Нейтроны не имеют заряда и поэтому не испытывают электрического воздействия электронов и ядер и проникают достаточно далеко в горную породу. Их взаимодействие с горной породой зависит от энергии. Различают нейтроны:
тепловые (Еn <1эВ),
промежуточные (1 эВ< Еn <0,1 МэВ) и
быстрые (Еn>0.1 МэВ). При комнатной температуре энергия теплового нейтрона равна приближенно 0,025 эВ.
Нейтроны, как и гамма-кванты, испытывают в породе рассеяние и поглощение [25]. Отличие заключается в том, что взаимодействует нейтрон исключительно с ядрами, при рассеянии нейтрон не только изменяет направление движения и теряет свою энергию, но и замедляется, а при поглощении не исчезает, а входит в состав ядра. Поэтому процесс поглощения ядром нейтрона (теплового) еще называют захватом.
Потеря энергии нейтрона (а значит, и его замедление) зависит от массы ядра А и угла рассеяния нейтрона. При изотропном рассеянии логарифмическая потеря энергии нейтроном при столкновении с ядром (ξ) зависит только от массы этого ядра
, (3.17)
где Е1 и Е2 - энергия нейтрона до соударения и после соударения.
Как видим из формулы (3.17), наибольшие потери энергии нейтронов происходят при соударении с легкими ядрами, а максимально возможная потеря – при столкновении нейтрона с ядром водорода, равным ему по массе.
Быстрые нейтроны, которыми облучаются горные породы в скважине, в результате упругих и частично неупругих (с передачей части энергии ядру) соударений замедляются. Нейтроны, достигшие теплового состояния, в процессе их диффузии, в конечном счете, поглощаются (захватываются) ядрами элементов породы. Высокими поглощающими способностями обладают ядра Li, B, Cl, Cd, Hg.
В соответствии с двумя видами взаимодействий с нейтронами различают две группы нейтронных свойств горных пород: замедляющие и поглощающие.
|
Длина замедления (Ls) – среднее значение квадрата расстояния от начала движения в породе быстрого нейтрона до его замедления до тепловой энергии.
Аномальным замедлителем нейтронов в горных породах является водород. Низкие длины замедления (Ls<15 см) характерны для водородосодержащих минералов (рис. 3.12). Увеличение водородосодержания осадочной породы на 30% приводит к уменьшению длины замедления в 2.5 раза (рис. 3.13). Водород в осадочных породах присутствует в воде и нефти, а также в глинистых минералах. Состав других минералов практически не сказывается на нейтронных характеристиках осадочных пород.
Поглощающие свойства горных пород принято характеризовать двумя параметрами: τ и Ld.
Среднее время жизни теплового нейтрона τ в среде определяется отрезком времени между моментом, когда быстрый нейтрон замедлился до теплового, и моментомпоглощения теплового нейтрона ядром. Минералы, содержащие элементы – аномальные поглотители нейтронов, отличаются малыми значениями τ, меньше 1 мкс, в то время как в нормальных минералах тепловой нейтрон может не поглощаться сотни микросекунд.
Таблица 3.1
Нейтронные параметры природных сред
| Природная среда | σ, г/см3 | Ld, см | τ, 10-4 с |
| Вода | 1,0 | 2,015 | 2,07 |
| Глина (40% влажности) | 2,28 | 2,28 | 1,75 |
| Песок (25% влажности) | 2,05 | 4,04 | 3,2 |
| Глина сухая | 1,88 | 18,7 | 9,22 |
| Песок сухой | 1,8 | 23,85 | 14,5 |
Длина диффузии Ld теплового нейтрона, аналогично длине замедления, характеризует среднее квадратичное расстояние, которое нейтрон проходит от точки замедления до точки поглощения. Длина диффузии, в отличие от Ls, зависит не только от водородосодержания породы, но и от содержания в ней элементов – аномальных поглотителей нейтронов.
