1
8
Hình 1. Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp đo
Nơtronư Gamma.
Các phương pháp nơtron
Nhóm các phương pháp nơtron bao gồm các biến thể khác nhau, chúng đều có cơ
sở chung là dùng nguồn bắn phá môi trường nghiên cứu bằng một chùm các
nơtron nhanh và đo ghi các hiệu ứn g do kết quả của quá trình tương tác giữa các
nơtron với môi trường vật chất.
1. Phương pháp nơtron- gamma NGK
a) Cơ sở vật lý:
Bắn phá đất đá ở thành giếng khoa n bằng các hạt nơtron và đo cường độ bức xạ
gamma phát xạ từ một số nguyên tố nhất định trong đá do kết quả bắt giữ nơtron
nhiệt là nguyên tắc chung của phương pháp nơtron- gamma.
Các nơtron nhanh bắn ra từ nguồn S, va
chạm với các hạt nhân trong môi trường
các nơtron bị mất dần năng lượng và trở
thành nơtron nhiệt. Quá trình làm chậm
các nơtron nhanh để biến thành nơtron
nhiệt càng mau chóng khi trong môi
trường nghiên cứu có nhiều hạt nhân nhẹ.
Ở mức năng lượng thấp, nơtron nhiệt rất
dễ bị một số hạt nhân trong môi trường
bắt giữ. Xác suất để các nơtron nhiệt bị
bắt giữ phụ thuộc vào tiết diện bắt giữ
hiệu dụng đối với nơtron nhiệt của các
nguyên tử có trong môi trường. Sau khi
bắt giữ nơtron, hạt nhân rơi vào trạng thái
kích thích và chúng thường thoát khỏi
trạng thái này theo cách phát xạ năng lượng dưới dạng một lượng tử gamma. Các
lượng tử này còn được gọi là gamma bắt giữ để phân biệt với các Gamma Ray tự
nhiên. Một phản ứng điển hình của quá trình bắt giữ nơtron nhiệt là sự bắt giữ của
hạt nhân hydro:
2
Hình 2. Mật độ các nơtron nhiệt của nguồn Ra-Be
Lượng tử gamma sinh ra trong phản ứng trên có phổ năng lượng 2,23MeV.
b) Sơ đồ nguyên tắc:
Hình 1 là sơ đồ đo theo phương pháp nơtron và gamma bắt giữ. Trong máy giếng
(1) gồm có nguồn S phát xạ ra các
nơtron và detector D để đếm các
lượng tử gamma bắt giữ. Giữa
nguồn S và detector D có màn chì
(4) để ngăn các tia gamma không đi
thẳng từ nguồn đến detector. Tín
hiệu từ máy giếng đi theo cáp lên
mặt đất qua các ngăn điều chế tín
hiệu (2) sau đó đưa lên bộ ghi (3).
Cường độ phóng xạ gamma bắt giữ
phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố
hydro trong môi trường nghiên cứu.
Trong tự nhiên, nguyên tố này có
trong pha lỏng (dầu, nước) và pha
khí của đá. Các lưu chất này bão
hoà lấp kín trong lỗ rỗng của đá, do
đó cường độ gamma bắt giữ đo
được sẽ có quan hệ chặt chẽ với độ
lỗ rỗng Φ của thành hệ đá chứa.
Hàm lượng hydro trong dầu và nước được coi là xấp xỉ bằng nhau.
Trong khi đó hàm lượng của nguyên tố này trong pha khí thì ít hơn hẳn. Dựa vào
thực tế đó người ta có thể phân biệt được chất lưu bão hoà trong đá chứa là dầu
nước hay khí.
Mật độ các nơtron nhiệt hay cũng là cường độ phóng xạ gamma bắt giữ còn phụ
thuộc vào khoảng cách từ nguồn S đến detector D hay cũng là chiều dài của thiết
bị đo (L). Hình 2 biểu diễn sự thay đổi mật độ của các nơtron nhiệt theo kích thước
L trong các môi trường đá chứa có hàm lượng hydro khác nhau (chỉ số đường
cong).
