Descripción general de la teoría del registro de neutrones

(1) Reacciones nucleares y radiactividad artificial

Cuando se utilizan partículas alfa, protones, neutrones, etc. para bombardear elementos estables, se obtiene una gran cantidad de isótopos radiactivos mediante reacciones nucleares. , y sus reglas de desintegración son similares a las de las mismas sustancias radiactivas naturales. Por ejemplo, cuando se utilizan partículas alfa para irradiar núcleos de berilio, la fórmula de la reacción nuclear es la siguiente:

Registro de pozos geofísicos

Donde: 0n′ representa neutrones. Ambos lados de la ecuación de la reacción nuclear deberían satisfacer los principios de equilibrio de carga y masa.

Las reacciones nucleares se representan mediante símbolos:

Registros de pozos geofísicos

El primer símbolo entre paréntesis representa la partícula atrapada (el núcleo de berilio absorbe partículas alfa), El el segundo indica que la partícula liberada es un neutrón, y el que está después del paréntesis indica que el producto de desintegración es 12C.

La energía de excitación del núcleo producida por el núcleo de berilio que absorbe las partículas alfa es de aproximadamente 10 MeV, y la energía de unión de los neutrones en 12C es de 18,720 MeV. Cualquier reacción que capture una partícula α y produzca un neutrón se denomina colectivamente reacción (α,n).

Otro ejemplo es la reacción nuclear en la que el núcleo de un átomo de hidrógeno captura un neutrón:

Registro de pozos geofísicos

Se representa con el símbolo de la reacción nuclear. La reacción de cualquier núcleo atómico que captura neutrones y emite rayos gamma se denomina colectivamente reacción (n, γ).

(2) Interacción entre neutrones y medios de formación

1. La reacción nuclear entre neutrones y formación satisface la ley de conservación de neutrones

Cuando los neutrones bombardean la formación. , Dispersados ​​o absorbidos al encontrar núcleos atómicos. La energía se pierde durante la dispersión y el cambio de dirección. Dentro de un cierto volumen, la tasa de cambio de la densidad de neutrones N a lo largo del tiempo es igual a su tasa de producción menos la tasa de fuga y la tasa de absorción. La ecuación del balance de neutrones es

Registro de pozo geofísico

Es decir, excepto en el medio donde se encuentra la fuente de neutrones, lo que afecta la densidad de neutrones térmicos en el elemento de volumen en cualquier ubicación es la desaceleración rápida de neutrones Los neutrones térmicos del volumen, los neutrones térmicos absorbidos por el volumen y los neutrones térmicos que escapan a través del volumen. Considerando que la densidad de neutrones N es función de la distancia, la velocidad y la dirección, la ecuación (3-88) debería ser la ecuación de migración de Boltzmann:

Registro de pozos geofísicos

Introducción del paso cantidad Φ (r, E, Ω, t) = vN (r, E, Ω, t), y sea

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dado por la ecuación estacionaria (1 - 3-71), hay

Registros de pozos geofísicos

El primer término en el lado izquierdo de la ecuación es la tasa de fuga de partículas y el segundo término es la tasa de absorción; el primer término en el lado derecho de la ecuación es la tasa de conversión de colisión de partículas, el segundo elemento es la tasa de generación de la fuente de partículas.

En la fórmula anterior: v es la velocidad de los neutrones; Φ es el flujo de neutrones; S es la tasa horaria de neutrones generados en la unidad de volumen por unidad de tiempo (Σt es la macro-unidad); sección; Ω es el vector unitario de la dirección de vuelo del neutrón; E es la energía del neutrón; C es la tasa de conteo específica observada (c·s-1·g-1) es la distancia; Ω′→Ω| r) representa la tasa de conteo específica cuando un neutrón con energía E' en el ángulo sólido Ω' se dispersa para cambiar la energía en E en el ángulo sólido Ω.

