Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 5

Chia sẻ: Norther Light | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

199
lượt xem 66
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ch-ơng 5 Các ph-ơng pháp phóng xạ hạt nhân Các ph-ơng pháp phóng xạ hạt nhân có cơ sở vật lý - địa chất dựa trên các hiện t-ợng phóng xạ tự nhiên và kích thích nhân tạo trong các lớp đất đá ở thành giếng khoan. Các ph-ơng pháp phóng xạ hạt nhân đ-ợc sử dụng để nghiên cứu lát cắt địa chất không chỉ ở các giếng khoan trần (ch-a chống ống) mà ở các giếng khoan đã chống ống. Đây là -u điểm nổi bật của ph-ơng pháp này. 5.1. Cơ sở vật lý - địa chất 5.1.1....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 5

Ch−¬ng 5 C¸c ph−¬ng ph¸p phãng x¹ h¹t nh©n C¸c ph−¬ng ph¸p phãng x¹ h¹t nh©n cã c¬ së vËt lý - ®Þa chÊt dùa trªn c¸c hiÖn t−îng phãng x¹ tù nhiªn vµ kÝch thÝch nh©n t¹o trong c¸c líp ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng khoan. C¸c ph−¬ng ph¸p phãng x¹ h¹t nh©n ®−îc sö dông ®Ó nghiªn cøu l¸t c¾t ®Þa chÊt kh«ng chØ ë c¸c giÕng khoan trÇn (ch−a chèng èng) mµ ë c¸c giÕng khoan ®∙ chèng èng. §©y lµ −u ®iÓm næi bËt cña ph−¬ng ph¸p nµy. 5.1. C¬ së vËt lý - ®Þa chÊt 5.1.1. C−êng ®é phãng x¹ tù nhiªn trong ®¸ a. C¸c nguyªn tè ®ång vÞ phãng x¹ tù nhiªn C¸c ®¸ ë vá qu¶ ®Êt cã chøa c¸c nguyªn tè ®ång vÞ kh«ng bÒn v÷ng, chóng lu«n bøc x¹ ra c¸c tia α, β vµ γ. RÊt nhiÒu trong sè c¸c nguyªn tè ®ång vÞ phãng x¹ ®ã cã hµm l−îng rÊt thÊp trong ®Êt ®¸ nªn trong thùc tÕ phÇn ®ãng gãp cña chóng vµo c−êng ®é bøc x¹ tù nhiªn lµ kh«ng ®¸ng kÓ. C−êng ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn mµ ta cã thÓ ®o ®−îc chñ yÕu lµ phÇn ®ãng gãp cña c¸c nguyªn tè trong c¸c dÉy phãng x¹ Uran 238 235 232 40 ( 92 U , 92 U ),Thori ( 90 Th ) vµ ®ång vÞ phãng x¹ cña Kali ( 19 K ), ngoµi ra cßn mét l−îng nhá kh¸c nh− Rubi ( 87 Rb ) vµ c¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm kh¸c ( 138 La , 176 Lu ). 57 57 71 C¸c ®ång vÞ phãng x¹ nµy cã ®êi sèng rÊt dµi bøc x¹ phÇn chñ yÕu c¸c tia gamma tù nhiªn (B¶ng 5.1) B¶ng 5.1 K Th U Hµm l−îng t−¬ng ®èi trong vá qu¶ ®Êt ∼ 12 ppm ∼ 3 ppm 2,35% (Sè Clarke) Ho¹t tÝnh γ t−¬ng ®èi cña ®¬n vÞ träng 1 1300 3600 l−îng cña nguyªn tè 4,4.109 (238U) 1,3.109 1,4.1010 Chu kú b¸n r∙ (n¨m) 7,1.108 (235U) Kali khi ph©n r∙ cã 11% sè ph©n r∙ b¾n ra gamma ®Ó biÕn thµnh argon 40Ar lµ nguyªn tè bÒn v÷ng. V× thÕ Kali chØ cã mét phæ n¨ng l−îng gamma ®¬n 1,46MeV. C¸c qu¸ tr×nh ph©n r∙ phøc t¹p h¬n gÆp ë c¸c nguyªn tè Uran vµ Thori hîp thµnh d∙y ®ång vÞ. Mét sè nguyªn tè trong c¸c d∙y nµy cã bøc x¹ ra tia gamma tù nhiªn (chi tiÕt xem gi¸o tr×nh th¨m dß phãng x¹). Trong ®iÒu kiÖn giÕng khoan, c¸c tia phãng x¹ α vµ β cã kh¶ n¨ng ®©m xuyªn kÐm nªn dÔ dµng bÞ hÊp thô hoµn toµn chØ cßn l¹i tia γ. 112
Tia gamma cã b¶n chÊt lµ bøc x¹ sãng ®iÖn tö (foton) cã thÓ ë d¹ng riªng rÏ (tia γ b¾n ra tõ ®ång vÞ 40K) hoÆc ph¸t x¹ cïng víi c¸c tia α vµ β. Tia gamma cã kh¶ n¨ng ®©m xuyªn lín nªn hay ®−îc ®o vÏ trong giÕng khoan. Trong m«i tr−êng ®Êt ®¸, tia γ cã thÓ bÞ khóc x¹, ph¶n x¹ vµ nhiÔu x¹. N¨ng l−îng cña chóng thay ®æi trong kho¶ng réng 0,0019 - 9MeV. b) Ho¹t tÝnh phãng x¹ tù nhiªn cña c¸c ®¸ Ho¹t tÝnh phãng x¹ cña c¸c ®¸ phô thuéc vµo thµnh phÇn kho¸ng vËt vµ nguån gèc cña ®¸. C¸c ®¸ x©m nhËp ph©n biÖt nhau theo møc ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn. C¸c ®¸ cã thµnh phÇn axit (granit, granodiorit, ) cã c−êng ®é phãng x¹ cao h¬n c¶ v× cã chøa Kali vµ c¸c nguyªn tè trong d∙y U, Th. Feldspat vµ Mica lµ c¸c kho¸ng vËt cã mÆt nhiÒu trong ®¸ macma chøa nhiÒu K, trong ®ã cã thÓ cã tíi 0,02% lµ ®ång vÞ 40K. C¸c ®¸ baz¬ vµ siªu baz¬ cã ®é phãng x¹ gamma tù nhiªn thÊp nhÊt. C¸c ®¸ trÇm tÝch lµ s¶n phÈm phong ho¸ tõ ®¸ macma cã ®é phãng x¹ tù nhiªn kh¸c nhau. NÕu s¶n phÈm bµo mßn phong ho¸ tõ ®¸ axit, c¸c ®ång vÞ phãng x¹ cã ®é linh ®éng cao sÏ tÝch tô ë nh÷ng n¬i nhÊt ®Þnh. Th¹ch anh- mét trong nh÷ng kho¸ng vËt chÝnh cña ®¸ axit sÏ kÕt tinh ë d¹ng s¹ch vµ kÕt thµnh ®¸ c¸t cã ®é phãng x¹ tù nhiªn thÊp. Feldspat vµ mica lµ c¸c kho¸ng vËt cã chøa nhiÒu K nªn dÔ bÞ hÊp phô bëi c¸c kho¸ng vËt sÐt, v× vËy mµ sÐt th−êng cã ®é phãng x¹ cao. C−êng ®é phãng x¹ tù nhiªn cao ë c¸c líp sÐt còng cßn v× c¸c nguyªn nh©n kh¸c n÷a. Trong qu¸ tr×nh l¾ng ®äng, sÐt hÊp phô c¸c ion cña c¸c nguyªn tè ®ång vÞ phãng x¹ cã trong c¸c x¸c ®éng vËt cÊp thÊp. C¸c sÐt bÞ bitum ho¸, cã thÓ chøa tíi 0,01% Uran hay Thori. C−êng ®é phãng x¹ trong tr−êng hîp nµy lµ do sù tÝch tô c¸c ®ång vÞ phãng x¹ cña c¸c d∙y Uran vµ Thori khi cã c¸c chÊt keo sinh ra tõ vËt chÊt h÷u c¬. C¸c ®¸ cacbonat (v«i, dolomit, ) cã ®é phãng x¹ thÊp nhÊt. ë c¸c ®íi x¶y ra qu¸ tr×nh dolomit ho¸ do t¸c ®éng cña n−íc d−íi ®Êt ta thÊy cã sù t¨ng nhÑ ®é phãng x¹ tù nhiªn do cã mét l−îng nhá c¸c ®ång vÞ phãng x¹ cã s½n trong n−íc. C¸c ®¸ c¸t kÕt vµ cacbonat cã sè ®o ®é phãng x¹ tù nhiªn t¨ng dÇn theo hµm l−îng sÐt chøa trong ®¸. DÞ th−êng phãng x¹ tù nhiªn cã thÓ cao trong tr−êng hîp trong ®¸ cã hµm l−îng c¸c chÊt phãng x¹ nh− c¸t chøa monazit vµ ®¸ v«i chøa Uran. Biªn ®é cña dÞ th−êng thËm chÝ lín h¬n c¶ khi c¸t kÕt chøa glauconit. Than vµ c¸c líp ®¸ thuû ho¸ (th¹ch cao, anhydrit, muèi má) cã ®é phãng x¹ tù nhiªn thÊp nhÊt. ChØ khi c¸c ®¸ thuû ho¸ cã kÌm theo c¸c muèi Kali (Sinvin, carnalit, kaimit, langbeinit, polyhalit) th× míi cã ®é phãng x¹ tù nhiªn cao. Trong mét sè tr−êng hîp, c¸c m¹ch n−íc d−íi s©u cã nång ®é kho¸ng hoµ tan cã tÝnh phãng x¹ ®−a lªn c¸c líp gÇn mÆt ®Êt vµ ë ®ã xuÊt hiÖn dÞ th−êng phãng x¹ (trong thùc tÕ ®∙ gÆp tr−êng hîp ho¹t ®é phãng x¹ tíi 10-8 gRatd/lit). 113
c) §¬n vÞ ®o ®é phãng x¹ C¸c ®¬n vÞ ®o ®é phãng x¹ tù nhiªn hay dïng trong §Þa vËt lý giÕng khoan ®−îc tr×nh bµy trong b¶ng 5.2. Trong ®ã ®¬n vÞ γ API lµ ®¬n vÞ ®−îc dïng phæ biÕn B¶ng 5.2 C¸c thø nguyªn th−êng §¬n vÞ Ký hiÖu §Þnh nghÜa, néi dung dïng Lµ ®¬n vÞ ®o ho¹t ®é phãng x¹, l−îng chÊt phãng x¹ cã mCi = 3,7.107ph.r∙/s thÓ bøc x¹ tia gamma Curie Ci 3.7.1010 ph©n r∙ trong 1 µCi = 3,7.104 ph.r∙/s gi©y, t−¬ng ®−¬ng víi ho¹t ®é phãng x¹ cña 1g chÊt Ra L−îng c¸c chÊt phãng x¹ bÊt kú cã trong 1g ®Êt ®¸ cã µµRa td/g = 10-12gR td/g Gram Rat®/g®® gRa t®/g thÓ t¹o ra c−êng ®é phãng x¹ b»ng 1g Ra L−îng c¸c chÊt phãng x¹ ®o b»ng µg trong 1 tÊn ®Êt 1 µgRa t®/t = 2.8g U/T hay Microgram Ra µgRa t®/tÊn ®® ®¸ cã thÓ bøc x¹ γ t−¬ng 5.7g Th/T t®/tÊn ®® ®−¬ng víi 1 µg chÊt Radi Lµ ®¬n vÞ suÊt liÒu chiÕu. Bøc x¹ Gamma hay R¬nghen cña mét liÒu chiÕu cã kh¶ n¨ng t¹o ra trong 1cm3 kh«ng khÝ kh« ë ®iÒu µR/h = 10-6 R/h (gamma) Roentgen/giê R/h kiÖn tiªu chuÈn (0C, 760mmHg) mét sè i«n cã tæng ®iÖn tÝch b»ng 1 ®¬n vÞ ®iÖn tÝch trong 1 giê. 1/200 cña ®é lÖch gi÷a c¸c ®−êng cong Gamma trong m«i tr−êng kh«ng cã phãng x¹ vµ m«i tr−êng cã ®é γ API, GAPI γAPI (GAPI) phãng x¹ cao chøa 0,0024%Th; 0,0013U vµ 4%K bao quanh giÕng khoan chèng èng ®−êng kÝnh 51/2inch 114
5.1.2. C−êng ®é phãng x¹ nh©n t¹o hay kÝch thÝch Trong ®Þa vËt lý cã mét sè c¸c ph−¬ng ph¸p h¹t nh©n nghiªn cøu m«i tr−êng qua ®é phãng x¹ nh©n t¹o b»ng c¸ch chiÕu x¹ (b¾n ph¸) c¸c h¹t nh©n trong trong m«i tr−êng b»ng c¸c h¹t gia tèc. Sù b¾n ph¸ c¸c h¹t nh©n bÒn v÷ng b»ng c¸c h¹t gia tèc (α, β, p, d) vµ b»ng n¬tron hoÆc b»ng ph¸t x¹ gamma cã thÓ diÔn ra c¸c hiÖn t−îng sau: - Ph¶n øng h¹t nh©n d¹ng A(p, q) B hÊp thô. Trong ®ã A lµ h¹t nh©n bÞ b¾n ph¸ b»ng h¹t p vµ bÞ hÊp thô, cßn B lµ h¹t nh©n t¹o thµnh vµ ph¸t x¹ h¹t n¨ng l−îng q. VÝ dô ph¶n øng ph«ton - n¬tron: 9 Be(γ, n)8Be cã n¨ng l−îng En = 1,67 MeV. - KhuyÕch t¸n cña c¸c h¹t dïng ®Ó b¾n ph¸ phô thuéc vµo tû sè khèi l−îng cña h¹t nh©n/khèi l−îng h¹t b¾n ph¸ vµ gãc t¹o gi÷a h−íng ban ®Çu vµ sau t−¬ng t¸c. VÝ dô n¬tron va ch¹m víi c¸c h¹t nh©n bÞ mÊt dÇn n¨ng l−îng vµ chuyÓn ®éng lÖch h−íng. §Ó gi¶m n¨ng l−îng cña mét n¬tron tõ 2MeV ®Õn 0,025eV th× n¬tron cÇn va ch¹m víi h¹t nh©n cña nguyªn tè cacbon 114 lÇn, cßn nÕu va ch¹m víi hydro th× chØ cÇn 18 lÇn th«i. N¨ng l−îng cµng thÊp th× hiÖn t−îng khuyÕch t¸n n¬tron trong m«i tr−êng cµng râ rµng. ë tr¹ng th¸i nhiÖt (En ≈ 0,025 eV) th× n¬tron lan to¶ trong m«i tr−êng theo ®Þnh luËt khuyÕch t¸n. Trong c¸c giÕng khoan th¨m dß t×m kiÕm c¸c kho¸ng s¶n kh¸c nhau (dÇu, than, quÆng, ®¸ quý, ) ng−êi ta th−êng dïng biÖn ph¸p chiÕu x¹ (b¾n ph¸) c¸c líp ®Êt ®¸ b»ng c¸c tia gamma hay chïm h¹t n¬tron ®Ó quan s¸t vµ ®o vÏ c¸c hiÖu øng do c¸c va ch¹m cña chóng víi m«i tr−êng nghiªn cøu. V× vËy, ë ®©y ta chØ giíi h¹n xÐt t−¬ng t¸c cña hai phÐp chiÕu x¹ võa nªu. T−¬ng t¸c cña c¸c tia gamma víi m«i tr−êng Khi chiÕu x¹ m«i tr−êng nghiªn cøu b»ng chïm tia gamma th× ta sÏ gÆp c¸c t−¬ng t¸c gi÷a gamma víi m«i tr−êng g©y ra ba hiÖu øng quan träng sau ®©y: a) HiÖu øng quang ®iÖn: Trong hiÖu øng nµy ph«t«n l−îng tö gamma tíi va ch¹m kh«ng ®µn håi víi nguyªn tö mµ nã gÆp trªn ®−êng ®i. khi va ch¹m nguyªn tö bÞ giËt lïi mét chót cßn l−îng tö gamma bÞ mÊt mét phÇn n¨ng l−îng. PhÇn n¨ng l−îng Êy lµm nguyªn tö chuyÓn sang mét tr¹ng th¸i kÝch thÝch vµ nguyªn tö sÏ mÊt tr¹ng tr¹ng th¸i kÝch thÝch b»ng c¸ch ph¸t ra mét electron quü ®¹o (th−êng lµ electron ë vµnh k) (h×nh 5.1) cã thÓ biÓu diÔn n¨ng l−îng häc toµn phÇn b»ng ph−¬ng tr×nh quang ®iÖn sau: T = hν -βe (5.1) Trong ®ã: T lµ ®éng n¨ng cña electron ph¸t ra gäi lµ “quang ®iÖn tö”. hν lµ n¨ng l−îng cña l−îng tö gamma tíi. βe lµ n¨ng l−îng liªn kÕt cña quang electron. 115
