементов (Z > 45) в области промежуточных энергий существуют интервалы резкого роста сечения пог­лощения – резонансные интер­валы. Остальные реакции поглоще­ния, т.е. реакции типа (n, p) и (n, α) для большинства элементов, являются реакциями пороговыми и начинаются при энергии нейтронов более 2 – 5 Мэв. В резуль­тате поглощения нейтрона ядром, образуются изотопы, отли­чные от ядра-мишени, большинство из них являются радиоактивными. Спектр γ-излучения радиационного захвата нейтронов, т.е. число квантов, образующихся по реакции (n, γ) при поглощении 100 нейтронов, различен для разных элемен­тов. Это различие может быть использовано для определе­ния элементного состава породы. Необходимо отметить, что энергия γ-кван­тов, образующихся в результате радиационного захвата нейтронов, достаточ­но большая – до 8 Мэв, что облегчает регистрацию их в полевых и скважин­ных условиях.

Полное сечение и пробеги нейтронов в веществе. Нейтроны, испускае­мые источником и попавшие в горную породу, относительно быстро (за 10 -4 ÷ 10 -5 сек) замедляются в результате упругих и, частично, неупругих соуда­рений. Большая часть нейтронов избегает поглощения в области высоких энергий, и захватывается ядрами по реакции радиационного захвата (n, γ), уже имея очень малую энергию (0.025эв). Распределение нейтронов в среде определяется нейтронными свойствами среды, главным образом массой ядер и сечением различных процессов. Полное сечение равно сумме сечений эле­мен­тарных процессов: σ_t = σ_рз + σ_ур + σ_нр ≈ σ_рз + σ_ур, где индексы означают: t – суммарное сечение, ур – упругое рассеяние, нур – неупругое рассеяние, рз – радиационный захват. С целью уменьшения числа величин, характеризую­щих распределение нейтронов, вводится относительно небольшое число параметров, называемых нейтронными параметрами среды.

Макроскопическое сечение ∑ равно произведению микроскопического сечения процесса σ на плотность ядер (атомов) среды m_a : ∑ = σm_a = σρN_A / A, где N_A –число Авогадро, ρ –плотность среды, А – атомный вес.

Замедляющая способность среды, равная произведению макроскопи­че­ского сечения рассеяния ∑_Р на параметр замедления ξ. Чем больше замед­ля­ю­щая способность среды ξ∑_Р, тем быстрее происходит замедление нейтронов.

Среднее время жизни тепловых нейтронов в среде τ = λ_з/v =1/v∑_з , где ∑_з – макросечение поглощения тепловых нейтронов, λ_з =1/∑_з – путь нейтрона от точки замедления до точки поглощения (L_рз = 1/∑_з), v – кинетическая ско­рость теплового нейтрона, равная 2200 м/с .

Полный пробег нейтрона в среде будет рассчитываться по формуле:

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Нейтроны являются одними из частиц, находящихся в ядрах атомов и могут быть испущены при их делении или при ядерных реакциях; что и происходит благодаря источнику нейтронного излучения, который находится в приборе.Нейтроны не имеют электрического заряда, а значит, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, поэтому проникающая способность нейтронов очень велика. Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы - тепловые, медленные и быстрые нейтроны. Так же между быстрыми и медленными нейтронами существуют промежуточные. Границы этих энергетических групп условны и представлены ниже в таблице 1.2.1.

Нейтроны, проходя через вещество, непосредственно не ионизируют атомы и молекулы, как заряженные частицы. Поэтому нейтроны обнаруживают по вторичным эффектам, возникающим при взаимодействии их с ядрами. В результате соударения нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этом стоит рассматривать три типа рассеивания нейтронов:

• · Упругое рассеяние
• · Неупругое рассеяние
• · Поглощение нейтронов

Упругое и неупругое рассеяние являются процессами, при которых быстрые и промежуточные нейтроны замедляются, а когда нейтроны достигают тепловых энергий, то они поглощаются в процессе нейтронного захвата.

