4. Ядерная геофизика

4.1 Законы радиоактивных превращений. Единицы измерения Радиоактивность – самопроизвольный процесс распада неустойчивых изотопов химических элементов, сопровождающийся испусканием или захватом частиц ( нейтронов) и выделением коротковолнового электромагнитного излучения ( - квантов). частицы – He ++ (q= Кл, m= кг) – частицы – электроны или позитроны (q=+/ Кл, m= кг) Пример -распада: Атомная масса Заряд (атомный номер) Энергия -кванта

Пример k захвата: рентгеновское излучение Нейтроны: q=0, m= кг образуются в ускорителях в резуль- тате ядерных реакций и в изотопных источниках dN=- Ndt N=N 0 e - t Число ядер в начальный момент Число ядер в момент времени t Средняя продолжительность жизни изотопа T=ln(2)/ Период полураспада t=10T Время практически полного распада Закон радиоактивного распада Постоянная распада Пример распада (89.5%) (10.5%)

Источники естественной радиоактивности 238 U… 226 Ra 222 Rn… 206 Pb 232 Th … 220 Rn… 208 Pb 235 U… 219 Rn… 207 Pb Ряды радиоактивных превращений K (T= лет) Ar Ca Rb (T= лет) Sr Sm (T= лет) Nd 238 U и 235 U – примеры изотопов – их атомная масса – различна, а зарядовое число – одинаковое.

Радиоактивное равновесие Рассмотрим материнский (T 1 ) и дочерний (T 2 ) элементы. Если материнский элемент – долгоживущий, то при t>10T 2 наступает радиоактивное равновесие: N 1 1 = N 2 2 В ряду с долгоживущим родоначальником N 1 1 = N 2 2 … =N k k Примеры: U(T= лет) и Ra (T=1600 лет) (время установления равновесия – лет Ra и Rn (T=3.8 сут.) (время установления равновесия – 38 сут.)

Искусственные изотопы Возникают в результате ядерных реакций, проходящих в два этапа: (1) Материнское ядро испытывает воздействие нейтронов, -частиц или квантов и образуется новый изотоп; (2) Искусственный изотоп распадается с испусканием частиц и квантов

Единицы радиоактивности Активность – число распадов в единицу времени (Бк (Беккерель)=1/с), внесистемная единица – Ки (Кюри)= Бк Удельные единицы активности относятся к единице массы, объема или поверхности Воздействие радиоактивного излучения на среду оцени- вается единицами дозы и мощности дозы: Поглощенная доза: Энергия(Дж)/массу(кг) = грей (Г) Экспозиционная доза: Кл/кг. Внесистемная единица – Рентген (Р= Кл/кг) Мощности дозы – соответствующая доза деленная на единицу времени, например Р/час или A/кг

4.3 Взаимодействие излучений с веществом -частицы: пробег в воздухе не более 11.5 см, прямоли- нейная траектория. Ионизируют вещество -частицы: пробег в воздухе до 13 м, криволинейная траек- тория. Ионизируют вещество, их торможение в электри- ческом поле ядра приводит к возникновению рентгеновского излучения – излучение обладает наибольшей проникающей способностью и энергией от 0.02 до 3 МэВ. Эффекты: фотоэффект, комптоновское рассеяние, образование электрон-позитронных пар, Фото-нейтронный эффект

1. Фотоэффект E МэВ Я R Я Я 0.5

3. Образование электрон-позитронных пар Я Я e-e- p+p+ E >1 МэВ 4.Фотонейтронный эффект Я n Я E МэВ

Ослабление гамма-излучения в среде зависит от ее плотности, среднего заряда ядер и атомной массы Длина пробега гамма-кванта в воздухе ~сотни метров, в земле

4.4 Регистрация радиоактивных излучений I Газ Газонаполненные детекторы, работающие на основе ионизации газа излучением.

Сцинтилляционные детекторы Кристалл Люминофора (NaI(Tl), CsI(Tl)) Фотокатод Анод Диноды

Принцип спектрометрии U(1.65 – 1.85 МэВ) Th(2.5 – 2.7 МэВ) K1.46 МэВ K U Th N 1 =a 1 q K +b 1 q U +c 1 q Th N 2 =a 2 q K +b 2 q U +c 2 q Th N 3 =a 3 q K +b 3 q U +c 3 q Th Аппаратурные спектры излучения

4.5 Ядерно-физические свойства пород

4.5.1 Естественная радиоактивность Кларки концентрации: U %, Th – % K – 2.5% Магматические породы

Некоторые тенденции миграции радиоактивных элементов 1.Окисление U до U +6 и переход в раствор 2.Миграция Th со взвешенными частицами 3.Сорбция U и Th на глинах 4.Ассоциация с цирконом, монацитом, глауконитом 5.Снижение концентрации со степенью регионального метаморфизма 6.Высокая (U), средняя (K) и низкая (Th) подвижность в гипергенных условиях. Как следствие смещение равновесия между U и Ra.

4.5.2 Свойства пород по отношению к гамма и нейтронному излучению В области энергий 0.15 – 2.5 МэВ ослабление -излучения связано с плотностью пород. В области низкой энергии (фотоэффект) и высокой энергии ослабление связано с составом пород и может быть оценено эффективным атомным номером Z эфф. Существенные различия в ослаблении возникают для элементов с большим Z (Pb, Hg, W). Гамма-излучение

Нейтронное излучение Быстрые-Промежуточные-Медленные-Резонансные-Надтепловые-Тепловые >0.5МэВ0.025эВ0.05эВ1-10эВ1КэВ-10эВ1КэВ-0.5МэВ Группы нейтронов: Свойства пород замедлять нейтроны определяются содержанием водорода (по причине близости их масс) Свойства пород поглощать нейтроны определяется наличием B, Cd, Hg, TR, Li, Cl

4.6 Классификация методов 1.Гамма-метод (интегральный и спектрометрический) 2.Эманационный метод Методы, основанные на естественной радиоактивности:

Методы, основанные на искусственной радиоактивности 1.Гамма-гамма плотностной 2.Гамма-гамма селективный 3.Рентгено-радиометрический 4.Гамма-нейтронный Возбуждающее – гамма-излучение 1.Нейтрон - нейтронный 2.Нейтронный гамма 3.Нейтронно - активационный Возбуждающее – нейтронное излучение

4.7 Плотностной гамма-гамма метод 1.Поток рассеянного -излучения = f (, Z эф ) E = 0.66МэВ ( 137 Cs) или 1.25 МэВ ( 60 Сo) r Ф r=5 см r=16 cм r=50 см

4.8 Селективный гамма-гамма метод Энергия E

4.9 Рентгено-радиометрический метод Я ФрФр Я K Ф=f(q 1,q i,…, поглощающие свойства среды) Способы спектральной интенсивности и спектрального отношения Цель – определение содержания широкого круга элементов

4.10 Гамма-нейтронный метод Цель – определение содержания Be 1.67 МэВ (Бериллий) n=f(q Be ) 124 Sb

Распределение тепловых нейтронов определяется содержанием водорода в породе!!! И теми элементами, которые поглощают тепловые нейтроны, т.е. B, Mn, Li, TR, Hg Главная цель – определение количества воды… и В Источник – Po+Be или Pu+Be Детектор - газонаполненный 4.11Нейтрон-нейтронный метод