3
Theo khoảng cách, từ gần đến xa nguồn S chia làm 3 vùng lần lượt là A, B và C
với tên gọi: Vùng gần A, vùng mù B và vùng xa C.
Trong vùng gần, mật độ các nơtron nhiệt tỷ lệ thuận với hàm lượng hydro trong
môi trường. Ở vùng xa, quan hệ này ngược lại tỷ lệ nghịch với hàm lượng hydro.
Trong vùng mù, các đường biểu diễn phân bố mật độ nơtron nhiệt cắt chéo nhau,
có nghĩa là ở đó mật độ nơtron không “nhạy” với hàm lượng hydro. Đặc điểm vừa
nêu nói lên rằng để giá trị đo cường độ gamma bắt giữ phân dị theo hàm lượng
hydro trong môi trường nghiên cứu thì ta phải chọn khoảng cách từ nguồn đến
detector rơi vào vùng gần và vùng xa, tránh vùng mù. Trong Địa vật lý giếng
khoan nhằm hạn chế ảnh hưởng của giếng khoan và phép đo có độ nhạy cao người
ta thường chọn kích thước Zond đo khoảng cách L rơi vào vùng xa (C).
Thường khoảng cách đó L ≥ 0,4m. Với kích thước Zond đo như vậy, cường độ
phóng xạ gamma bắt giữ tỷ lệ nghịch với tiết diện σ bắt giữ vĩ mô của môi trường
đối với các nơtron nhiệt. Các đá chứa nước có độ khoáng hoá cao (NaCl, KCl,) và
đặc biệt là các tập muối có tầm quan trọng trong việc bắt giữ nơtron (với phản ứng
n,γ). ở các lớp đó tiết diện bắt giữ vĩ mô tăng lên do có mặt nguyên tố Clo đối với
nơtron nhiệt (σ Cl = 33 bar). Ngoài ra, nơtron còn có thể bị bắt giữ bởi sự có mặt
của các nguyên tố bor, liti, cadmi, cobalt, mangan, vanadi,… trong đá. Khi có mặt
bor và liti trong đá thì phản ứng bắt giữ theo kiểu (n,α ):
Những phản ứng loại này (n, α ) sẽ làm giảm cường độ phóng xạ gamma bắt giữ
từ phản ứng (n, γ).
Các lượng tử gamma sinh ra do bắt giữ nơtron nhiệt có các năng lượng khác nhau.
Phần lớn các nguyên tố khi bắt giữ nơtron nhiệt thì phát ra lượng tử gamma có
năng lượng thay đổi trong phạm vi rộng từ vài phần mười đến một vài MeV, chỉ
riêng hạt nhân hydro khi bắt giữ nơtron nhiệt thì phát ra lượng tử gamma có năng
lượng 2,23 MeV và đây là phổ năng lượng đặc trưng của hạt nhân hydro khi bắt
giữ nơtron nhiệt.
4
c) Nguồn phát xạ nơtron:
Trong thực tế sản xuất người ta có thể dùng một trong hai loại nguồn phát nơtron:
Nguồn đồng vị.
Máy phát nơtron.
Các nguồn đồng vị phát xạ nơtron phổ biến là dùng cá c đồng vị Ra, Po, Pu hoặc
Am ở dạng bột trộn lẫn với bột Be. Các đồng vị Ra , Po, Pu và Am phân rã bắn ra
tia α (Heli). Các hạt α này bắn vào các hạt nhân Be gây phản ứng hạt nhân.
Các nơtron sinh ra từ phản ứng (5.31) có năng lượng từ 1 MeV đến 13 MeV trong
đó tập trung nhất là các nơtron có năng lượng trong khoảng 3,2 - 5.0 MeV. Nguồn
Ra- Be cóưu điểm là luồng nơtron ổn định vì chu kỳ bán rã của Radi là 1620 năm
nhưng cũng có nhược điểm là có phông phóng xạ gamma lớn, không lợi cho phép
đo nơtron- gamma.