При упругомвзаимодействии нейтронов с веществом изменяется сама природа соударяющихся частиц. Происходит ядерная реакция и наблюдается деление тяжелых частиц.[7]

Упругое рассеяние - это процесс, посредством которого быстрые нейтроны испытывают упругие столкновения на ядрах атомов поглотителя и нейтрон отклоняется или рассеивается. Упругое столкновение является столкновением, при котором суммарная кинетическая энергия частиц сохраняется, то есть она одинакова после и перед соударением. При упругом столкновении быстрый нейтрон соударяется с ядром поглотителя и теряет часть своей первоначальной энергии. Эта энергия передается ядру-мишени в виде кинетической энергии и ядро-мишень как бы отскакивает. Затем нейтрон отклоняется или рассеивается. Отметим, что направление, в котором отскакивает бомбардируемая частица, и величина рассеивания нейтрона зависит от переданной энергии.

Наиболее эффективный путь, по которому кинетическая энергия нейтрона передается поглотителю, - взаимодействие с частицей с такой же массой, например, другим нейтроном или протоном. Если нейтрон ударяется о ядро атома мишени, масса которого намного больше, чем он сам, он отскакивает от мишени, как мячик для крикета отскочивший рикошетом от чего-либо, и теряет очень мало энергии. Аналогично, если нейтрон сталкивается с мишенью, которая меньше, чем он сам, мишень будет вытолкнута, как мячик для крикета отталкивает мячик для настольного тенниса, и очень малая часть энергии теряется нейтроном. Однако, если нейтрон соударяется с протоном или нейтроном, энергия падающего нейтрона делиться между частицей-мишенью и нейтроном. На практике, это означает, что материалы, обогащенные водородом (такие как вода, бетон и парафин) являются лучшими материалами для защиты от нейтронов, так как протон атомов водорода позволяет рассеять энергию падающих нейтронов относительно быстро.

Важно помнить, что отскакивающие в результате упругого рассеяния нейтронов ядра являются тяжелой заряженной частицей. Они теряют свою энергию с высокой скоростью, взаимодействуя с атомами среды таким же образом, как альфа-частицы и, следовательно, классифицируются как ионизирующее излучение с высокой ионизирующей способностью. По этой причине, учитывая, что упругое рассеяние является наиболее вероятным взаимодействием для быстрых нейтронов в биологической ткани, нейтроны могут быть особенно опасны при облучении тела человека.

Более сложное взаимодействие может иметь место, когда быстрые или промежуточные нейтроны сталкиваются с мишенью, которая намного больше, чем они сами, и не отскакивает (как в случае упругого рассеяния), а временно поглощается ядром-мишенью. После короткого времени нейтрон переиспускается с уменьшенной энергией, а ядро-мишень остается в возбужденном состоянии. Затем ядро снимает возбуждение путем испускания гамма-излучения. Поскольку суммарная кинетическая энергия не сохраняется при этом столкновении (потому что часть энергии идет на образование гамма-излучения), этот тип столкновения называется неупругим столкновением. Асам тип взаимодействия называется неупругим рассеянием.[12]

Быстрые и медленные нейтроны после примерно 25 соударений о ядра атомов вещества теряют свою энергию и становятся тепловыми нейтронами с энергиями порядка 0.025 эВ. Большинство тепловых нейтронов поглощаются и становятся частью ядер атомов поглотителя. Затем эти ядра должны избавиться от избыточной энергии, обычно путем испускания гамма-излучения.

В связи с отсутствием у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаимодействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами. Эффективные сечения взаимодействия нейтронов с электронами атома малы (у?10^-22 см^2 ) по сравнению с сечением взаимодействия заряженной частицы с атомом (у?10^-16 см^2 ). Вероятность прохождения той или иной реакции определяется микроскопическим сечением реакции у(n, б), у(n, p), у(n, г), у(n, 2n) и т.д. (первой в скобках записывается бомбардирующая частица - нейтрон, второй - испускаемая частица или г- квант). Микроскопическое сечение у можно представить себе как сечение сферы, описанной вокруг ядра. Пересекая сферу, нейтрон может вступить в реакцию с ядром. Вне сферы радиусом r = у /р взаимодействия не происходят. Микроскопическое сечение измеряется в квадратных сантиметрах (см^2 ) и барнах (1барн = 10^24 см^2 ).[6]

Быстрые нейтроны передают энергию главным образом в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Энергия, переданная от нейтрона ядру (Е ядра), зависит от массы ядра и угла рассеяния. В среде из легких ядер нейтроны могут передавать практически всю свою энергию в результате одного столкновения, если столкновение лобовое. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (n,n) и неупругие (n,n') столкновения с атомными ядрами. В зависимости от типа ядра и энергии налетающего нейтрона величина сечения изменяется в интервале нескольких барн. На рисунке 1.2.1 ниже показана схема столкновения нейтрона с другой частицей.

