Astronet > Geofizicheskie metody issledovaniya zemnoi kory. Chast' 1

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Geofizicheskie metody issledovaniya zemnoi kory

15.2.3. Nagrev za schet radioaktivnosti.

V hode poglosheniya al'fa-, beta-, gamma-luchei gornymi porodami proishodit ih nagrev. Samye rasprostranennye radioaktivnye mineraly (uran, torii, kalii-40) imeyut period poluraspada, sravnimyi s vozrastom Zemli, poetomu oni yavlyayutsya osnovnymi istochnikami radiogennogo tepla v proshlom, nastoyashem i budushem.

15.3. Yaderno-fizicheskie svoistva gornyh porod

15.3.1. Obshaya harakteristika yaderno-fizicheskih svoistv.

Pod yaderno-fizicheskimi (gamma- i neitronnymi) svoistvami gornyh porod ponimayut ih sposobnost' po-raznomu rasseivat', zamedlyat' i pogloshat' gamma-kvanty ili neitrony raznyh energii. Eti svoistva vytekayut iz rassmotrennyh vyshe fizicheskih yavlenii,soprovozhdayushih vzaimodeistvie gamma-kvantov s elektronami i yadrami atomov (fotoelektricheskoe pogloshenie, komptonovskoe vzaimodeistvie, obrazovanie elektronno-pozitronnyh par i dr.) ili neitronov s yadrami atomov (neuprugoe i uprugoe rasseyanie i pogloshenie, soprovozhdayusheesya zahvatom teplovyh neitronov yadrami atomov i vtorichnym gamma-izlucheniem). Veroyatnost' togo ili inogo vzaimodeistviya zavisit ot energii gamma-kvantov ili neitronov, ot puti prohodyashego izlucheniya v gornoi porode i ee yaderno-fizicheskih svoistv. Osnovnymi iz etih svoistv yavlyayutsya mikro- ili makroskopicheskie secheniya vzaimodeistviya gamma-kvantov i neitronov s otdel'nymi ili vsemi atomami izuchaemoi gornoi porody.

15.3.2. Gamma-luchevye svoistva gornyh porod.

Osnovnym gamma-luchevym svoistvom porody yavlyaetsya ee sposobnost' pogloshat' i rasseivat' gamma-luchi. Kolichestvenno eto svoistvo opisyvaetsya polnym lineinym koefficientom oslableniya i poglosheniya $\mu_{\gamma }$ ili summarnym (polnym) makroskopicheskim secheniem vzaimodeistviya gamma-luchei s edinicei ob'ema gornoi porody (sm. (6.3)). Dlya uzkogo puchka gamma-kvantov ego opredelyayut s pomosh'yu sleduyushih uravnenii:

${\mu }_{\gamma } = \sum\limits_{i=1}^{k} \sigma_{\gamma i} {N}_{i},\; {I}_{\gamma } = {I}_{\gamma o} {e}^{-{\mu }_{\gamma} L}$

(6.4)

gde $\sigma_{ \gamma i}$ - mikroskopicheskoe sechenie vzaimodeistviya atoma i-go himicheskogo elementa s gamma-kvantom pri obshem kolichestve atomov etogo elementa v edinice ob'ema $N_{i}$ i obshem chisle elementov $K$ ; $I_{ \gamma } , I_{ \gamma 0}$ - intensivnost' gamma-izlucheniya v konce i nachale pogloshayushego sloya tolshinoi $L$ . Prakticheski opredelyayut effektivnyi koefficient oslableniya $\mu_{ \gamma ef}$ po eksperimental'no poluchennoi intensivnosti vtorichnogo gamma-izlucheniya:

${I}_{\gamma ef} ={I}_{\gamma 0} \cdot {e}^{-{\mu }_{\gamma ef} L}.$

(6.5)

Makroskopicheskoe sechenie vzaimodeistviya, ili effektivnyi lineinyi koefficient oslableniya, zavisit ot poryadkovyh nomerov v periodicheskoi sisteme Mendeleeva i massovyh chisel himicheskih elementov vsei gornoi porody, a takzhe ee plotnosti $\sigma$ . Na izmenenii etih svoistv osnovany metody izucheniya himicheskogo sostava i plotnosti gornyh porod po intensivnosti vtorichnogo (rasseyannogo) gamma-izlucheniya ( $I_{ \gamma \gamma } = -I_{ \gamma \gamma ef}$ ). Pri etom komptonovskoe rasseyanie zavisit ot plotnosti, a fotoeffekt - ot himicheskogo sostava i koncentracii himicheskih elementov (sm. 15.3.1).