Nguồn Po- Be phát ra các nơtron với phông gamma không đáng kể nhưng có
nhược điểm là chu kỳ bán rã ngắn (TPo = 140 ngày) nên nguồn cần được chuẩn lại
theo định kỳ.
Nguồn Pu- Be và Am- Be phát luồng nơtron kèm với phông gamma thấp, có chu
kỳ bán rã dài (T Pu = 24300 năm và T Am = 458 năm) là nguồn lý tưởng sử dụng
trong Địa vật lý giếng khoan. Các nguồn này phát luồng nơtron khá ổn định.
Nguồn Californium (252 Cf) là nguồn đồng vị được dùng phổ biến hiện nay cả
trong thực nghiệm ở phòng thí nghiệm lẫn trong đo giếng khoan. Đồng vị 252 Cf
tự phân rã phát ra nơtron gần đơn năng và với luồng nơtron lớn hơn các nguồn
khác (1 Curie chất Cf sẽ phát ra luồng 4,4.10-9 nơtron/s). Nguồn này có ưu điểm là
kích thước rất bé (gần như nguồn điểm), phát luồng nơtron ổn định. Trong khi đo
kích hoạt phóng xạ người ta hay dùng nguồn Californium vì nó có luồng phát
nơtron gần như không đổi. Chu kỳ bán rã của đồng vị Cf tương đối ngắn (TCf =
265 năm) so với các nguồn khác Am-Be, Pu-Be là các nguồn được dùng trong các
phép đo nơtron bình thường. Các nơtron phát ra từ nguồn Cf có năng lượng tương
đối thấp (En = 2,3MeV) nhưng gần đơn năng. Khi thực hiện phương pháp nơtron-
5
Hình 3. Sơ đồ nguyên tắc của một máy phát nơtron
gamma thường dễ bị ảnh hưởng của cường độ bức xạ gamma tự nhiên (GR). Để
tránh ảnh hưởng đó, người ta thường chọn cách dùng nguồn nơtron có công suất
lớn để trường phóng xạ gamma bắt giữ lớn gấp hàng chục lần trường GR. Nếu
chiều dài L = 50 cm thì dùng nguồn từ 2-4Ci .
Máy phát nơtron:
Máy phát nơtron dùng trong Địa vật lý giếng khoan là một ống gia tốc hạt kiểu
Van de Graff có kích thước nhỏ, phát ra các nơtron nhờ phản ứng hạt nhân giữa
các đồng vị hydro nặng deuterium và tritium
Trong phản ứng này tạo ra một nguyên tử Helium (hạt α ) và một nơtron đơn năng
có năng lượng lớn (14 đến 15 MeV).
Sơ đồ nguyên tắc của một máy phát nơtron được trình bày trong hình 3
Trong ống gia tốc bằng
thuỷ tinh (1) chứa nguồn
deuteri (2) (Sợi dây tóc
bằng Titan có tẩm
deuteri). Khi sợi Titan bị
đốt nóng trong ống chứa
deuteri dưới áp suất 10-2
đến 10-3 atm, catot của
đèn (3) bắn ra các
electron. Các điện tử này chuyển động chạm vào thành ống (4) tích điện dương,
trên đường di chuyển chúng làm ion hoá các nguyên tố deuteri. Các ion này được
gia tốc lên nhờ có ống dây (7) - cấu tạo bởi các vòng quấn và có từ tính không đổi.
Trên đường đi, các ion được hội tụ lại bởi lưới hội tụ (5) để hướng tới bia tritium
(6) với năng lượng đủ lớn để tạo phản ứng tổng hợp ra Heli đồng thời làm bắn ra
các nơtron cực nhanh.
Các loại máy phát hay sử dụng trong sản xuất làm việc theo chế độ xung và cho
thông lượng nơtron cỡ 2,5.10^7 n/s. Ngoài ra còn có các kiểu máy phát nơtron