Xung l−îng biÓu thÞ ë h×nh 5.1 ®−îc b¶o toµn theo c¸ch toµn bé phÇn nguyªn tö hν Nguyªn tö cßn l¹i bÞ giËt lïi. Photon tíi H∙y chó ý x¸c suÊt ®Ó qu¸ tr×nh hÊp thô quang ®iÖn x¶y ra vµ v× cÇn thiÕt ®−a thªm c¸c ®Þnh nghÜa vÒ sè h¹ng aτ cm2 lµ e- quang electron tiÕt diÖn trªn mçi nguyªn tö ®èi víi hiÖu øng quang ®iÖn. Sè h¹ng aτ thay ®æi rÊt râ H×nh 5.1. BiÓu diÔn s¬ l−îc qu¸ tr×nh rÖt theo n¨ng l−îng cña l−îng tö gamma tíi, quang ®iÖn còng nh− nguyªn tö sè Z cña chÊt hÊp thô. Thùc nghiÖm ®∙ chøng minh r»ng aτ gÇn nh− tû lÖ víi Z vµ gi¶m tû lÖ nghÞch víi hγ: Z4 aτ = = const (5.2) hγ Trong nghiªn cøu thùc tÕ ng−êi ta cßn dïngmét sè hÖ sè t¾t dÇn tuyÕn tÝnh, t−¬ng ®−¬ng víi x¸c suÊt trªn mçi xentimet ®Ó t−¬ng t¸c x¶y ra. HÖ sè nµy b»ng tÝch cña tiÕt diÖn aτ víi N lµ sè nguyªn tö trong mçi cm3. HÖ sè t¾t dÇn tuyÕn tÝnh τ ®èi víi hiÖu øng quang ®iÖn lµ:  Nguyª n tö  τ (cm −1 ) = N  aτ (cm ) 2 (5.2) '   3 cm Víi c¸c biÓu thøc trªn, ta cã thÓ t×m sù biÕn thiªn cña τ trong kho¶ng gi÷a hai chÊt hÊp phô kh¸c nhau ®èi víi l−îng tö gamma cã cïng n¨ng l−îng: 4 ρ A Z  τ1 = τ 2 1 2  1  ρ 2 A1  Z 2   Víi ρ - mËt ®é; A - nguyªn tö l−îng. VÝ dô: MËt ®é cña ch× vµ nh«m: ρPb = 11,4(g/cm3); ρAl = 2,7(g/cm3). Sè nguyªn tö Z cña chóng: 82 ; 13 Träng l−îng nguyªn tö cña chóng: 207,2 ; 27. Thay c¸c gi¸ trÞ trªn vµo biÓu thøc cuèi cïng, ta nhËn ®−îc: 4 τ Pb 11,4 * 27  82  =   = 872 τ Al 2,7 * 207  13  116
Ta b¶o: C¬ héi ®Ó mét l−îng tö gamma ®i qua mét xentimet ch× cã va ch¹m quang ®iÖn lín h¬n kho¶ng 872 lÇn so víi khi ®i qua mét xentimet nh«m. KÓ c¶ khi lÊy “trªn gam” lµm c¬ së th× v× ë cïng bÒdµy sè gam ch× nhiÒu h¬n 4 lÇn sè gam nh«m nªn ch× vÉn hiÖu qu¶ h¬n 210 lÇn nh«m trong viÖc g©y ra c¸c t−¬ng t¸c quang ®iÖn. b) HiÖu øng Compton: HiÖu øng Compton lµ va ch¹m ®µn håi gi÷a l−îng tö gamma víi mét electron tù do. L−îng tö gamma va ch¹m víi mét electron vµ t−¬ng t¸c t¹o ra mét electron n¨ng l−îng lín vµ mét photon bÞ t¸n x¹ (H×nh5.2). L−îng tö gamma tíi cã n¨ng l−îng hγ bÞ mét electron lµm t¸n x¹. KÕt qu¶ ta cã mét photon l−îng tö gamma b−íc sãng dµi h¬n hν’ vµ mét electron compton ®éng n¨ng. HÖ sè t¾t dÇn tuyÕn tÝnh σ ®èi víi qu¸ tr×nh Compton chØ phô thuéc vµo sè electron bÞ va ch¹m. Ta cã thÓ viÕt: H×nh 5.2. BiÔu diÔn qu¸ tr×nh t¸n x¹ Compton σ = N.Z.σe (5.3) Trong ®ã: N lµ sè nguyªn tö/cm3. Z lµ sè electron trªn mét nguyªn tö (nguyªn tö sè). σe lµ tiÕt diÖn cña mçi electron ®èi víi qu¸ tr×nh Compton. Gi¸ trÞ σe kh«ng phô thuéc vµo Z vµ gi¶m chËm theo n¨ng l−îng cña l−îng tö gamma. Ta biÓu diÔn biÕn thiªn cña σ trong kho¶ng gi÷a hai chÊt hÊp thô cã Z kh¸c nhau: ρ1 Z1 A2 σ1 = σ 2 * * (5.4) ρ 2 Z 2 A1 Trong ®ã: ρ lµ mËt ®é (®«i khi lµ tû träng), g/cm3. A lµ träng l−îng nguyªn tö. Mét c¸ch gÇn ®óng th« s¬, tû sè A/Z cña hÇu hÕt c¸c h¹t nh©n nguyªn tö ë vá Tr¸i ®Êt (trõ h¹t nh©n hydro) lµ mét sè gÇn nh− kh«ng ®æi. NÕu bá qua biÕn thiªn bÐ cña tû sè A/Z ë (5.4) th× hÇu nh− hÖ sè t¾t dÇn tuyÕn tÝnh sÏ tû lÖ nghÞch víi mËt ®é khèi (tû träng). §iÒu ®ã cã nghÜa lµ x¸c suÊt cña va ch¹m Compton chØ phô thuéc vµo sè gam chÊt hÊp thô mµ kh«ng phô thuéc vµo nguyªn tö sè Z cña nã. Nh− vËy, l−îng tö 117
gamma cã x¸c suÊt va ch¹m Compton ®i qua mét gam ch× gÇn gièng khi ®i qua mét gam nh«m. §iÒu ®ã kh¸c h¼n víi t−¬ng t¸c hÊp thô quang ®iÖn. c) HiÖu øng t¹o cÆp: T−¬ng t¸c quan träng thø ba cña c¸c l−îng tö gamma víi vËt chÊt lµ qu¸ tr×nh t¹o cÆp. Khi t−¬ng t¸c, gamma cã n¨ng l−îng cao (> 10MeV) th× cã t−¬ng t¸c th¼ng víi c¸c h¹t nh©n nguyªn tö. Trong tr−êng h¹t nh©n l−îng tö gamma bÞ hÊp thô hoµn toµn lµm b¾n ra mét cÆp h¹t tÝch ®iÖn tr¸i dÊu electron-pozitron (H×nh 5.3). N¨ng l−îng cña qu¸ tr×nh sÏ lµ: h ν = T− + T+ + 2m oC 2 (5.5) ë ®©y: T- vµ T+ lÇn l−ît lµ ®éng n¨ng cña electron vµ pozitron. 