15.3.3. Neitronnye svoistva gornyh porod.

Osnovnym neitronnym svoistvom gornyh porod i sred yavlyaetsya ih sposobnost' pogloshat' i rasseivat' neitrony. Kolichestvenno eto svoistvo opisyvaetsya polnym lineinym koefficientom oslableniya i poglosheniya $\mu_{p}$ ili summarnym (polnym) makroskopicheskim vzaimodeistviem neitronov s edinicei ob'ema gornoi porody (sm. 15.1.3). Velichina $\mu_{p}$ opredelyaetsya mikroskopicheskimi secheniyami rasseyaniya i poglosheniya neitronov atomami ili yadrami ( $\sigma_{pi}$ ) vseh sostavlyayushih ee himicheskih elementov ot i = 1 do i = k s chislom atomov i-go elementa v edinice ob'ema $N_{i}$ po formule:

${\mu }_{n} = \sum\limits_{i=1}^{k} {\sigma }_{ni} {N}_{i},$ gde ${I}_{n} ={I}_{n0} \cdot {e}^{-{\mu }_{n} L}.$

(6.6)

Zdes' $I_{p} , I_{p0}$ - plotnost' potoka neitronov v konce i nachale sloya tolshinoi $L$ . Neitronnoe mikroskopicheskoe sechenie rasseyaniya i poglosheniya $\sigma_{pi}$ izmeryaetsya v barnah i ravno effektivnoi ploshadi yadra, kotoraya obychno bol'she ego geometricheskogo secheniya. Neitronnoe sechenie izmeryayut v edinicah ploshadi (10^-25 m²). Naibol'shimi neitronnymi secheniyami obladayut redkozemel'nye elementy, naprimer, gadolinii (46*10^-25 m² ), kadmii (2,25*10^-25 m² ), bor (0,769*10^-25 m² ), rtut' (0,38*10^-25 m² ) i dr. U bol'shinstva elementov mikroskopicheskoe sechenie yadra izmenyaetsya v predelah (0,1 - 10)*10^-25 m² . Prakticheski koefficient $\mu_{p}$ yavlyaetsya effektivnym koefficientom, harakterizuyushim i zamedlyayushie, i pogloshayushie svoistva gornoi porody $\mu_{p ef}$ pri obluchenii ee neitronami.

Velichinu, obratnuyu $\mu_{pef}$ , nazyvayut polnoi dlinoi probega neitronov ( $L_{p}$ ). Ona vklyuchaet dlinu zamedleniya i dlinu diffuzii. Srednyaya dlina zamedleniya neitronov ( $L_{z}$ ) opredelyaetsya sposobnost'yu yader rasseivat' neitrony i ravna rasstoyaniyu, na kotorom energiya neitronov umen'shaetsya ot ishodnoi (u bystryh neitronov energiya prevyshaet 0,5 MeV) do teplovoi (0,025 eV). Naimen'shei dlinoi zamedleniya ( $L_{z } \lt$ 10 sm) obladayut mineraly, v kotoryh imeyutsya berillii, uglerod, zhelezo i vodorodosoderzhashie porody, nasyshennye vodoi, neft'yu ili gazom. V drugih porodah, osobenno soderzhashih tyazhelye himicheskie elementy, $L$ sostavlyaet pervye desyatki santimetrov.

Oslablennye do teplovoi energii neitrony peremeshayutsya v porode putem diffuzii do teh por, poka ne poglotyatsya kakimi-nibud' yadrami. Kak otmechalos' vyshe, process zahvata neitronov soprovozhdaetsya izlucheniem vtorichnyh gamma-kvantov. Sposobnost' gornyh porod pogloshat' teplovye neitrony vyrazhayut cherez srednyuyu dlinu diffuzii $L_{d}$ ili proporcional'noe ei srednee vremya zhizni teplovyh neitronov $\tau_{tp}$ . Naimen'shimi znacheniyami etih parametrov ( $L_{d } \lt$ 5 sm, $\tau_{tp } \lt$ 5 mks) otlichayutsya rudy, soderzhashie himicheskie elementy s vysokim secheniem poglosheniya neitronov (redkozemel'nye, kadmii, bor, rtut', zhelezo, hlor i dr.), i ryhlye osadochnye porody, nasyshennye mineralizovannymi vodami. Dlya bol'shinstva porodoobrazuyushih mineralov i gornyh porod $L_{d}$ izmenyaetsya ot 10 do 30 sm, a $\tau_{tp}$ - ot 10 do 3000 mks. Vazhnym parametrom sredy yavlyaetsya takzhe koefficient diffuzii $D = L_{d}^{2} / \tau_{tp}$ .

Na izmenenii perechislennyh neitronnyh svoistv himicheskih elementov osnovany neitronnye metody poelementnogo analiza gornyh porod i ih vodoneftegazonasyshennosti. Oni svodyatsya k izucheniyu plotnosti (intensivnosti) teplovyh neitronov $I_{pp}$ ili vtorichnogo gamma-izlucheniya $I_{p \gamma }$ .