По формуле 1.2.1 можно вычислить энергию ядра после столкновения нейтрона с частицей.M , m - масса ядра и масса нейтрона, Еn - начальная энергия нейтрона, и - угол между первоначальным направлением движения нейтрона и направлением движения ядра отдачи в лабораторной системе координат. нейтрон геофизический полупроводниковый детектор

Для медленных нейтронов наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определенных значениях энергий нейтронов Еn, характерных для данного вещества. Основные процессы - рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей. Энергии тепловых нейтронов не превышают энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в случае, если не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызвать лишь возбуждения колебательных степеней свободы, что приводит к разогреву вещества. Наиболее характерными реакциями при взаимодействии тепловых нейтронов с веществом являются реакции радиационного захвата (n, г). При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (n,n) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (n, г) растет по закону 1/v , где v -скорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата. Наиболее существенные реакции, идущие под действием тепловых нейтронов, следующие указаны на рисунке 1.2.2.

Для защиты от нейтронных источников высокой интенсивности наиболее употребительным материалом в промышленности является бетон. На рисунке приведены в полулогарифмическом масштабе кривые ослабления г-лучей, быстрых и тепловых нейтронов в бетоне. В лабораторных условиях для защиты от быстрых нейтронов обычно используют комбинированную защиту, состоящую из парафина (воды), кадмия (бора) и свинца. В такой защите последовательно происходит замедление быстрых нейтронов (парафин, вода), поглощение нейтронов в результате (n, г) реакции (кадмий,бор) и ослабление интенсивности образующихся г-квантов (свинец). [5]

Нейтроны, которые испускает источник не способны ионизировать вещество, сквозь которое проходят. А значит их необходимо выявлять по вторичным признакам. Этим признаком является гамма-излучение, которое фиксируется детектором в приборе. Гамма-излучение возникает, когда ядро атома захватывает нейтрон с низкой энергией (тепловые, надтепловые), поглощает его и выпускает поток гамма-излучения, которое и несет в себе информацию об исследуемом веществе. Однако, нейтроны, которые только что испустились от источника, как правило, являются быстрыми. И прежде чем они станут тепловыми, они много раз ударяются о ядра атомов вещества, теряя свою кинетическую энергию и постоянно меняя направление. Такой процесс, постоянного отскакивания нейтронов от атомов со сменой типа рассеивания называется диффузией нейтронов. И этот процесс разделяется по времени. Схематично этот процесс представлен на рисунке 1.2.3.

Одним из основных нейтронных параметров среды является длина замедления нейтронов Ls. Длиной замедления называют среднее расстояние по прямой линии от места вылета нейтрона до точки, в которой нейтрон становится тепловым. Величина Ls зависит от водородосодержания и при содержании воды и нефти в порах породы изменяется от 15 до 35 см, а в воде составляет несколько сантиметров.Нейтроны, достигшие теплового состояния, продолжают двигаться (диффундировать) из областей большей плотности в области пониженной плотности, испытывая столкновения с ядрами элементов без изменения средней энергии и длины звеньев между отдельными столкновениями. В результате происходит поглощение (захват) нейтрона ядром атома. Скорость пространственной диффузии тепловых нейтронов характеризуется коэффициентомD (формула 1.2.2).

Для диффузионной фазы движения тепловых нейтронов характерны величины Ld --среднее расстояние от точки возникновения теплового нейтрона до точки его поглощения и фcp --среднее время жизни нейтрона, которое можно рассчитать по формуле 1.2.3.

