Радіоактивність, основні закони радіоактивного розпаду

Радіоактивним каротажем називають геофізичні дослідження свердловин, які засновані на вимірюванні характеристик полів іонізуючих випромінювань (природних і викликаних штучно).

Найбільше розповсюдження в практиці ГДС одержали наступні види радіоактивного каротажу:

- гамма-каротаж, призначений для вивчення природного гамма-випромінювання гірських порід (ГК);

- гамма-спектрометричний каротаж (ГСМ);

- гамма-гамма-каротаж.

Радіоактивністю називається здатність нестійких ізотопів хімічних елементів самочинно перетворюватись в інші більш стійкі елементи з випромінювання альфа-, бета-, гамма-променів, та інколи і інших частинок.Радіоактивність ізотопів, які знаходяться в природних умовах, отримала назву природної радіоактивності, а радіоактивний розпад ядер атомів при їх бомбардуванні елементарними частинками (електронами, протонами, нейтронами, альфа-частинками та іншими) – штучною радіоактивністю.

Процес перетворення одного ізотопу в інший називається радіоактивним розпадом. Радіоактивне перетворення протікає самочинно та ймовірність радіоактивного розпаду l_р за одиницю часу є сталою для кожного радіоактивного елементу.

Використовуючи початкову умову t=0, N=N₀ отримаємо основний закон радіоактивного розпаду: .

2Елементи радіоактивного розпаду та їх характеристика

При розпаді радіоактивних елементів випромінюються альфа-, бета-частинки та гамма-кванти, причому випромінювання гамма-квантів не є самостійним актом, воно супроводжується альфа- або бета-розпадом ядер елементів. Альфа-промені – потік частинок, які є ядрами атомів гелію (⁴₂He), несуть подвійний додатній заряд 9,54·10^-10 електростатичних одиниць та володіють найбільшою масою (6,598·10^-12г) серед елементарних частинок. Швидкість альфа-частинок природних радіоактивних елементів становить – 1,39·10⁹-2,05·10⁹м/с. Бета-промені – представляють собою потік частинок, які несуть одинарний від’ємний (електрони) або додатній (протони) заряд 4,77·10^-10 електростатичних одиниць і мають масу 0,9035·10^{-27 г. Швидкість бета-частинок коливається практично від нуля до 0,998 швидкості світла. Гамма-промені – це потік нейтральних частинок, які мають таку ж природу, що і радіохвилі, світло, рентгенівське випромінювання і відрізняються від них тільки більш високою частотою коливань (}n>2,42·10¹⁸ с^-1).

Швидкість розповсюдження гамма-квантів стала, у вакуумі рівна швидкості світла c=300000м/с.

3 Природна радіоактивність гірських порід, і чим вона обмежена

Природна радіоактивність гірських порід, в основному, обумовлена наявністю в них природних радіоактивних елементів – урану ²³⁸₉₂U і продукту його розпаду ²²⁶₈₈Ra, торію ²³²₉₀Th та радіоактивного ізотопу калію ⁴⁰₁₉K. Інші радіоактивні елементи (рубідій ⁸⁷₃₇Rb, самарій ¹⁴⁷₁₆₂La, лютецій ¹⁷⁶₇₁Lu та інші) характеризуються великими періодами піврозпаду, малими концентраціями в гірських породах, тому суттєвого вкладу в сумарну природну радіоактивність вони не вносять.Найбільш високою радіоактивність відмічаються магматичні породи, найнижчою – осадові та проміжною – метаморфічні.Пониженою радіоактивністю серед осадових утворень характеризуються хемогенні відклади (ангідрити, гіпси, кам’яна сіль, за виключенням калійної солі), а також чисті пісковики, піщаники, вапняки і доломіти. Максимальною радіоактивністю характеризуються глини, глинисті та бітумінозні сланці, фосфорити, а також калійні солі. Високорадіоактивні мінерали зустрічаються і серед чистих незаглинизованих пісків, піщаників та вапняків, якщо дані породи збагачені моноцитом, карнотитом, глауконітом, польовими шпатами та іншими мінералами, які містять радіоактивні елементи.У деяких випадках радіоактивність порід підвищується у результаті насичення їх пластовими водами, які збагачені ураном і радієм, наприклад, хлоркальцієвого та особливо сульфідно-барієвого типів.

4 Газорозрядні лічильники

Газорозрядний лічильник представляє собою газонаповнений прилад, який забезпечує реєстрацію інтенсивності ядерних частинок за виникненням газового розряду. Газовим розрядом називають явище протікання іонізаційного струму через гази.Газорозрядний лічильник – це своєрідний конденсатор. Одним електродом (анодом) у ньому служить тонка нитка із вольфраму, заліза або іншого металу діаметром 0,1-0,5 мм, яка натягнута вздовж осі скляного циліндра діаметром 1-3 см, другим електродом (катодом) є внутрішнє металічне покриття даного циліндра. Роль діелектрика виконує суміш інертного газу та парів високомолекулярної сполуки, яка знаходиться під низьким тиском. Основні переваги газорозрядних лічильників:

- стабільність роботи у великому діапазоні зміни температури – від -55 до +300°С;

- підвищена ефективність до жорсткого гамма-випромінювання при розв’язуванні деяких геолого-промислових задач.

Недоліки газорозрядних лічильників:

- висока робоча напруга живлення (700-1600В);

- обмежений термін роботи внаслідок розходу багатоатомних молекул на дисоціацію;

- мала максимальна швидкість рахунку.

Сцинтиляційний лічильник (Рис. 1.2) має два основних елемента: сцинтилятор, який реагує на ядерне випромінювання спалахами світла, і фотоелектронний помножувач (ФЕП), який перетворює дані слабкі спалахи світла в електричний імпульс та підсилює їх у мільйони разів.Принцип роботи сцинтилятора полягає в наступному. Гамма-квант, який попадає в сцинтилятор, взаємодіє з його атомами (фотоефект, комптон-ефект, утворення електронно-позитронних пар), що приводить до виникнення вільних зарядів. Даним зарядам передається або вся енергія кванта (фотоефект), або її частка (комптон-ефект). Енергія вільних зарядів використовується на збудження атомів сцинтилятора. При переході зі збудженого стану в основний атоми сцинтилятора втрачають енергію, яка отримана при збудженні, у вигляді електромагнітних коливань (світлових фотонів) – люмінесценції.Із багаточисельних сцинтиляторів найбільш часто використовують монокристали йодистого натрію NaI(Tl), йодистого калію KI(Tl), йодистого цезію CsI(Tl), які активовані талієм Tl з метою створення в решітках неорганічних кристалів додаткових центрів люмінесценції, а також пластмасові сцинтилятори.

Фотоелектронний помножувач (ФЕП) – пристрій, який з’єднує в собі фотоелемент і електронний підсилювач, дія якого базується на явищі вторинної електронної емісії.

Основні переваги сцинтиляційних лічильників:

- висока чутливість (ефективність);

- велика роздільна здатність;

- здатність розділяти частинки за їх енергіями та вимірювати їх за кількістю, тобто проводити спектрометрію радіоактивних променів.

Недоліки сцинтиляційних лічильників:

- висока чутливість до зміни температури навколишнього середовища;

- підвищені вимоги до стабільності напруги живлення;

- великий розкид параметрів фотопомножувачів і зміна характеристик та параметрів фотопомножувачів у процесі їх роботи.

12 3 4 Следующая ⇒