Phương pháp gamma mật độ (GG) là phương pháp phóng xạ nhân tạo nghiên cứu lát cắt lỗ khoan dựa trên nguyên tắc đo trường gamma tán xạ nên còn gọi là phương pháp gamma tán xạ. Khác với phương pháp GR ở chỗ những phương pháp này trực tiếp đo cường độ bức xạ của các tia phóng xạ gamma, còn phương pháp GG đo cường độ bức xạ của tia gamma sau khi tương tác với đất đá.
Phương pháp gamma – gamma là chiếu chùm tia gamma vào đất đá để đo tia gamma tán xạ (mất bớt năng lượng) tương tác với môi trường.
Trong phương pháp này, người ta dùng thiết bị thả vào lỗ khoan, trong đó có nguồn phát tia gamma và ống thu tia gamma tán xạ. Các tia gamma phát ra từ nguồn sau một quá trình tán xạ trong đất đá sẽ trở lại ống thu và được ghi lại. Tia gamma bức xạ từ nguồn ra, trong quá trình tương tác với đất đá sẽ xảy ra ba hiệu ứng: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp.
Hiệu ứng quang điện: Trong hiệu ứng này photon lượng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử mà nó gặp phải trên đường đi. Khi va chạm nguyên tử bị giật lùi một chút còn lượng tử gamma truyền toàn bộ năng lượng cho nguyên tử và biến mất, năng lượng ấy làm nguyên tử chuyền sang một trạng thái kích thích và nguyên tử sẽ mất trạng thái kích thích bằng cách phát ra electron quỹ đạo.
30 Phương trình quang điện:
T = h - e (2.1) Trong đó:
T: Động năng mới của electron sau khi trở thành quang electron. h: Năng lượng của lượng tử gamma tới.
e: Năng lượng liên kết của electron trước khi trở thành quang electron
Hiệu ứng compton: Là va chạm đàn hồi giữa lượng tử và gamma với một electron bên ngoài cùng của nguyên tử. Lượng tử gamma va chạm với một electron và tương tác tạo ra một electron năng lượng lớn và một photon bị tán xạ.
Hình 2.3. Lượng tử photon va cham đàn hồi với nguyên tử
Hiệu ứng tạo cặp: Khi gamma có năng lượng cao (>10MeV) nó có thể tương tác trực tiếp với các hạt nhân nguyên tử, lượng tử gamma bị hấp thụ hoàn toàn và làm bắn ra một cặp hạt tích điện trái dấu electron-pozitron trong trường hạt nhân.
Phương pháp carota GG chủ yếu là nghiên cứu sự hấp thụ lượng tử gamma của đất đá trong quá trình tán xạ Compton: các chùm tia gamma từ nguồn phát sẽ chiếu xạ vào môi trường đất đá xung quanh lỗ khoan. Khi đâm xuyên vào đất đá, các tia gamma va chạm với các điện tử của các nguyên tố trong khoáng vật tạo đá. Mỗi lần va chạm, tia gamma mất bớt một phần năng lượng và chuyển động lệch hướng ban đầu, cuối cùng năng lượng của nó giảm dần nhưng chưa thật hết hoàn toàn. Các tia gamma tán xạ được đếm bằng một ống đếm (detector) đặt cách xa nguồn một khoảng nhất định
31
(thường là 0,5m), giữa nguồn gamma và ống đếm có đặt màn chắn chì làm cho ống đếm không trực tiếp nhận các lượng tử gamma từ nguồn bắn vào. Số đếm tia gamma của detector sẽ chỉ thị cho mật độ khối của môi trường đất đá xung quanh lỗ khoan (Hình 2.4).
Hình 2.4. Sơ đồ biểu diễn bức xạ gamma tán xạ.
32
Theo kết quả ở bảng 2.3 cho thấy, mật độ electron tỷ lệ với mật độ khối. Mật độ khối thấp thì lượng điện tử ít hơn nên tia gamma va chạm ít hơn do đó năng lượng ít bị mất mát và cường độ phóng xạ cao hơn.
Như vậy, các lớp đất đá có cùng hàm lượng đồng vị phóng xạ nhưng khác nhau về mật độ khối thì sẽ đặc trưng bằng các cường độ phóng xạ gamma tự nhiên khác nhau và các đá có mật độ thấp sẽ thể hiện cường độ phóng xạ cao hơn.
Số liệu đo gamma mật độ có thể sử dụng tính độ rỗng Φ của đất đá. Và giá trị độ rỗng Φ được dùng để xác định yếu tố thành hệ F (tham số độ rỗng) và hệ số thấm K cũng như để phân chia lát cắt lỗ khoan trong tìm kiếm và thăm dò nước dưới đất.