2. La interacción entre neutrones y materia

La interacción entre neutrones y materia está determinada por la fuerza entre los neutrones, los núcleos atómicos y los electrones. Como la fuerza entre neutrones y electrones es muy pequeña, la fuerza entre neutrones y núcleo es dominante. La interacción entre neutrones y núcleos atómicos se puede clasificar en dos categorías: una es que los neutrones son dispersados ​​elásticamente por los núcleos atómicos. Este proceso no causa la desintegración nuclear, sino que solo hace que los neutrones originales cambien su energía y dirección de movimiento. El otro tipo es la dispersión inelástica y la captura de neutrones por los núcleos atómicos. Este proceso provoca la desintegración del núcleo y emite ciertos rayos. El tipo de efecto dominante está determinado por la composición energética y material del neutrón. Los neutrones se pueden clasificar según la clasificación energética: ① Neutrones rápidos: energía superior a 10×104 eV; ② Neutrones de energía media: energía entre 100 eV y 10×104 eV; ③ Neutrones lentos: energía inferior a 100 eV, donde aquellos entre 0,1; eV y 100 eV se denominan neutrones supertérmicos, y los que están entre 0,025 eV se denominan neutrones térmicos, que son neutrones en estado de energía térmica.

Los neutrones liberados por la fuente de neutrones utilizada en el registro de pozos tienen energías que van desde varios hasta más de diez megaelectrones voltios y una velocidad de más de 105 cm·s-1. Estos neutrones son neutrones rápidos.

Después de que los neutrones rápidos ingresan a la formación rocosa, bajo la influencia simultánea de la dispersión inelástica y la dispersión elástica, la energía se debilita gradualmente y finalmente se absorbe. Para explicar la probabilidad de que se produzca una determinada reacción nuclear entre neutrones y núcleos atómicos al atravesar la materia, se introdujo el concepto de sección transversal efectiva.

Supongamos que hay n núcleos en una unidad de volumen. Cada núcleo es reemplazado por un objetivo circular con área σ. El tamaño del área del objetivo se selecciona de tal manera que cuando los neutrones incidentes entran en el objetivo, chocan y se produce algún tipo de reacción. El área σ se llama sección transversal efectiva. Pero hay que tener cuidado de no confundir el concepto de sección efectiva con la sección geométrica del núcleo.

La sección transversal efectiva donde ocurre el proceso de dispersión se llama sección transversal de dispersión σs, la sección transversal efectiva donde ocurre el proceso de captura es la sección transversal de captura σc, y la sección transversal efectiva total La sección donde ocurren los dos procesos se llama sección transversal efectiva total σ:

Registro de pozos geofísicos

La unidad de la sección transversal efectiva es cm2, y la sección transversal efectiva de la mayoría de los núcleos atómicos es del orden de 10-24 cm2. Por lo tanto, se tomó como unidad 10-24 cm2, que antes se llamaba "barra".

La sección efectiva por unidad de volumen de material es la suma de las secciones efectivas de cada núcleo atómico, la cual se denomina sección efectiva macroscópica y está representada por Σ:

Registro de pozos geofísicos

A diferencia de la sección transversal efectiva macroscópica, la sección transversal efectiva (σ) de un solo núcleo atómico generalmente se denomina sección transversal efectiva microscópica. Si ρ es la densidad del material absorbente (g·cm-3); A es la masa atómica relativa del elemento, es la cantidad de material por centímetro cúbico. Luego, después de multiplicar por la constante de Avogadro N0 (6,02486×1023), obtenemos el número de átomos n por centímetro cúbico:

Registro de pozos geofísicos

Por lo tanto:

Registro de pozo geofísico

Si el material en cuestión contiene núcleos de varias sustancias, la macrosección se puede escribir como

Registro de pozo geofísico

Aquí , ni representa el número de núcleos del i-ésimo elemento por centímetro cúbico.

Echemos un vistazo a la relación entre el cambio de intensidad de un haz de neutrones que atraviesa una sustancia y su sección transversal. Suponga que la corriente de neutrones incidente tiene I neutrones por centímetro cuadrado e incide verticalmente sobre una sustancia con n núcleos atómicos por centímetro cúbico. Si la capa de material se divide en capas infinitamente delgadas con un espesor de dx, en cada una de esas capas con un área de un centímetro cuadrado, habrá núcleos ndx y su sección transversal efectiva es nσdx, entonces la intensidad causada por el flujo de neutrones que pasa a través de esta capa de material El cambio es

Registro de pozo geofísico

El signo negativo indica que la intensidad se debilita Reescribe esta fórmula:

Geofísico. registro de pozo

Integrando la ecuación (3-92′), obtenemos:

Registro geofísico de pozo

I0 es la intensidad inicial de los neutrones que caen sobre la superficie del material ; Ix es la cantidad de energía que se puede producir en la misma área. El número de neutrones que pasan por x centímetros de materia.