2m0C2 lµ n¨ng l−îng cÇn thiÕt sinh ra mét electron ®øng yªn. C¶ hai h¹t tÝch ®iÖn e- vµ e+ ®Òu sinh ra tõ n¨ng l−îng do l−îng tö gamma cung cÊp cho nªn qu¸ tr×nh chØ ®−îc phÐp vÒ mÆt n¨ng l−îng nÕu hν > 2m0C2 (tøc lµ > 1,02MeV). TiÕt diÖn trªn mçi nguyªn tö ®èi víi qu¸ tr×nh t¹o cÆp aK t¨ng tû lÖ víi Z2 vµ víi loga cña n¨ng l−îng hν. HÖ sè t¾t dÇn tuyÕn tÝnh K lµ NaK vµ H×nh 5.3. BiÓu diÔn qu¸ tr×nh t¹o cÆp ta cã thÓ viÕt biÕn thiªn trong kho¶ng trong tr−êng h¹t nh©n gi÷a c¸c chÊt hÊp thô cã Z kh¸c nhau: 2 ρ A Z  K1 = K 2 1 * 2  1  (5.6) ρ 2 A1  Z 2   X¸c suÊt cña mét t−¬ng t¸c t¹o cÆp t¨ng chËm theo n¨ng l−îng cña tia gamma tíi vµ t¨ng tuyÕn tÝnh víi Z2. d) HÖ sè hÊp thô toµn phÇn: Trong thùc tÕ, c¶ ba qu¸ tr×nh quang ®iÖn, Compton vµ t¹o cÆp ®ång thêi cã thÓ x¶y ra vµ g©y ra ba hiÖu øng t−¬ng øng. V× vËy, ta cÇn ®¸nh gi¸ t¸c ®éng ®ång thêi cña c¶ ba qu¸ tr×nh Êy. H∙y h×nh dung trong mét m« h×nh ®¬n gi¶n: Mét chïm hÑp tia gamma kh«ng ®¬n n¨ng ®i xuyªn qua mét tÊm ch¾n hÊp thô cã bÒ dµy x. H∙y tÝnh x¸c suÊt ®èi víi c¸c qu¸ tr×nh riªng lÎ hay tæng hîp chóng nh− thÕ nµo ®Ó thu ®−îc biÓu thøc cho hiÖu øng toµn phÇn. X¸c suÊt cña t−¬ng t¸c quang ®iÖn trªn ®o¹n ®−êng ®©m xuyªn dx lµ τdx. VËy cã thÓ nãi r»ng x¸c suÊt kh«ng t−¬ng t¸c quang ®iÖn ë kho¶ng c¸ch x sÏ lµ e-τx. Còng nh− vËy ta cã x¸c suÊt kh«ng cã va ch¹m Compton lµ e-σx t−¬ng tù kh«ng cã sinh cÆp lµ e-kx. X¸c suÊt ®Ó tia gamma kh«ng cã bÊt kú lo¹i t−¬ng t¸c nµo b»ng tÝch cña ba x¸c suÊt nãi trªn: 118
X¸c suÊt sèng sãt cña tia gamma = e -( k +σ+τ ) = e −µx x (5.7) ë ®©y: µ = (k+σ+τ)/cm §¹i l−îng µ gäi lµ hÖ sè hÊp thô tia gamma cña m«i tr−êng vËt chÊt (cã t¸c gi¶ gäi lµ hÖ sè t¾t dÇn). HÖ sè hÊp thô µ lµ x¸c suÊt ®Ó l−îng tö gamma cã mét t−¬ng t¸c víi mçi xentimet trªn ®−êng ®i. Nh− vËy, µdx lµ x¸c suÊt cña mét t−¬ng t¸c khi ®i qua qu∙ng ®−êng dx cña chÊt hÊp thô. Tõ (5.7) ta biÓu thÞ c−êng ®é chïm tia gamma I xuyªn qua chÊt hÊp thô nh− sau: I = I 0 e − µx (5.8) Trong ®ã, I0 lµ c−êng ®é chïm tia gamma khi míi b¾t ®Çu ch¹m vµo tÊm ch¾n (x=0). H×nh 5.4 cho ta thÊy tÇm quan träng (tÝnh tréi) t−¬ng ®èi cña ba lo¹i t−¬ng t¸c cña tia gamma trong miÒn n¨ng l−îng cña nã. ë ®©y, Z cña chÊt hÊp thô ®−îc biÓu thÞ nh− mét hµm loga cña hγ. C¸c gi¸ trÞ Z vµ hγ trªn ®−êng biªn σ = τ vµ σ = k øng víi c¸c tr−êng hîp hai hiÖu øng l©n cËn ®óng b»ng nhau. Trªn h×nh 5.4 cho thÊy ë vïng n¨ng l−îng tõ 0,5 ®Õn 5MeV cña tia gamma, hiÖu øng compton lµ tréi h¬n ®èi víi m«i tr−êng hÊp thô. ë miÒn n¨ng l−îng < 0,5MeV th× hiÖu øng quang ®iÖn tréi h¬n, nhÊt lµ ®èi víi c¸c nguyªn tè cã sè Z cao (nguyªn tè nÆng). ë miÒn n¨ng l−îng cao > 5MeV th× H×nh 5.4. TÇm quan träng t−¬ng ®èi cña ba lo¹i tÝnh tréi thuéc vÒ qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c chÝnh cña tia γ t¹o cÆp. 5.1.3. MËt ®é electron vµ mËt ®é khèi MËt ®é electron lµ sè electron trong mét xentimet khèi. §èi víi ®a sè c¸c nguyªn tè cã mÆt trong c¸c kho¸ng vËt t¹o ®¸ ë vá Qu¶ ®Êt th× tû sè gi÷a sè electron cña mét nguyªn tö (nguyªn tö sè Z) vµ khèi l−îng nguyªn tö A cña chÝnh nã lµ mét sè gÇn nh− kh«ng ®æi xung quanh gi¸ trÞ 0,5. B¶ng 5.3 sau ®©y sÏ thÓ hiÖn ®iÒu nhËn xÐt trªn. Theo kÕt qu¶ ë b¶ng 5.3 cho thÊy, mËt ®é electron tû lÖ víi mËt ®ékhèi. Víi mét ®é chÝnh x¸c kh«ng nhá, mèi quan hÖ tû lÖ ®ã ®−îc x¸c ®Þnh: Z ne = N 0   * ρ (5.9)  A 119
B¶ng 5.3 Ký Khèi l−îng Tû sè Nguyªn Khèi l−îng Tû sè Nguyªn tè Ký hiÖu hiÖu n.tö (A) Z/A tè n.tö (A) Z/A Oxy O 16.0 0.500 Kali K 39.102 0.487 Nit¬ N 14.007 0.500 Natri Na 23.00 0.479 Cacbon C 12.011 0.499 Clore Cl 35.45 0.479 Canxit Ca 40.011 0.499 S¾t Fe 55.55 0.466 L−u huúnh S 32.06 0.499 Nh«m Al 26.98 0.482 Silic Si 28.08 0.498 Barit Ba 137.34 0.407 Magiª Mg 24.312 0.495 Trong ®ã: N0 lµ sè Avogadro [N0 = 6.03.1023(mol.gr)-1] ρ lµ mËt ®é khèi. ne lµ mËt ®é electron (®é dµy ®Æc electron). Trong nghiªn cøu ng−êi ta hay dïng mét ®¹i l−îng kh¸c gäi lµ chØ sè mËt ®é electron ρe: Z 2ne ρe = = 2  * ρ (5.10) N0  A Trong ph−¬ng tr×nh (5.10), ρ ®−îc x¸c ®Þnh nh− lµ mËt ®ékhèi thùc cña m«i tr−êng ®¬n chÊt. §èi víi ®¸ lµ hîp chÊt ph©n tö, chØ sè mËt ®é electron ®−îc tÝnh: ∑ * ρ  Z ρ e = 2 (5.11)  mol.W   t ë ®©y: ΣZ lµ tæng c¸c nguyªn tö sè cña c¸c nguyªn tè t¹o nªn ph©n tö (b»ng sè electron trong ph©n tö). Mol.Wt lµ träng l−îng ph©n tö. T−¬ng t¸c cña n¬tron víi m«i tr−êng vËt chÊt 120
