Прикладное применение радиоактивного излучения

Размещено на http://allbest.ru

Радиационные методы разведки полезных ископаемых

1. Естественные и искусственные источники радиоактивных излучений, характеристика и воздействие на окружающую среду

радиоактивный излучение геологоразведка ископаемое

Поле радиоактивных излучений представляет сумму двух слагаемых:- радиоактивного излучения горных пород и космической радиации. Ода слагаемых естественного происхождения. Однако, в связи с использованием радиационных технологий (энергетика, медицина, «мирный» атом при добыче полезных ископаемых, геология и экология) применяются методы с использованием искусственной, наведенной радиоактивностью. Поэтому в настоящей лекции мы обсудим теоретические аспекты как естественной радиоактивности, так и искусственной, обусловленной взаимодействием радиоактивных излучений с косной и живой материей, что позволяет использовать радиоактивность в оценке состояния окружающей среды и всего сущего в ней.

Различают естественную и наведенную (искусственно созданную) радиоактивность.

Естественная радиоактивность - это физико-химический процесс самопроизвольного распада неустойчивых ядер атомов, подчиняющийся определенному статистическому закону.

Процесс сопровождается:

изменением строения, состава и энергии ядер;

испусканием альфа (б) и бета (в) частиц, гамма (г) квантов и нейтронов; выделением радиогенного тепла;

ионизацией (превращением атомов и молекул в ионы) газов, жидкостей и твердых тел.

Альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), энергии которых на длине пути 10 см в воздухе и долей миллиметра в породе тратится на ионизацию и нагревание окружающей среды, поэтому проникающая способность у них очень мала.

Бета-излучение представляет собой поток электронов и позитронов, энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов окружающей среды. В результате они рассеиваются и поглощаются на пути, в 100 раз большей, чем альфа-частиц.

Гамма кванты представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f>10¹⁸ Гц). Хотя они также рассеиваются и поглощаются окружающей средой, но благодаря своей электрической нейтральности отличаются более высокой проникающей способностью (сотни метров в воздухе и до метра в горных породах).

Радиоактивному распаду подвергается достаточно большое количество химических элементов, в основном с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82. Известно более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов различным числом нейтронов). Однако основной вклад в естественную радиоактивность вносят три радиоактивных элемента U, U (уран), Th (торий) и К (калий). Они находятся в горных породах и других природных объектах в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов. Их вклад следующий: К = 60%, U = 30%, Th = 10%.

Кроме концентрации радиоактивных элементов важной характеристикой радиоактивности сред является энергетический спектр (Е) излучения или интервал распределения энергии. По наиболее жесткому и проникающему излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определённым энергетическим спектром. Например, для урано-радиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ, а суммарный спектр 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ). Кстати, по отмеченным особенностям спектра определяется концентрация естественных радионуклидов в объектах геологической среды - воде, почве, горных породах.

Абсолютной единицей радиоактивности в системе СИ является беккерель - Бк (1Бк =1 распаду в секунду). Единицей удельной радиоактивности служит беккерель на единицу массы или объёма. За единицу экспозиционной дозы облучения в СИ принят кулон на килограмм (Кл/кг) и внесистемная единица - рентген (1Р = 2,58*10^-4 Кл/кг). Количество энергии излучения, поглощённое единицей массы облучаемого тела, называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в грэях (1 Гр = 1 Дж/кг)

Эффективная эквивалентная доза учитывает способность излучения данного вида повреждать ткани организма (например, альфа-излучение считается в двадцать раз опаснее других видов излучения), а также разную чувствительность к облучению различных частей тела. Она измеряется в зивертах (Зв). Один зиверт соответствует поглощенной дозе 1 Дж/кг.

Мощность дозы, т.е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг) и микрорентгенах в час (мкР/ч). В настоящее время за единицу мощности принят, грей - -величина в 100 раз больше рентгена.

Количество атомов радиоактивного элемента, содержащегося в некотором образце горной породы, уменьшается со временем по экспоненциальному закону - закон радиоактивного распада, выражающемуся формулой

N = N₀e^-лt, (7.1)

где: N₀ - исходное количество атомов, а N - количество атомов, не распавшихся за время t. Постоянная распада л определяется для каждого радиоактивного изотопа методами ядерной физики. Для ядерно-геохронологических задая более удобна следующая запись уравнения (7.1)

t = 1/лln*N₀/N (7.2).