Repitiendo, la sección transversal efectiva es una medida de la probabilidad de una determinada reacción nuclear, y no debe confundirse con la sección transversal geométrica del núcleo. La sección transversal efectiva no es un valor fijo, es una función relativamente compleja de la energía de los neutrones.

En el caso de los neutrones rápidos que salen de la fuente de neutrones, algunos de ellos pueden ser absorbidos en cualquier momento en el material. El resto son constantemente dispersados ​​elásticamente por los núcleos y pierden gradualmente su energía hasta que son absorbidos. un momento determinado. Todo el proceso de desaceleración de los neutrones desde neutrones rápidos a neutrones térmicos, así como su difusión en la materia en un estado de energía térmica hasta su absorción, a menudo se caracteriza por los siguientes parámetros.

1) Atenuación de energía logarítmica media (ξ). La reducción logarítmica natural promedio de la energía de los neutrones en una colisión entre un neutrón y un núcleo atómico se denomina reducción logarítmica promedio de la energía.

Registro geofísico

es la energía antes de la colisión y es la energía después de la colisión. Está relacionado con el peso atómico A del medio de desaceleración:

Registro de pozo geofísico

Cuando A es mayor que 10, hay aproximadamente

Registro de pozo geofísico

Según la definición, cuanto mayor sea el valor de ξ, más fuerte será la capacidad de desaceleración del medio; cuanto menor sea el valor de ξ, más débil será la capacidad de desaceleración del medio.

Si hay un neutrón rápido con una energía de 2 MeV en un determinado medio, ¿cuántas colisiones se necesitan en promedio para desacelerar hasta el valor de energía térmica (0,025 eV)? para eliminar ln (2×106/0.025) para obtener la respuesta. Los valores de ξ de varios elementos y el número promedio de colisiones necesarias para desacelerar neutrones de 2 MeV en neutrones térmicos se enumeran en la Tabla 3-4.

Tabla 3-4

Figura 3-32 La relación entre la longitud de desaceleración y la saturación de agua de la roca

Se puede ver en la tabla que los núcleos ligeros son Sub -La desaceleración juega un papel importante. Especialmente el núcleo de hidrógeno, que tiene casi la misma masa que el neutrón. Cada vez que un neutrón choca con un núcleo de hidrógeno, la pérdida media de energía es mayor. El registro de neutrones a menudo estudia el contenido de hidrógeno en las formaciones rocosas basándose en esta característica del hidrógeno. Esto es muy significativo para estudiar los estratos de almacenamiento de petróleo y gas.

2) Longitud de desaceleración Lf. Es proporcional a la distancia promedio recorrida por un neutrón en línea recta cuando reduce su energía inicial a energía térmica. Puede dar un concepto cualitativo de la distribución espacial de neutrones provocada por la desaceleración del medio. La longitud de desaceleración está determinada principalmente por el contenido de hidrógeno de la roca. La Figura 3-32 muestra la relación entre la longitud de desaceleración y la saturación de agua de la roca.

3) Longitud de difusión Ld. Representa la distancia promedio desde el lugar donde se genera el neutrón térmico hasta el lugar donde el núcleo captura el neutrón térmico. Cuanto mayor sea la capacidad del material para absorber neutrones térmicos, más corta será la Ld.

4) La vida media τ de los neutrones térmicos. Es el tiempo medio que tardan los neutrones térmicos en difundirse antes de ser capturados por el medio. Se puede obtener dividiendo la distancia promedio de movimiento antes de la absorción (es decir, la trayectoria libre de absorción promedio) λa por la velocidad promedio del neutrón v:

Registro de pozos geofísicos

Porque λa es igual a la sección transversal de absorción macroscópica Σa El recíproco de , entonces

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A temperatura normal, v=2.2×105 cm·s-1, por lo que la fórmula anterior puede debe escribirse como:

Registro de pozos geofísicos

La Tabla 3-5 y la Tabla 3-6 enumeran algunos parámetros característicos de neutrones térmicos de algunos elementos químicos y rocas. Como puede verse en la tabla, el hidrógeno, el boro y el cloro son elementos con propiedades neutrónicas especiales.

Tabla 3-5 Secciones transversales de neutrones térmicos de algunos elementos

Tabla 3-6 Propiedades de neutrones de algunos minerales y rocas