VÒ ®¹i thÓ, n¬tron t−¬ng t¸c víi c¸c h¹t nh©n trong m«i tr−êng ë hai d¹ng: t¸n x¹ (khuyÕch t¸n) vµ hÊp thô (b¾t gi÷), tuú thuéc vµo n¨ng l−îng cña h¹t nh©n bia. Theo n¨ng l−îng cña c¸c n¬tron, ng−êi ta chia chóng thµnh c¸c nhãm sau: - N¬tron nhanh, En > 10KeV. - N¬tron trung gian, En = 100eV-100KeV. - N¬tron trªn nhiÖt, En = 0,025 eV-100 eV. N¬tron nhiÖt, En ≤ 0,025eV. - Sù t¸n x¹ ®−a ®Õn kÕt qu¶ lµm gi¶m n¨ng l−îng vµ thay ®æi h−íng ®i cña c¸c n¬tron, cßn hÊp thô lµ qu¸ tr×nh trong ®ã n¬tron bÞ h¹t nh©n b¾t gi÷ ®Ó t¹o thµnh mét h¹t nh©n phøc hîp cã cïng sè Z vµ khèi l−îng th× t¨ng thªm 1 ®¬n vÞ (A+1). Nãi chung, c¸c n¬tron ®Òu cã thÓ bÞ b¾t gi÷ bëi c¸c h¹t nh©n ë mäi cÊp n¨ng l−îng, nh−ng x¸c suÊt ®Ó n¬tron nhanh bÞ b¾t gi÷ nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi n¬tron trªn nhiÖt vµ n¬tron nhiÖt. Trong §Þa vËt lý giÕng khoan th−êng dïng c¸c nguån ph¸t ra n¬tron cã n¨ng l−îng cao nh− nhãm n¬tron nhanh. Chóng cã thÓ bÞ b¾t gi÷ rÊt dÔ dµng khi møc n¨ng l−îng chØ cßn kho¶ng 0,025eV sau qu¸ tr×nh bÞ lµm chËm. Th«ng th−êng h¹t nh©n b¾t gi÷ mét n¬tron th× t¹o thµnh h¹t nh©n míi. C¸c h¹t nh©n phøc hîp nµy th−êng ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch vµ chóng sÏ mÊt kÝch thÝch b»ng c¸ch ph¸t x¹ l−îng tö gamma. Phæ n¨ng l−îng cña tia gamma ph¸t x¹ trong tr−êng hîp nµy rÊt ®Æc tr−ng cho c¸c h¹t nh©n phøc hîp võa ®−îc t¹o thµnh. Dùa vµo ®Æc tr−ng nµy ta cã thÓ nhËn biÕt sù cã mÆt cña mét sè nguyªn tè trong m«i tr−êng nghiªn cøu. Cã thÓ kÓ ®Õn mét sè vÝ dô vÒ ph¶n øng b¾t gi÷ kÌm theo ph¸t x¹ l−îng tö gamma sau ®©y: H + 01n → 1 H + γ 1 2 1 59 1 60 27 Co + 0 n → 27 Co + γ Al + 01n → 13 Al + γ 27 28 13 Na + 01n → 11 Na + γ 23 24 11 Nh÷ng t−¬ng t¸c b¾t gi÷ lo¹i nµy lµ c¬ së cña ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu l¸t c¾t giÕng khoan: Ph−¬ng ph¸p n¬tron - gamma hay dïng trong tæ hîp cïng víi ph−¬ng ph¸p c−êng ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn. T¸n x¹ lµ d¹ng t−¬ng t¸c quan träng cña n¬tron trong m«i tr−êng vËt chÊt. Sau mçi va ch¹m víi h¹t nh©n, c¸c n¬tron mÊt bít n¨ng l−îng vµ chuyÓn ®éng lÖch h−íng so víi h−íng ban ®Çu. Do chuyÓn ®éng lÖch h−íng sau mçi lÇn va ch¹m nªn n¬tron khuyÕch t¸n lan to¶ vµ chuyÓn ®éng chËm h¬n trong m«i tr−êng. C¸c va ch¹m lµm chËm (h∙m) n¬tron cã hai h×nh thøc: Va ch¹m ®µn håi vµ va ch¹m kh«ng ®µn håi. 121
+ Va ch¹m ®µn håi hay còng gäi lµ t¸n x¹ ®µn håi lµ kiÓu va ch¹m kh«ng g©y ph¸t x¹ mµ chØ ®¬n gi¶n nh− s¹ va ch¹m cña hai qu¶ bi-a. NÕu n¬tron lµ qu¶ bi-a thø nhÊt vµ h¹t nh©n lµ qu¶ bi-a thø hai th× c©n b»ng n¨ng l−îng sau c¸c va ch¹m cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc tõ sù b¶o toµn ®éng n¨ng cña xung l−îng. Cã thÓ biÓu thÞ sù c©n b»ng n¨ng l−îng sau mçi va ch¹m b»ng nh÷ng hÖ thøc ®¬n gi¶n. N¨ng l−îng E cña n¬tron sau va ch¹m ®−îc tÝnh theo n¨ng l−îng E0 cña chÝnh nã tr−íc lóc va ch¹m vµ gãc t¸n x¹ ϕ: M 2 + 2M cos ϕ + 1 E= E0 (5.12) (M + 1)2 Trong ®ã: M lµ khèi l−îng cña h¹t nh©n bi-a. Khi ϕ = π th× E trë nªn rÊt nhá: 2  M −1  E0 = α E0 = E min (5.13)  M +1 N¨ng l−îng tiªu hao ®−îc tÝnh nh− sau: ∆E max = E 0 − E min = (1 − α )E 0 (5.14) NÕu h¹t nh©n bia lµ hydro (M=1) th× ta cã: 2  M −1 α =  =0 (5.15)  M + 1 Khi ®ã ∆E = E0, nghÜa lµ n¬tron sÏ mÊt toµn bé n¨ng l−îng mçi khi va ch¹m víi hydro. Trong khi ®ã cã thÓ tÝnh ®−îc, nÕu va ch¹m víi Oxy vµ Silic th× n¬tron chØ mÊt 11vµ 6% n¨ng l−îng E0. §iÒu nµy cho thÊy hydro lµ h¹t nh©n cã tiÕt diÖn t¸n x¹ ®µn håi lín nhÊt trong sè c¸c nguyªn tè th−êng gÆp. Nh− vËy, n¬tron kh«ng cã c¬ héi ®Ó ®i xa trong m«i tr−êng giµu hydro nh−: dÇu, n−íc, dung dÞch khoan. + Va ch¹m kh«ng ®µn håi: Va ch¹m hay t¸n x¹ kh«ng ®µn håi lµ lo¹i ph¶n øng ng−ìng. N¨ng l−îng ng−ìng Eng gi¶m cïng víi sù t¨ng khèi l−îng h¹t nh©n M (tõ n.102 KeV ®èi víi c¸c h¹t nh©n nhÑ vµ 102 ®èi víi c¸c h¹t nh©n nÆng). V× vËy, t¸n x¹ kh«ng ®µn håi chñ yÕu x¶y ra ®èi víi c¸c n¬tron nhanh vµ ®Æc biÖt víi h¹t nh©n nÆng. Lý thuyÕt còng chøng minh tiÕt diÖn t¸n x¹ kh«ng ®µn håi phô thuéc vµo n¨ng l−îng cña n¬tron (En). 122
Khi t¨ng n¨ng l−îng cña n¬tron, chiÒu dµi b−íc sãng n¬tron trë thµnh rÊt nhá bÐ so víi kÝch th−íc h¹t nh©n vµ tiÕt diÖn t−¬ng t¸c sÏ xÊp xØ b»ng diÖn tÝch h×nh häc cña h¹t nh©n (πR2), (R lµ b¸n kÝnh h¹t nhËn). LÊy chiÒu dµi b−íc sãng n¬tron lµ λ th× b¸n kÝnh hiÖu dông cña mçi va ch¹m sÏ lµ (R+λ). Khi ®ã, tiÕt diÖn t¸n x¹ toµn phÇn σtx ®−îc tÝnh: σ tx = 2π (R + λ )2 ( 5.16 ) Trong ph−¬ng tr×nh (5.16) cã nh©n víi hÖ sè 2 v× ë ®©y cã tÝnh ®Õn c¶ hiÖn t−îng t¸n x¹ nhiÔu x¹. - Thùc nghiÖm ®∙ chøng minh trong miÒn n¨ng l−îng cña n¬tron tõ 2 ®Õn 4 MeV, gi¸ trÞ tiÕt diÖn va ch¹m kh«ng ®µn håi cña mäi h¹t nh©n, trõ c¸c h¹t nh©n cã sè nuclon l¹, ®Òu t¨ng dÇn theo khèi l−îng theo luËt A2/3. - Trong vïng n¨ng l−îng 1 MeV tiÕt diÖn va ch¹m kh«ng ®µn håi l¹i thay ®æi m¹nh tõ nhãm h¹t nh©n nµy ®Õn nhãm h¹t nh©n kh¸c. Sù phô thuéc gi¶n ®¬n gi÷ σtx víi khèi l−îng chØ cßn rÊt Ýt. Trong khi ®ã, víi c¸c h¹t nh©n cã sè nuclon d− thõa th× l¹i cã tiÕt diÖn va ch¹m kh«ng ®µn håi nhá nhÊt. §èi víi c¸c n¬tron cã n¨ng l−îng cao (1,4 MeV) cã tíi 90% c¸c nhãm n¬tron t¸n x¹ cã ph©n bè gãc thùc tÕ kh«ng ph©n biÖt víi m«i tr−êng ®¼ng h−íng. NÕu kh«ng tÝnh ®Õn c¸c t−¬ng t¸c trùc tiÕp th× qu¸ tr×nh t¸n x¹ kh«ng ®µn håi cña n¬tron trong m«i tr−êng bÊt kú ®Òu cã ph©n bè gãc t¸n x¹ ®¼ng h−íng. NhËn x¸t nµy rÊt quan träng trong m«i tr−êng bÊt ®ång nhÊt ë giÕng khoan. - HÊp thô b¾t gi÷ n¬tron lµ ®Æc ®iÓm cña nhiÒu h¹t nh©n. Kh¶ n¨ng ®ã thÓ hiÖn nh− lµ cã mét lùc hót gi÷a n¬tron vµ mét h¹t nh©n bÊt kú mµ nã ®Õn gÇn. Mét h¹t nh©n bia bÊt kú cã mét x¸c suÊt nhÊt ®Þnh ®Ó b¾t gi÷ n¬tron n»m trong tÇm t¸c dông cña lùc h¹t nh©n. X¸c suÊt b¾t ®−îc mét n¬tron tû lÖ víi kho¶ng thêi gian mµ n¬tron n»m trong tÇm t¸c dông cña lùc h¹t nh©n. §iÒu nµy trªn thùc tÕ th−êng xuyªn x¶y ra. X¸c suÊt chiÕm gi÷ ®−îc mét n¬tron cña mét nguyªn tè nµo ®ã tû lÖ víi tiÕt diÖn ®Ó nguyªn tè nµy cã thÓ cßn b¾t gi÷ ®−îc n¬tron trong miÒn n¨ng l−îng nhiÖt vµ phô thuéc vµo mËt ®é dµy ®Æc cña nguyªn tè ®ã trong m«i tr−êng nghiªn cøu. V× thÕ trong nghiªn cøu ng−êi ta ®ång nhÊt thuËt ng÷ x¸c suÊt chiÕm gi÷ víi tiÕt diÖn hÊp thô n¬tron cña m«i tr−êng ®Êt ®¸. TiÕt diÖn hÊp thô n¬tron cña nhiÒu h¹t nh©n gi¶m tû lÖ nghÞch víi tèc ®é cña n¬tron theo luËt 1/v. Nh− vËy, x¸c suÊt ®Ó mét nuclit bÊt kú b¾t gi÷ ®−îc mét n¬tron nhiÖt bao giê còng lín h¬n ®èi víi bÇt kú mét n¬tron nhanh. §èi víi ®a sè h¹t nh©n, nhÊt lµ c¸c h¹t nh©n nÆng, cßn cã sù hÊp thô céng h−ëng. C¸c céng h−ëng nµy xuÊt hiÖn mçi khi h¹t nh©n phøc hîp ®−îc t¹o thµnh ë møc n¨ng l−îng kÝch thÝch nã. Nhê cã hÊp thô céng h−ëng ë møc n¨ng l−îng nµy mµ mét sè nucleit cã tiÕt diÖn b¾t gi÷ n¬tron nhiÖt lín mét c¸ch l¹ th−êng. Mçi ph¶n øng h¹t nh©n ®Òu cã mét kh¶ n¨ng ch¾c ch¾n nhÊn ®Þnh ®Ó ph¶n øng ®ã cã thÓ x¶y ra gäi lµ x¸c suÊt ®Ó cã ph¶n øng. X¸c suÊt nµy ®−îc ®Þnh nghÜa nh− tiÕt 123
diÖn ngang cña h¹t nh©n. BiÓu diÔn vËt lý tiÕt diÖn ngang cña h¹t nh©n lµ diÖn tÝch tiÕt diÖn ngang cña mçi h¹t nh©n bia ®−îc b¾n ph¸ bëi c¸c n¬tron. V× vËy, ë ®©y kh«ng nhÊt thiÕt b»ng tiÕt diÖn cña h¹t nh©n bëi x¸c suÊt cña ph¶n øng h¹t nh©n lµ hµm sè phô thuéc vµo n¨ng l−îng cña h¹t nh©n dïng ®Ó b¾n ph¸. Khi b¾n ph¸ m«i tr−êng nghiªn cøu b»ng c¸c n¬tron tiÕt diÖn toµn phÇn Σt cña mçi h¹t nh©n cã thÓ biÓu diÔn b»ng tæng c¸c tiÕt diÖn sau ®©y: ∑ = ∑ +∑ +∑ cop (5.17) t el nonel Trong ®ã: Σel lµ tiÕt diÖn t¸n x¹ ®µn håi. Σnonel lµ tiÕt diÖn t¸n x¹ kh«ng ®µn håi. Σcop lµ tiÕt diÖn b¾t gi÷. TiÕt diÖn b¾t gi÷ n¬tron nhiÖt lµ mét trong c¸c tham sè ®o ghi trong c¸c ph−¬ng ph¸p §Þa vËt lý h¹t nh©n nghiªn cøu l¸t c¾t giÕng khoan. C¸c qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n (lµm chËm) vµ b¾t gi÷ n¬tron trong m«i tr−êng vËt chÊt lµ c¬ së vËt lý cña c¸c ph−¬ng ph¸p n¬tron giÕng khoan. Sù kh¸c biÖt vÒ kh¶ n¨ng lµm chËm vµ b¾t gi÷ n¬tron cña c¸c ®¸ kh¸c nhau trong l¸t c¾t giÕng khoan cho ta kh¶ n¨ng nghiªn cøu cÊu tróc vµ thµnh phÇn cña chóng b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p n¬tron. C¸c d¹ng t−¬ng t¸c kh¸c cña n¬tron vµ gamma víi m«i tr−êng vËt chÊt ®−îc nghiªn cøu tû mØ ®−a l¹i nh÷ng kh¶ n¨ng lín cña c¸c ph−¬ng ph¸p §Þa vËt lý h¹t nh©n (ph−¬ng ph¸p gamma - n¬tron, kÝch ho¹t phãng x¹, n¬tron xung, ) trong nghiªn cøu c¸c giÕng khoan th¨m dß c¸c kho¸ng s¶n cã Ých kh¸c nhau: dÇu khÝ, quÆng kim lo¹i, than, n−íc d−íi ®Êt, 5.2. §Æc ®iÓm cña c¸c phÐp ®o phãng x¹ tù nhiªn vµ nh©n t¹o trong giÕng khoan Trong bÊt cø hÖ ®o phãng x¹ nµo còng cã mét c¶m biÕn phãng x¹ gßi lµ detector. Mçi detector dïng trong phÐp ®o bøc x¹ gamma tù nhiªn “nãi riªng” vµ trong c¸c phÐp ®o §Þa vËt lý h¹t nh©n nãi chung cã suÊt ®Õm kh¸c nhau. Mét tham sè quan träng thÓ hiÖn ®Æc tÝnh cña mçi detector lµ kho¶ng thêi gian nghØ gi÷a hai xung tÝn hiÖu ë ®Çu ra cña hÖ ®Õm. Kho¶ng thêi gian ®ã gäi lµ “thêi gian chÕt”. B×nh th−êng mçi xung tÝn hiÖu chØ kÐo dµi kho¶ng 2µs nh−ng thêi gian chÕt gi÷a hai xung cã khi tíi hµng chôc µs. Thêi gian chÕt cña hÖ ®Õm (®o) phô thuéc vµo trë kh¸ng thuÇn vµ trë kh¸ng c¶m cña c¸p. Ch¼ng h¹n ta cã c¸c xung ©m t¹o tõ nguån 125 - 120 volt lªn ®Çu c¸p cã ®iÖn trë 200Ω vµ ®iÖn dung 14 µF, khi ®ã thÕ tíi h¹n cÇn kho¶ng thêi gian n¹p ®ñ lµ T = RC = 200*14.10-6 ≈ 28 µs. Trong khi ®ã, xung ban ®Çu chØ cã 2µs. 124