16. Apparatura i metody yadernoi geofiziki

16.1. Apparatura v yadernoi geofizike

16.1.1. Chuvstvitel'nye elementy dlya izmereniya radioaktivnosti.

Chuvstvitel'nye elementy (ih nazyvayut takzhe detektorami) sluzhat dlya opredeleniya intensivnosti i energeticheskogo spektra yadernyh izluchenii putem preobrazovaniya energii radioaktivnogo izlucheniya v elektricheskuyu energiyu. V apparature dlya yaderno-geofizicheskih issledovanii v kachestve chuvstvitel'nyh elementov ispol'zuyut ionizacionnye kamery, schetchiki Geigera - Myullera, poluprovodnikovye detektory, scintillyacionnye schetchiki, termolyuminescentnye kristally (ris. 6.1).

Ris. 6.1. Shemy chuvstvitel'nyh elementov (detektorov) dlya priborov, ispol'zuemyh pri yaderno-geofizicheskih nablyudeniyah: 1 - ionizacionnaya kamera; 2 - schetchik Geigera - Myullera; 3 - poluprovodnikovyi kristall; 4 - scintillyacionnyi schetchik; 5 - ter-molyuminescentnyi kristall; SC - scintillyator; FEU - fotoelektronnyi umnozhitel'

V ionizacionnoi kamere nahodyatsya gaz i dva elektroda, k kotorym podvodyat napryazhenie v neskol'ko sot vol't. Pod deistviem al'fa-, beta-luchei ili vtorichnyh zaryazhennyh chastic, voznikayushih pri pogloshenii neitronov, gaz ioniziruetsya, a poluchayushiesya svobodnye elektrony i iony dvizhutsya k elektrodam. V rezul'tate v cepi voznikaet tok. Izmeryaya ego ili raznost' potencialov, mozhno opredelit' intensivnost' izluchenii, vyzyvayushih ionizaciyu.
V schetchikah Geigera - Myullera, nazyvaemyh takzhe gazorazryadnymi, v ballone pod ponizhennym davleniem nahoditsya inertnyi gaz (obychno argon dlya izmereniya gamma-luchei ili gelii dlya opredeleniya potoka neitronov) i dva elektroda pod vysokim napryazheniem (do 1000 V). Pri poyavlenii hotya by odnoi pary ionov voznikaet kratkii razryad. Pri obluchenii ballona gamma-kvantami voznikayut vtorichnye zaryazhennye chasticy (iony i elektrony) i v nem nablyudaetsya sistema razryadov v vide impul'sov toka, kotorye mozhno zafiksirovat'.
Poluprovodnikovyi detektor - tverdotelyi analog ionizacionnoi kamery. Ioniziruyushie chasticy, voznikayushie pri obluchenii detektora, sozdayut v poluprovodnike elektronno-dyrochnye pary, chto pri vozdeistvii elektricheskogo napryazheniya privodit k vozniknoveniyu toka.
Scintillyacionnyi schetchik sostoit iz scintillyatora (neorganicheskie ili organicheskie kristally, zhidkie i gazoobraznye), sposobnogo pod deistviem gamma-kvantov ispuskat' vspyshki sveta. Kvanty sveta, popadaya na fotokatod fotoumnozhitelya, vybivayut iz nego elektrony. Za schet vtorichnoi emissii i nalichiya ryada elektrodov, nahodyashihsya pod vse bol'shim napryazheniem, v fotoumnozhitele voznikaet lavinoobraznyi, uvelichivayushiisya potok elektronov. V rezul'tate na anode sobiraetsya v 10⁵ - 10¹⁰ raz bol'she elektronov, chem bylo vybito iz fotokatoda, a v cepi voznikaet elektricheskii tok.
Termolyuminescentnyi kristall (naprimer, LiF) obladaet sposobnost'yu pod deistviem ionizacii sozdavat' svobodnye elektrony, kotorye nakaplivayutsya za schet defektov kristallicheskoi reshetki kristalla i mogut dolgo hranit'sya. Takoi kristall budet ispuskat' svet, i na vyhode fotoumnozhitelya vozniknet elektricheskii tok, proporcional'nyi prinyatoi ranee doze oblucheniya.

Nazad| Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: geofizika - Zemlya - zemnaya kora Publikacii so slovami: geofizika - Zemlya - zemnaya kora
Sm. takzhe: Protivosumerechnye luchi i festival' planet Voshod Zemli: video Udarnyi krater Manikuagan: vid iz kosmosa Zemlya i Luna: vid s drugoi storony Snezhnaya burya 1938 goda v Verhnem Michigane Polet nad nochnoi Zemlei – II Apollon-17: serp Zemli Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mneniya chitatelei [5]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce