Файл: Викторов Г.Г. Мюонный метод определения плотности горных пород.pdf

дачам наземной и особенно подземной гравиразведки; сред­ ней и послойной плотности различных естественных и насып­ ных грунтов, в том числе тех, на которых проектируется строительство уникальных сооружений, а также при решении других специальных задач.

Основная цель книги — познакомить широкие круги гео­ физиков, геологов, горняков с основами и показать возмож­ ности нового метода определения плотности горных пород в естественном залегании.

Необходимо отметить, что при чтении настоящей книги могут возникнуть некоторые трудности, связанные с исполь­ зованием несколько иных обозначений и терминов по срав­ нению с принятыми в более ранних работах по физике кос­ мических лучей. Указанные обозначения введены в связи с последними рекомендациями для обозначений и терминологии в дозиметрической, радиометрической и ядернофизической литературе.

В заключение авторы считают своим приятным долгом вы­ разить глубокую благодарность научному руководителю ра­ боты и редактору книги профессору А. Г. Тархову, а также всем лицам, принимавшим участие в обсуждении теоретичес­ ких вопросов н в проведении экспериментальных работ.

Г Л А В А 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЮОННОГО МЕТОДА

1.1. Космическое излучение на уровне моря

Космическим излучением принято называть поток частиц, высокой энергии, приходящий на границу земной атмосферы из космического пространства. По существующим в настоя­ щее время представлениям [19], первичное космическое излу­ чение образуется при взрывах Новых и Сверхновых звезд, а также в результате деятельности Солнца. Однако средний поток космического излучения, приходящий непосредственно от Солнца, в релятивистской области энергий (Е к >109 эв) по порядку величины не превышает 0,1%' общего потока кос­ мического излучения.

. Поток первичных космических частиц состоит из прото­ нов— 91,5%’, а-частиц — 7,8% и ядер других элементов— ме­ нее 1%'.

Энергия первичных космических частиц лежит в пределах 10°—5-ІО19 эв. Такие высокие энергии первичных частиц объяс­ няются тем, что они, пролетая в космическом пространстве, испытывают различного рода электромагнитные ускорения. Простейшим механизмом является бетатронное ускорение: в этом случае ускорение обусловлено нарастанием однородного (или квазиоднородного) магнитного поля во времени. Уско­ рение может быть также вызвано столкновением частиц с движущимися неоднородностями магнитного поля. При таком столкновении ускорение частиц в конечном счете вызывается индукционным электрическим полем, возникающим при дви­ жении газовых масс с «вмороженным» в них магнитным полем.

Первичное космической излучение изотропно, и интенсив­ ность его обычно постоянна во времени. Степень анизотропии первичного космического излучения определяется как

где Ф«акс и Ф$ІН"— максимальное и минимальное значения потока мюонов в данной точке как функции направления.

Величина А составляет 1,5-10-3 при £ < 1 0 15—ІО16 эв и 0,2— 0,4 при Е> ІО15 эв [19].

Плотность потока первичного космического излучения у

границы атмосферы Земли составляет 0,23 частица/(см2 ■секХ Хстер).

Хотя энергия частиц первичного космического излучения велика, лишь ничтожная доля их достигает поверхности Зем­

ляется ее магнитное поле. Минимальная энергия, необходи­ мая для прохождения магнитного поля (барьера) Земли, оп­ ределяется выражением

где X— широта местности.

Для частиц низких энергий искривление траекторий нас­ только велико, что они не достигают поверхности Земли.

Попадая в атмосферу, космические частицы сталкиваются с ядрами атомов атмосферных газов, что приводит к ядерным реакциям, в результате которых возникают частицы вторич­ ного космического излучения — быстрые протоны, нейтроны, а-частицы, К-, л-мезопы и осколки ядер. Частицы вторичного космического излучения также являются ядерноактивными и, если они обладают достаточной энергией, снова могут выз­ вать ядерные реакции.