Sai sè cã thÓ gÆp trong ®o ghi tèc ®é ®Õm xung (xung/s) cµng lín khi thêi gian ∆N = nτ . chÕt cµng dµi. X¸c suÊt gÆp sai sè do hiÖn t−îng nµy ®−îc tÝnh: P = N Trong ®ã: ∆N lµ sè xung thÊt tho¸t trong thêi gian chÕt [xung/s]. N lµ c−êng ®é bøc x¹ thùc [xung/s]. τ lµ thêi gian chÕt [s]. n = N - ∆N lµ c−êng ®é bøc x¹ ®o ®−îc [xung/s]. ∆N N − n n = nτ = N= Tõ ®ã ta cã: vµ 1 − nτ N N Nh− vËy, theo lý thuyÕt gi¸ trÞ ®o ®−îc cµng gÇn gi¸ tÞ thùc khi τ cµng nhá hoÆc chÝnh n còng nhá. Trong thùc tÕ cßn ph¶i tÝnh ®Õn ®Æc ®iÓm thèng kª cña hiÖn t−îng phãng x¹. Sè lÇn ph©n r∙ cña mét l−îng chÊt phãng x¹ nµo ®ã trong mét ®¬n vÞ thêi gian bao giê còng lµ sè thay ®æi xung quanh mét gi¸ trÞ trung b×nh N t−¬ng øng vµ cã ph©n bè chuÈn gause (H×nh 5.5). NÕu kho¶ng thêi gian quan s¸t T cµng dµi th× gi¸ trÞ trung b×nh tÝnh ®−îc cµng gÇn víi gi¸ trÞ N. Trong tÝnh to¸n lÊy mod cña ph©n bè lµ giíi h¹n ®Ó cã Ýt nhÊt 50% sè lÇn ph©n r∙ r¬i ± 0,67 N vµo kho¶ng gäi lµ giíi h¹n gÆp sai (2 NT ) 12 Gi¸ trÞ trung b×nh sè. Giíi h¹n sai sè Víi T lµ h»ng sè thêi gian cña hÖ ®o, N lµ gi¸ trÞ trung b×nh ®Æc tr−ng cho c−êng ®é phãng x¹ t¹i ®iÓm ®o trong l¸t c¾t. Râ rµng N Xung/gi©y cµng l¬n, T cµng dµi, sai sè cµng Ýt. C¸c m¸y ®o hiÖn t¹i cã h»ng sè thêi gian T = 1÷ 6 gi©y. H×nh 5.5. Sù ph©n bè sè ®o xung N th−êng gÆp trong c¸c phÐp ®o thùc tÕ thay ®æi trong kho¶ng 10 ÷ 103 xung/s. quanh mét gi¸ trÞ trung b×nh 5.3. C¸c ph−¬ng ph¸p ®o phãng x¹ nghiªn cøu giÕng khoan C¸c ph−¬ng ph¸p ®o phãng x¹ h¹t nh©n trong giÕng khoan phæ biÕn hay gÆp trong thùc tÕ x¶n suÊt bao gåm: - Ph−¬ng ph¸p ®o gamma tù nhiªn, GR. 125
- Ph−¬ng ph¸p ®o phæ gamma tù nhiªn: SGT, SGR. - Ph−¬ng ph¸p ®o gamma t¸n x¹: G-G, FDC, LDT. - Ph−¬ng ph¸p ®ång vÞ phãng x¹ gamma. - C¸c ph−¬ng ph¸p n¬tron víi nhiÒu biÕn thÓ: + Ph−¬ng ph¸p n¬tron - gamma: N-G. + Ph−¬ng ph¸p n¬tron - n¬tron: N-N; CNT. + Ph−¬ng ph¸p xung n¬tron. + Ph−¬ng ph¸p tiÕt diÖn b¾t gi÷ n¬tron nhiÖt. + Ph−¬ng ph¸p kÝch ho¹t phãng x¹. - Ph−¬ng ph¸p céng h−ëng tõ h¹t nh©n: NML. 5.3.1. Ph−¬ng ph¸p ®o bøc x¹ gamma tù nhiªn (GR) Ph−¬ng ph¸p ®o bøc x¹ gamma tù nhiªn (GR) gäi kh¸c: Carota gamma, nghÜa lµ ®o vÏ c−êng ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn ë trôc giÕng khoan ®Ó nghiªn cøu l¸t c¾t ®Þa chÊt ë thµnh giÕng khoan. Nh− ta ®∙ biÕt gi÷a c¸c ®¸, ®Æc biÖt lµ ®¸ trÇm tÝch rÊt kh¸c nhau vÒ c−êng ®é phãng x¹ gamma tù nhiªn nªn ta cã thÓ nghiªn cøu b¶n chÊt, nguån gèc ®Þa tÇng cña ®¸ theo tham sè nµy. a) S¬ ®å ®o bøc x¹ gamma tù nhiªn Khi ®o sù thay ®æi c−êng ®é bøc 5 2 3 x¹ theo chiÒu s©u giÕng khoan cã thÓ bè trÝ s¬ ®å ®o nh− h×nh 5.6. Trong m¸y giÕng 1 cã detector D, 1 - M¸y giÕng th−êng lµ èng ®Õm Geiger-Muller, tiÕp 2 - Detect¬ 3 - Bé ghi ®Õm c¸c l−îng tö gamma. Sau khi lät vµo 4 - Bé ®iÒu chÕ tÝn èng ®Õm, c¸c l−îng tö gamma t¹o thµnh hiÖu 5 - Nguån nu«i c¸c tÝn hiÖu lµ xung ®iÖn ë ®Çu ra cña m¹ch tÝch ph©n. TÝn hiÖu ®−îc khuyÕch ®¹i vµ läc råi ®−a qua c¸p lªn khèi ®iÒu 1 chÕ tÝn hiÖu 2 ë mÆt ®Êt. §Çu ra cña khèi 4 2 lµ tÝn hiÖu d−íi d¹ng hiÖu ®iÖn thÕ. Bé ghi 3 sÏ ghi tÝn hiÖu ®iÖn t−¬ng øng víi D c−êng ®é bøc x¹ gamma ë chiÒu s©u ®iÓm ®o cña m¸y giÕng (®iÓm g÷a cña detect¬ D). H×nh 5.6. S¬ ®å nguyªn t¾c ®o GR M¸y giÕng 1 ®−îc kÐo lªn tõ tõ ®ång thêi bé ghi 3 ghi ®−îc sù biÕn ®æi c−êng ®é bøc x¹ gamma theo chiÒu s©u. KÕt qu¶ ®o GR cã thÓ dÔ dµng biÓu diÔn trªn biÓu ®å t−¬ng tù : Iγ = f(h) H×nh 5.7. 126
C−êng ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn biÓu thÞ ho¹t tÝnh phãng x¹ cña c¸c ®¸ trong l¸t c¾t giÕng khoan vµ còng lµ thÓ hiÖn hµm l−îng cña ®ång vÞ phãng x¹ cña c¸c líp ®¸ ®ã. b) C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng lªn kÕt qu¶ ®o GR §−êng cong ®o ghi c−êng ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn trong giÕng khoan phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè, tr−íc hÕt ph¶i kÓ ®Õn: - C¸c líp ®Êt ®¸ trong l¸t c¾t giÕng khoan chøa c¸c nguyªn tè ®ång vÞ phãng x¹, trong ®ã quan träng nhÊt lµ U, Th vµ K. - §Æc tÝnh kü thuËt cña c¸c detector dïng trong phÐp ®o, chiÒu dµy vØa vµ vÞ trÝ t−¬ng ®èi cña detector trong giÕng khoan so víi c¸c líp ®Êt ®¸. - §−êng kÝnh thùc cña giÕng khoan, mËt ®é vµ lo¹i dung dÞch khoan. - Sè líp èng chèng, chiÒu dµy cña èng chèng vµ líp xim¨ng. H×nh 5.7. Mét thÝ dô ®−êng cong ®o vÏ GammRay vµ phæ Gamma tù nhiªn - MËt ®é cña c¸c líp ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng khoan. - Tèc ®é kÐo c¸p khi ®o ghi. TÊt c¶ c¸c yÕu tè trªn ®©y ®ång thêi ¶nh h−ëng lªn gi¸ trÞ ®o gamma tù nhiªn. Trong ph©n tÝch kÕt qu¶ ®o GR cÇn ph¶i x¸c ®Þnh xem nh÷ng yÕu tè nµo ¶nh h−ëng nhÊt lªn phÐp ®o trong tr−êng hîp cô thÓ vµ ®−a ra phÐp hiÖu chØnh t−¬ng øng. Gi¸ trÞ ®o c−êng ®é bøc x¹ gamma phô thuéc trùc tiÕp vµo qu¸ tr×nh suy gi¶m tia gamma bÞ hÊp phô trong m«i tr−êng nghiªn cøu. Sù suy gi¶m ®ã tu©n theo quy luËt h∙m mò: GR x = GR oe −µx (5.18) Trong ®ã GRx vµ GRo lµ c−êng ®é bøc x¹ gamma tr−íc vµ sau khi xuyªn qua ®o¹n ®−êng x trong m«i tr−êng nghiªn cøu cã hÖ sè hÊp thô µ(cm-1). Gi¸ trÞ hÖ sè hÊp thô µ phô thuéc vµo n¨ng l−îng cña tia gamma vµ mËt ®é khèi cña m«i tr−êng. B¶ng 5.3 lµ hÖ sè hÊp thô µ c¸c tia gamma trong c¸c m«i tr−êng kh¸c nhau. 127