Постоянная распада л связана с другой единицей Т_1/2 - периодом полураспада соотношением:

Т_1/2 = 0,693/л (7.3).

Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15 - 18 изотопов конечный продукт - радиогенный свинец.

Родоначальники радиоактивных семейств (U, Th) относятся к долгоживущим элементом. У них Т_1/2 > 10⁸лет. В состав семейств урана входят радий (Ra) с Т_1/2 = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т_1/2 = 3,82 суток.

При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия:

л₁N₁ = л₂N₂ = л₃N₃ =….л_nN_n (7.4).

Калий (К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений.

Явление радиоактивного распада используется для определения абсолютного возраста Земли и отдельных стратиграфических подразделений земной коры. Для этого достаточно измерить количество материнского радиоактивного изотопа N_t и продукта его распада N_k. Численные значения л определяются особо (табл. 7.1).

Таблица 7.1Численные значения констант, используемых в геохронологии

В практике определения возраста минералов и пород часто вместо постоянно распада радиоактивного изотопа л используется период полураспада T_1/2. Период полураспада радиоактивных элементов, как видно из таблицы 7.1, неодинаков.

В зависимости от того, по изотопам какого радиоактивного элемента и соответствующего ему продукта распада производится определение абсолютного возраста горной породы, в изотопной геохронологии различают следующие методы: уран-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, радиоуглеродный и др. Радиоуглеродный метод используется для определения возраста молодых (менее 5750 лет)горных пород, археологических находок и времени захоронения растительных остатков. В атмосфере имеется изотоп углерода ¹⁴С с периодом полураспада 5750 лет, который поглощается растениями. После их отмирания распад углерода продолжается, т.е. происходит уменьшение его содержания и увеличение содержания ¹⁴N. Зная время полураспада и измерив количество сохранившегося в растительных остатках ¹⁴C и образовавшегося ¹⁴N, можно узнать время захоронения растения. Например, по содержанию ¹⁴С в саркофаге одного из египетских фараонов определили время его захоронения - 2190 лет. Точность метода ±200 лет.

Наведенная (искусственная) радиоактивность преимущественно связана с гамма- и нейтронным излучением - свойства, которые используются при ядрено-геофизических методах полевой геофизики и, особенно, при геофизических исследований скважин.

Итак, г - кванты - электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные б и в частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 10¹⁸ Гц). Проникающая способность г - квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах, в том числе в горных породах, гамма - излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях.

В практике применения ядерно-физических методов с использованием гамма-квантов, наибольшее значение имеет Комптон-эффект. В этом диапазоне энергий интенсивность рассеянного гамма-излучения (I_г) зависит от плотности среды. Чем больше плотность, тем меньше I_г.

Нейтронное излучение возникает при ядерных реакциях. Нейтроны, как и гамма-кванты, являются электронейтральными частицами и обладают наибольшей проникающей способностью из всех видов излучений. Нейтроны возникают при взаимодействии г-квантов с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др.).

Нейтроны по энергетическому спектру (Е = 10⁷ - 10^-3 эВ) разделяются на группы: быстрые n_б промежуточные n_п медленные n_м резонансные n_р надтепловые n_нт тепловые n_т холодные n_х.

При взаимодействии нейтронов с природными объектами разделяются по времени два основных процесса:

- замедление быстрых нейтронов (t < 10^-2c);

- диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c).

Оба процесса сопровождаются ядерными реакциями n-n, n-г и др. типов. Происходит испускание и вновь образованных нейтронов и г - квантов (вторичное г излучение).

Характеристика радиационного поля Земли

Поле ионизирующих излучений (поле естественной радиоактивности) присуще Земле, как космическому объекту. Его проявление на поверхности Земли играет в экологии большую роль.

Суммарное радиационное поле Земли складывается из:

- космического излучения;

- радиоактивного распада элементов земной коры;

- дегазации вследствие выхода на поверхность радиоактивных газов (радон Rn, торий Th).