где - эффективное макроскопическое сечение захвата нейтронов, выражающее способность среды поглощать нейтроны. [12]

Захват медленного нейтрона сопровождается испусканием и квантов (радиационный захват), являющимся основной причиной вторичного гамма-излучения. Энергия г-лучей захвата колеблется в больших пределах и достигает 10 МэВ. Возникают г -лучи захвата в водородсодержащей среде в результате реакции . При захвате нейтронов в ядре создается некоторый избыток энергии, и оно приходит в возбужденное состояние. Переход в устойчивое состояние сопровождается испусканием г-квантов, число и энергия которых зависит от того, какому элементу (и какому его изотопу) соответствует ядро.

С удалением от источника плотность нейтронов (число нейтронов в единице объема) в среде уменьшается, и одновременно возрастает число нейтронов с меньшей энергией. Значительный интерес представляет характер изменения плотности надтепловых и тепловых нейтронов с изменением расстояния от источника. Плотность нейтронов зависит от замедляющих и поглощающих свойств среды. Для большинства горных пород поглощающие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием. Следовательно, чем выше водородосодержание, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.

Из рисунка 1.2.5 видно, что с удалением от источника плотность тепловых нейтронов nт быстро убывает. При повышении пористости (в данном случае водородосодержания) плотность нейтронов уменьшается более резко. Для надтепловых нейтронов картина аналогична, но значения плотности нейтронов меньшие.

Зоны: 1-малых расстояний, 2-пересечения кривых (зона инверсии), 3-больших расстояний, соответствующих обычно длинам применяемых зондов.

Чем меньше масса ядра, тем больше потеря энергии, а значит большую энергию нейтрон будет терять соударяясь с атомами вещества маленькой атомной массой. Наименьшую атомную массу, как известно, имеет водород. Поэтому в горной породе замедляющая способность нейтронов определяется содержанием водорода в единице её объёма (водородосодержнаием). Наличие в породе даже малого количества воды или нефти, содержащих много водорода (порядка 10 % по массе), приводит к тому, что замедление нейтронов происходит в основном на ядрах водорода.

Показания НГК будут резко возрастать при исследовании пород, окружающих прибор, с низким водородосодержанием. Так же на показания НГК влияют элементы, обладающие одновременно высоким сечением поглощения тепловых нейтронов и аномально высокой (или аномально низкой) интенсивностью гамма-излучения радиационного захвата. В осадочных горных породах таким элементом является хлор, дающий при захвате одного нейтрона в среднем 2,3 относительно высокоэнергетических гамма-квантов.

При отсутствии хлора основное количество нейтронов в осадочных горных породах поглощается водородом, дающим всего один гамма-квант на каждый поглощенный нейтрон. Поэтому повышение концентрации хлора в горной породе сопровождается при равном водородосодержании увеличением среднего числа испущенных гамма-квантов на один нейтрон, и, следовательно, ростом показаний НГК. В частности, водоносные пласты, насыщенные высокоминерализованной пластовой водой, отмечаются большими показаниями по сравнению с нефтеносными пластами той же пористости. Хотя этот эффект невелик (обычно до 15-20%), но в благоприятных условиях (высокая минерализация пластовых вод и малые изменения пористости) он может использоваться для определения положения водонефтяного контакта в обсаженных скважинах.

Кроме радиационного гамма-излучения (Iny), детектор будет фиксировать также и гамма-кванты другого происхождения. Суммарную зарегистрированную интенсивность гамма-излучения можно представить в виде ряда:

Iy- естественное гамма-излучение пород

Iф - фоновое гамма-излучение источника нейтронов

Iyy - гамма-излучения источника, претерпевшее комптоновское рассеяние в породах и обсадных трубах скважины.

Для выделения исследуемой составляющей Iny приходится прибегать к уменьшению влияния остальных перечисленных составляющих. Для уменьшения влияния естественной радиоактивности Iy выбирают, с одной стороны, мощность источника нейтронов такой, чтобы вызванное им гамма-излучение было, по крайней мере, на порядок больше естественного. С другой стороны, уровень естественное радиоактивности может быть учтен вычитанием показаний ГК из диаграмм НГК. Для ослабления фонового гамма-излучения источника Iф между источником и детектором располагается мощный свинцовый экран. Для поглощения мягкого рассеяния Iyy детектор излучения помещают в стальную гильзу. Таким образом, выделенная составляющая Iny зависит, в основном, от содержания водорода в исследуемой среде. [7]