B¶ng 5.3 HÖ sè hÊp thô (cm-1) trong N¨ng l−îng tia gamma (MeV) N−íc §¸ r¾n ch¾c S¾t thÐp Ch× 0.2 0.137 0.32 1.13 11.8 1.0 0.071 0.15 0.47 0.79 5.0 0.03 0.07 0.25 0.49 C¸c gi¸ trÞ hÖ sè µ trong c¸c m«i tr−êng ®èi víi c¸c tia gamma cã n¨ng l−îng kh¸c nhau dïng ®Ó tÝnh hiÖu chØnh suy gi¶m tia gamma trong dung dÞch do ®−êng kÝnh giÕng thay ®æi trong èng chèng vµ trong vµnh xim¨ng xung quanh giÕng khoan. VÝ dô, phÐp ®o víi m¸y giÕng ®Æt ®Þnh t©m (H×nh 5.6), do ®−êng kÝnh giÕng 1 (d − d o ) lµ hµnh tr×nh c¸c tia gamma tõ ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng thay ®æi, ®o¹n ®−êng x = 2 ®i qua dung dÞch ®Ó ®Õn detector. NÕu mËt ®é dung dÞch ρ = 1,2(g/cm3), cã hÖ sè hÊp thô µ = f(ρ)= 0,01(cm-1), tõ (5.18) ta tÝnh ®−îc hÖ sè hiÖu chØnh ®−êng kÝnh:  Gro  −2  = 0,5(d − d 0 ).10 ln (5.19)  Grx  C¸c hiÖu chØnh kh¸c ®èi víi èng chèng, vµnh xim¨ng còng cã c¸ch tÝnh t−¬ng tù. c) Ph¹m vi øng dông: Ph−¬ng ph¸p ®o gamma tù nhiªn trong giÕng khoan (GR) ®−îc sö dông ®Ó ph©n chia ®Þa tÇng cña c¸c líp trong l¸t c¾t, sö dông ®Ó liªn kÕt chóng ë quy m« khu vùc vµ ®Þa ph−¬ng. Do c−êng ®é phãng x¹ cµng cao khi hµm l−îng sÐt trong ®¸ cµng nhiÒu nªn ®−êng cong GR cho dÊu hiÖu tèt ®Ó ph©n biÖt c¸c líp ®¸ sÐt (tÇng sinh, tÇng ch¾n) vµ ®¸ chøa Ýt sÐt hoÆc kh«ng chøa sÐt (tÇng thÊm chøa dÇu khÝ), ph¸t hiÖn c¸c vØa than trong tËp ®¸ acgilit than Nh×n chung, c¸c phÐp ®o gamma trong giÕng khoan kh«ng bÞ ¶nh h−ëng bëi ®é kho¸ng ho¸ vµ phÐp ®o cã thÓ thùc hiÖn ®−îc trong dung dÞch gèc dÇu. V× tia gamma cã kh¶ n¨ng ®©m xuyªn cao, thËm chÝ cã thÓ ®i qua thµnh èng chèng b»ng thÐp cã chiÒu dµy 15mm, nªn ph−¬ng ph¸p GR cã thÓ ®o trong c¸c giÕng khoan ®∙ chèng èng. §©y lµ −u ®iÓm næi tréi nhÊt cña ph−¬ng ph¸p gamma so víi c¸c ph−¬ng ph¸p ®o §Þa vËt lý giÕng khoan kh¸c. C−êng ®é bøc x¹ gamma cña c¸c ®¸ chøa lôc nguyªn vµ cacbonat, kh«ng chøa kho¸ng vËt phãng x¹, tû lÖ víi hµm l−îng kho¸ng vËt sÐt trong ®¸ lµ c¬ së ®Ó ta x¸c ®Þnh hµm l−îng sÐt trong ®¸ chøa theo kÕt qu¶ ®o GR. Hµm l−îng sÐt VS tÝnh theo thÓ tÝch trong ®¸ chøa cã quan hÖ hµm sè víi tham sè ∆Jγ kh¸ chÆt chÏ: 128
GR − GRmin ∆J γ = = f (VSh ) 5.20) GRmax − GRmin Trong ®ã: GR lµ gi¸ trÞ c−êng ®é bøc x¹ gamma ®o ®−îc t¹i ®iÓm quan s¸t. GRmax, GRmin lÇn l−ît lµ c−êng ®é bøc x¹ gamma t¹i vØa sÐt vµ v¶i c¸t s¹ch. Trong tr−êng hîp l¸t c¾t kh«ng cã vØa ®¸ c¸t s¹ch, cã thÓ sö dông c¸c gi¸ trÞ GRmax, GRmin lµ c¸c gi¸ trÞ ®o ®−îc ë hai vØa ®¸ cã ®é sÐt biÕt tr−íc. Khi ®ã ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh ®é sÐt theo (5.20) gäi lµ ph−¬ng ph¸p hai vØa (tÇng) chuÈn. Quan hÖ hµm sè gi÷a tham sè ∆Jγ vµ ®é sÐt VSh th−êng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm. Trong thùc tÕ, ta gÆp mét sè ph−¬ng tr×nh thùc nghiÖm cña c¸c t¸c gi¶ kh¸c nhau: Quan hÖ tuyÕn tÝnh: VSh = ∆J γ VSh = 1,7 − 3,38 − (∆J γ + 0,7 ) 2 Clavier VSh = 0,5∆J γ (1,5 − ∆J γ ) Steiber Tuy nhiªn, v× sù cã mÆt cña c¸c kho¸ng vËt sÐt lµ mét chØ thÞ cña m«i tr−êng trÇm tÝch nªn quan hÖ hµm sè ∆J γ = f (VSh ) lµ rÊt phøc t¹p vµ kh¸c nhau gi÷a vïng nµy vµ vïng kh¸c. C¸ch ®óng ®¾n nhÊt vÉn lµ thay v× sö dông c¸c c«ng thøc thùc nghiÖm cã s½n b»ng viÖc x©y dùng quan hÖ thùc nghiÖm gi÷a c¸c tham sè ®ã cho tõng vïng cô thÓ, thËm chÝ cho tõng ph©n vÞ ®Þa tÇng kh¸c nhau. Mét øng dông quan träng kh¸c cña ph−¬ng ph¸p GR lµ trong nghiªn cøu c¸c giÕng khoan th¨m dß t×m kiÕm c¸c quÆng phãng x¹. C−êng ®é bøc x¹ gamma tù nhiªn GR cã quan hÖ trùc tiÕp víi hµm l−îng c¸c quÆng phãng x¹ trong c¸c líp ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng khoan. V× vËy, dùa vµo d¸ng ®iÖu ®−êng cong GR vµ biªn ®é dÞ th−êng trªn ®−êng cong ®ã ta dÔ dµng ph¸t hiÖn c¸c ®íi quÆng ho¸ vµ tÝnh to¸n hµm l−îng c¸c kho¸ng vËt quÆng phãng x¹ trong ®èi t−îng nghiªn cøu. Khi nghiªn cøu c¸c má muèi, ®−êng cong ®o GR ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh chiÒu dµy c¸c líp muèi vµ x¸c ®Þnh hµm l−îng muèi KCl trong má muèi. 5.3.2. Ph−¬ng ph¸p ®o phæ gamma tù nhiªn- SGR, NGS 5.3.2.1. C¬ së vËt lý - ®Þa chÊt Khi tiÕn hµnh ®o GR ta ®o c−êng ®é bøc x¹ tia gamma ph¸t x¹ tõ nh÷ng ®ång vÞ phãng x¹ cña c¸c nguyªn tè ®ång vÞ trong ba d∙y Urani, Thori vµ Kali. C¸c tia gamma ph¸t x¹ tõ c¸c ®ång vÞ cña ba d∙y võa nªu ®Òu d−íi d¹ng xung n¨ng l−îng rêi r¹c (H×nh 5.8). 129