5.2. Ядерний каротаж

Ядерний (або радіоактивний) каротаж заснований на вивченні природної радіоактивності гірських порід, пройдених свердловиною або на вивченні процесів поглинання і розсіяння радіоактивного або нейтронного випромінювання при штучному опромінюванні порід. На відміну від електричного радіо­активний каротаж може виконуватися як в необсаджених, так і в обсаджених свердловинах.

1. Загальні відомості про ядерні явища і апаратуру їх дослідження

Ядерна геофізика має справу перш за все з явищем радіоактивності, тобто властивістю ядер елементів до мимовільного розпаду, що супроводиться альфа, бета і гамма випромінюванням. Альфа випромінюванням є потік позитивно заряджених ядер атома гелію. Енергія частинок може досягти 10 мільйонів електрон-вольт (мэв), але проникаюча здатність їх невелика (декілька сантиметрів в повітрі). Швидкість частинок зменшується від взаємодії з атомами, і вони, приєднавши до себе два вільні електрони, перетворюються на нейтральний атом гелію. Бета-випромінювання є потоком електронів (негативно заряджених частинок). Енергія випромінювання частинок досягає 3 мэв, а проникаюча здатність також невелика, хоча багато більше, ніж у альфа-променів (декілька міліметрів в породі і десят­ки сантиметрів в повітрі). Гамма-випромінювання є потоком нейтральних гамма-квантів електромагнітного випромінювання. Енергія сягає 3 мэв. Це проміння з високою проникаючою здатністю (де­сятки сантиметрів в породі). Проте вони поглинаються при зіткненні з атомами речовини. Практично повністю по­глинаються шаром порід в 1 - 2 м.

У результаті радіоактивного розпаду тієї або іншої речовини кількість що містяться в ньому атомів зменшується по експонен­ціальному закону. Швидкість розпаду можна характеризувати періодом напіврозпаду, тобто часом, необхідним для того що­б число атомів зменшилося удвічі. У різних елементів час напіврозпаду змінюється в дуже широких межах від 10^-6 сек. до 10¹⁰ років.

Відомо понад 230 радіоактивних ізото­пів речовин, тобто елементів з природною радіоактивністю. До радіоактивних відносять важкі елементи, як уран, радій, торій, актиній, і більш легкі елементи, як калій, рубідій, стронцій, кальцій і ін. У таких радіоактивних елементів, як уран, торій, актиній, при радіоактивному розпаді спостерігаються послідовні перетворень одних елементів в ізотопи інших радіоактивних елементів, але з меншим періодом напіврозпаду. Ці радіоактивні ряди елементів закінчуються нерадіоактивним ізотопом свинцю. Розпад ядер часто що зустрічається в природі радіоактивного калія-40 є одноразовим актом, що призводить до формування нерадіоактивних елементів кальцію-40 і аргону-40. Радіо­активне випромінювання супроводиться іонізацією, люмінесценцією, нагріванням навколишньої речовини і поряд інших явищ і ядерних перетворень.

Радіоактивність речовини вимірюється в одиницях Кюрі (кількість речовини, яка зазнає 3,7-1010 розпадів у секунду), і в грам-еквівалентах радію (г-экв. радія), тобто кількість речовини гамма-випромінювання якого еквівалентно випромінюванню 1 г радію. Доза опромінювання, тобто кількість радіоактивної енергії, по­глинання речовиною, вимірюється в рентгенах і радах (мало відмінних між собою) і їх частках (в мілірадах, мікро­радах). Радий - доза, при якій 1 г речовини поглинає 100 ерг енергії. Одиницею потужності дози гамма-випромінювання, широко тій, що використовується в геофізичній практиці, є гамма, рівна мікрорентгену за годину. Окрім радіоактивності в ядерних методах геофізики вивчаються явища радіаційного захоплення і розсіяння потоку нейтронів ядрами речовини, а також супроводжують ці процеси випромінювання.

Для вимірювання радіоактивності (природної або викликаної штучно) застосовуються різні прилади: іонізаційні камери газорозрядні і сцинтиляційні лічильники. Іонізаційна камера - цей пристрій призначений для виявлення іонізації газу під впливом радіоактивних випромінювань. Іонізаційна камера є металевим циліндром, в якому під високим тиском знахо­диться газ. Корпус камери підключений до мінуса батареї а метал­ева нитка, розташована по осі циліндра, до плюса батареї. При проходженні гамма-квантів газ іонізується і електрони, притягуючись до позитивно зарядженої нитки, утворюють імпульс струму. Усилюючи імпульси струму за допомогою електронних підсилювачів і виміряючи величину сили струму на виході підсилювача, можна судити про інтенсивність радіоактивного випромінювання.

Газорозрядне джерело (лічильник Гейгера-Мюллера) влаштовано приблизно так само, як іонізаційна камера. Проте в лічильнику камера наповнена парами аргону з низьким тиском, а електрод розташований під значно великим напруженням (до 1000 в). Проникаючи в трубку, гамма-промені вибивають електрони з атомів газу і іонізують його. Завдяки напруженості на електродах електрони створюють розряд, імпульс струму. Із збільшенням гамма-випромінювання створюється лавина електронів.

Усилюючи імпульси електронним підсилювачем і реєструючи їх, можна визначити інтенсивність гамма-випромінювання. Найбільшою чутливістю по виявленню гамма-променів володіють сцинтиляційні лічильники, чутливим елементом яких є люмінесцентні речовини, так звані кристали. Під впливом радіоактивного опромінювання сцинтиляційний кристал здатний давати люмінесцентне свічення або спалах світла. Світло падає на світлочутливий фотокатод особливого приладу - фото помножувача. Під дією світла фотокатод випускає деяку кількість електронів. Частина з них потрапляє на другий електрод, що знаходиться під по­зитивним потенціалом. За рахунок вторинної емісії потік електронів відображений від другого електроду, приблизно потрійнюється і частково потрапляє на третій електрод, що знаходиться під більш високим позитивним потенціалом, ніж другий. Завдяки тому що всі подальші електроди знаходяться під все великим потенціалом, потік електронів за рахунок вторинної емісії зростає у геометричній прогресії. Кінцева лавина електронів, потрапляючи на анод, створює імпульс струму. Цей імпульс посилюється електронним підсилювачем і подається на реєстратор. За допомогою спеціальних еталонів гамма-випромінювання прибори для вимірювання радіоактивності градуюються, тобто визначається число імпульсів в секунду відповідне потужності дози опромінювання, рівної одному мікрорентгену в годину, або одній гаммі.

Індикатором теплових нейтронів служить іонізаційна ка­мера, заповнена трьох фтористим бором. Нейтрони захоплюються ядрами бору, перетворюючи його на літій. При цій реакції створюються альфа-частки, які, іонізуючи газ, створюють імпульси струму.