Образовавшиеся в электронно-ядерных ливнях нейтраль­ ные л°-мезоны, распадаясь, дают начало неравновесной мяг­ кой компоненте, частицы которой размножаются далее в соответствии с законами электромагнитной каскадной теории. Число частиц мягкой компоненты по мере углубления в ат­ мосферу сначала быстро растет в результате образования л°-мезонов в электронно-ядерных ливнях и размножения са­ мих электронов и фотонов, а затем падает по мере поглоще­ ния частиц, генерирующих электронно-ядерные ливни, и по­ нижения энергии самих фотонов и электронов.

Заряженные л-мезоны, образованные в электронно-ядер­ ных ливнях, частично распадаются, образуя р-мезоны жест­ кой компоненты. Распад л-мезонов и образование ц-мезонов жесткой компоненты происходят в основном в верхних слоях атмосферы, поскольку по мере углубления в атмосферу число л-мезонов уменьшается и с увеличением плотности воздуха вероятность поглощения л-мезонов в ядерных процессах воз­ растает, а вероятность их распада не зависит от плотности воздуха. Другим источником появления ц-мезонов является распад К-мезонов.

Возникшие в результате распада заряженных л- и К-ме зонов ц-мезоны, обладая громадными энергиями и слабо

взаимодействуя с ядрами вещества, доходят до поверхности Земли и проникают на большие глубины в горные породы.

При прохождении через атмосферу часть ц-мезонов рас­ падается, передавая в среднем 1/3 своей энергии электронам (пли позитронам). Плотность потока этой части мягкой ком­ поненты пропорциональна плотности потока жесткой (мюон­ ной) компоненты и обратно пропорциональна давлению воз­ духа. На малых высотах электроны распада и образованные ими фотоны составляют основную часть мягкой компоненты.

Первичныйпротон

Рис. 1.1. Возникновение вторичного космического излучения в зем­ ной атмосфере н на уровне моря (по Б. Россн).

При движении через вещество мюоны, благодаря своему электрическому заряду, взаимодействуют с электронами и передают им часть своей энергии, образуя б-электроны. Ве­ роятность выбивания б-электрона почти не зависит от энергии ыюона, и потому число б-электронов пропорционально в ос­ новном интенсивности жесткой компоненты. Мюоны очень высокой энергии (выше 1012эв) в результате электромагнит­ ного взаимодействия с ядрами атомов среды могут испускать кванты тормозного излучения и электронно-позитронные па­ ры и, следовательно, образовывать мягкую компоненту еще и таким путем. Однако относительный суммарный поток этой части мягкой компоненты невелик.

На рис. 1.1 показана схема образования вторичных час­ тиц в атмосфере [49].

И

путем нахождения поправочного коэффициента (учитываю­ щего эффект распада ц*-*<?*) к формуле (1.7) найдено сле­ дующее выражение для спектра:

/40, > Е , Ѳ)= [29,13 - 7,7 2 (£ c o s 6 - 2 ) +

Приведенные формулы для спектра мюонов обнаружива­ ют быстрое падение величины потока с увеличением импульса.

Появление максимума в мюонном спектре импульсов свя­ зано с тем, что по мере понижения энергии мюонов увеличи­ ваются их удельные .ионизационные потерн и одновременно уменьшается роль релятивистского эффекта возрастания вре­ мени жизни, которое приближается к времени жизни покоя­ щегося мюона т0 ~ 2,2-ІО-6 сек. Обе эти причины приводят к уменьшению числа медленных мюонов. Поэтому спектр, прой­ дя в области 0,4—0,6 Гэв/с через максимум, быстро падает с увеличением импульса.

Таким образом, спектр наблюдаемых на уровне моря мюо­ нов простирается от самых малых импульсов, порядка де­ сятков ІО6 эв/с, до огромных значений, порядка ІО12—10й эв/с. Такой спектр позволяет проводить исследования как с мед­ ленными мюонами, которые можно остановить в нескольких граммах вещества, так и с мюонами, которые в состоянии пройти сотни метров плотной среды. Средняя энергия мюонов на уровне моря, оцененная по степенному спектру, состав­ ляет 33 О9 эв [21].

В отличие от первичного космического излучения плот­ ность потока мюонов на уровне моря неодинакова для раз­ ных зенитных углов. Зависимость плотности потоков мюонов от зенитного утла можно представить в виде