В результате на дневной поверхности формируется радиационный фон. В этом фоне доля космического излучения около 50% и составляет 3-6 мкР, с увеличением высоты космический радиационный фон возрастает в среднем на 1,5 мкР на каждый километр отметки рельефа местности. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. При этом радиоактивность этих пород неодинакова. Средними (нормальными) по радиоактивности считаются природные объекты, в которых кларковые содержание не превышает 2,5 (2,5 г/т). Повышенная радиоактивность обуславливается наличием урана с соответствующим образованием радиоактивных газов (радона и тория). Тысячная доля содержания урана в общей массе создает радиоактивность в 5 мкР/час. Радиоактивный фон повышается и в участках земной коры, содержащих кроме урана и тория, калия, концентрация которого в земной коре превышает более чем в 2000 раз концентрацию тория и более чем в 10000 раз концентрацию урана.

Наиболее радиоактивными породами являются граниты, гнейсы, вулканические туфы, фосфориты. Содержание урана и тория здесь достигает до 100 кларков и более. Повышенная радиоактивность проявляется и в зонах тектонических нарушений, особенно в крупных разломах. Это связано с эманациями радона.

Радиоактивность непосредственно в недрах литосферы (в ее верхних слоях), а также на более глубоких горизонтах зависит от содержания в горных породах радиоактивных элементов. Радиационный фон в шахтах небольшой и преимущественно составляет 4-6 мкР/час. Это же относится к радиоактивности природных вод и газов. В большинстве случаев они не радиоактивны. Исключение составляют подземные воды радиоактивных месторождений, а также воды сульфатно-бариевого и хлористо-кальциевого составов.

Как отмечалось выше, источниками естественного радиационного появляются космические лучи и ионизирующее излучение природных радиоактивных веществ, содержащихся в почве, горных породах и воде.

Естественные источники радиоактивного излучения не оказывают существенного негативного воздействия на окружающую среду, но тем не менее, даже повышенный радиационный фон может рассматриваться как мутагенный фактор и не может игнорироваться.

Основная часть естественного радиационного фона (~40%) наблюдаемого на поверхности планеты и в приповерхностных слоях литосферы обязана своим происхождением радиоактивным газам ²²²Ra и ²²⁰Ra.

Поступление радионуклидов в организм человека может происходить вместе с воздухом, водой и пищей, а также за счёт излучения ²²²Ra, который выделяется из строительных материалов, водопроводной воды и бытового газа, поступает вместе с почвенным воздухом и накапливаться в плохо проветриваемых подвальных помещениях и в нижних этажах зданий.

Радиоактивные свойства горных пород нашли широкое применение в геологии и экологии. Как уже отмечалось, на основе взаимодействия гамма-квантов и нейтронов с веществом горных пород производится их поэлементный анализ, а на основе естественной радиоактивности осуществляется поиск радиоактивных руд и проводится геолоическое картирование близповерхностных комплексов, изучаются обнажения коренных горных пород. В практике геологоразведки наибольшее распространение получили радиометрические методы: гамма-съёмка, основанная на измерении интенсивности естественной радиоактивности, и радоновая съёмка, основанная на измерении эманаций радона почвенной атмосферы.

Для измерения интенсивности гамма-излучения (мощности эквивалентной дозы - МЭД) используются сцинтилляционные радиометры типа СРП-68, СРП-88, СРП-97. Для определения процентного содержания естественных радионуклидов - урана-238, тория-232, калия-40 используются радиометры-спектрометры типа РКП-305М, РГП-301. Измерение эманаций радона (Бк/м³) используются радиометры-эманометры, например, РГА-500.

Радиометрические съёмки проводятся в воздушном и наземном вариантах (авто-гамма съёмки и пешеходные). Наибольше распространение получила пешеходная гамма-съёмка.

Радиометрические съёмки бывают самостоятельными и попутными, проводимыми совместно с маршрутами геологической съёмки.

При попутных съёмках гильза полевого радиометра располагается на высоте 5-10 см от поверхности, и оператор «прослушивает» радиоактивный фон через наушник в полосе нескольких метров от направления движения. Через каждые 5-50 м (шаг съёмки) или при аномальном повышении фона гильзу укладывают на землю, оставляя её неподвижной в течение 0,5 - 1 мин, и по стрелочному прибору снимают средний отсчёт интенсивности поля. При детальных работах ведут площадное изучение аномалий.

В результате наземной съёмки стоят графики и карты интенсивности

?Iг = Iг - Iг_ост,

где Iг_ост - остаточный фон. На них выделяют аномалии, на которых ?Iг в 2 раза и более превышает среднеквадратическую ошибку в определении средней интенсивности поля. На выявленных аномалиях проводят гамма-спектрометрические наблюдения и отбор горных пород для радиометрических анализов.

Радиометрические анализы образцов горных пород служат для оценки содержания урана, радия, тория и других радиоактивных элементов. Чаще всего изучаются порошкообразные пробы из истолченных образцов пород.

Эманационная съёмка предназначена для изучения содержания газообразных продуктов распада радиоактивных элементов в подпочвенном воздухе или в воздухе, заполняющем скважины и горные выработки. Основной объект измерений - радон, отличающийся достаточно высоким (среди других газообразных продуктов распада радия) периодом полураспада - 3,82 дня, поэтому съёмка получила название радоновой. Эманационные съёмки также бывают маршрутными (по отдельным профилям) и площадными.

Методика полевой эманационной съёмки сводится к отбору проб подпочвенного воздуха с глубины 0,5 - 1 м и определения с помощью эманометра концентрации радона в нём. Для этого зонд забивают в почвенный слой ис помощью насоса в эманационную камеру закачивают подпочвенный воздух и сразу же измеряют концентрацию радона (Бк/м³ в нём.

Эманационная съёмка применяется для разведки радиоактивных руд, а также для выявления трещиноватых зон, тектонических нарушений, при изучении оползневых процессов, а также для оценки радиационного фона в подземных горных выработках.

В окружающей среде к естественному радиационному фону добавляется техногенное ионизирующее излучение, поступающее в окружающую среду от новообразованных (созданных в процесс промышленной деятельности) радионуклидов, используемых в строительных материалах, а также от складируемых отходов атомного производства и т.п.

Об искусственном радиационном поле мы поговорим в специальной лекции, посвящённой техногенным физическим полям.

2. Общие сведения о радиоактивности. Радиометрические методы разведки, используемые при решении задач поисков и разведки полезных ископаемых, в инженерной геологии, геоэкологии, и др.

· Проектное задание раздела 2-Д.

1. Дать общую характеристику методов терморазведки.

2. Охарактеризовать тепловое поле Земли и его циклические изменения.

3. Объяснить что собой представляют региональные тепловые потоки в океанах, рифтах, на континентах.

4. Привести примеры локальных термических аномалий.

5. Назвать основные термические и оптические свойства горных пород.

6. Объяснить что представляет собой аппаратура для геотермических исследований.

7. Изложить технологию воздушной съемки Земли в инфракрасных и ультрафиолетовых лучах.

8. Объяснить для чего нужны измерения температур на дне акваторий и в горных выработках.

9. Раскрыть сущность региональных, поисково-разведочных и инженерно-гидрогеологических термических исследований.

3.Тесты рубежного контроля раздела 2-Д

1. Вопрос: Какие существуют источники внутреннего тепла Земли?

Ответ: Сезонные, многолетние и многовековые. Радиоактивный распад долгоживущих изотопов, процесс дифференциации вещества мантии. Термальные подземные воды. Тепловая энергия вещества мантии и ядра.

2. Вопрос: Какой основной параметр теплового поля Земли?

Ответ: Температура. Тепловой поток. Геотермическая ступень. Теплоемкость горных пород.

3. Вопрос: Как выявляются тепловые потоки ?

Ответ: Путем бурения скважин. Радиотепловыми, инфракрасными и геотермическими съемками. Применением аппаратуры для геотермических исследований. Наблюдениями в горных выработках и карьерах.

4. Вопрос: Какими способами решаются прямые задачи геотермии?

Ответ: Способами учета результатов наблюдений тепловых потоков. Методами физического и математического моделирования. Специальными измерениями теплофизических параметров на объектах с повышенным тепловым режимом.

5. Вопрос: Что представляют собой термические исследования геологической среды ?

Ответ: Специально разработанные технологии терморазведки. Измерения в скважинах и горных выработках температуры. Наблюдения за перемещением тепловых потоков в атмосфере и гидросфере. Составление карт распределения температуры в заданных участках земной коры.

Размещено на Allbest.ru