Ядерная геофизика



Геометрия просвечивания широким пучком. Этот метод применяется в инженерно-геологических исследованиях для определения плотности рыхлых пород (почв, грунтов). Экспериментально доказано, что угол между линией, соединяющей детектор и источник, и перпендикуляром к поверхности среды (угол б) не влияет на результаты измерения, если он не превышает 600. Оптимальная толщина просвечиваемого слоя равна сd = 40 ч 80 г/см2, где с - плотность, d - расстояние между источником и детектором. Для вычисления плотности необходимо знать интенсивности первичного и вторичного -излучения и d. Жесткая конструкция зонда обеспечивает постоянство толщины измеряемой породы и постоянство интенсивности первичного излучения, поэтому достаточно измерять интенсивность рассеянного излучения и через эталонировочный график определить плотность.

Метод (геометрия) рассеянного л-излучения. Данная геометрия является основной при геофизических исследования скважин, при опробовании горных пород в выработках (канавах, шурфах и штольнях). В данной методике применяются два типа зондов.

Зонд «2р» применяется на рудных и угольных месторождениях для исследования скважин диаметром от 59 до 110 мм. Зонды с коллимированием первичного и рассеянного излучений используются для изучения скважин большого диаметра (более 200 мм). Коллимирование обеспечивает регистрацию однократно-рассеянного г-излучения. Пружина прижимает зонд к стенке скважины. Свинцовые экраны, закрывающие от прямого излучения источника и от бурового раствора, исключают влияние переменного диаметра скважины и больших каверн. При измерениях по этой схеме увеличивается глубинность исследования и уменьшаются помехи, вызываемые мелкими кавернами и глинистой коркой. Недостаток коллимированного зонда - большой диаметр зонда и низкие скорости счета по сравнению с зондом «2р».

Основной геометрической характеристикой зонда является его длина R, равная расстоянию между источником и детектором. В методе рассеянного г-излучения оптимальное R равно сd = 40 ч 100 г/см2 (в массовых единицах), так что в зависимости от плотности пород следует менять длину зонда R. Длина свинцового экрана должна быть не менее 5 - 7 см для Cs137 и 10 - 12 см для Со60.

Для выяснения условий применения ГГМ необходимо знать зависимости реально измеряемых потоков рассеянного излучения от геометрии зондов и свойств среды. Самой важной особенностью измерений в ГГМ геометрией рассеянного излучения является инверсия зависимости интенсивности рассеянного излучения от плотности с изменением длины зонда. Ш(о)/Ш(о=1) - функция рассеяния, определяющая интенсивность рассеянного г-излучения в зависимости от безразмерного параметра о = м'сR, выполненных для 2р-зонда. Произведение массового коэффициента м' на плотность с есть линейный коэффициент ослабления м. Величина, обратная м - это величина, характеризующая длину пробега l г-кванта (l ? 1/м). Отсюда следует, что параметр о представляет длину зонда R/l, выраженную в длинах свободного пробега г-кванта в веществе.

На рисунке показаны зависимости функция рассеяния от параметра о, различные кривые относятся к различным средам с разным коэффициентом м'. Так как для каждой кривой значение м' фиксировано, а длина зонда R сохраняется постоянной при измерениях, графики Ш(о)/Ш(о=1) отражают изменение интенсивности рассеянного г-излучения в зависимости от плотности. Из графиков видно, что с увеличением плотности интенсивность сначала возрастает, достигая максимума в точке инверсии, а затем монотонно уменьшается. Положение точки инверсии для пород с различным м' разное.

В ГГМ-П оптимальны заинверсные 2р-зонды с приведенной длиной о > 2, для которых характерно монотонное экспоненциальное убывание интенсивности рассеянного излучения с увеличением плотности. Для уменьшения влияния Zэфф в ГГМ-П необходимо использовать г-излучения с большой энергией (источники Cs137 или Co60). С учетом диапазона изменений плотности и м' для этих энергий реальная длина зонда R составляет 15 - 40 см. Для снижения влияния Zэфф в ГГМ-П дополнительно уменьшают вклад мягкой компоненты рассеянного г-излучения применением железных или свинцовых фильтров, а также отсечкой импульсов малой амплитуды с помощью дискриминатора. Радиус исследования (глубинность) зондов зависит от плотности среды и длины зонда, для большинства горных пород лежит в пределах сR = 20 ч 40 г/см2. Принимая плотность пород 2,7 г/см3, а длину зонда 20 см, получим, что глубинность исследований ГГМ-П, в среднем, составляет менее 1 см.

В ГГМ-С выгодно использовать инверсионные зонды с параметром о, лежащим в области экстремума функции рассеяния. В этой области показания интенсивности вторичного излучения не зависят, или мало зависят, от плотности пород. Однако влияние плотности, при работе с инверсными зондами, исключается лишь в узком диапазоне изменения плотности. С целью расширения области компенсации влияния плотности, при работах методом ГГМ-С, применяют двойные зонды, которые содержат два источника, расположенных на разных расстояниях от детектора. В этом случае измерения выполняются одновременно с двумя зондами - характеристика одного из них должна лежать в доинверсной, а другого - в заинверсной интервалах кривой Ш(о)/Ш(о=1). Если правильно подобрать длины зондов, с учетом интервала изменения плотности, то при измерении суммарного сигнала (детектор этих зондов один и тот же) будет осуществляться компенсация изменения интенсивности вторичного гамма-излучения от изменения плотности в широких пределах. Одновременно с этим, в определенных пределах, исключается влияние зазора между корпусом прибора и пробой (стенки скважины).

Глубинность исследований методом ГГМ-С с использованием источников Se75 и Tm170, в любом случае, не более глубинности ГГМ-П, за счет использования более мягкого первичного гамма-излучения.

Применение ГГМ. Метод ГГМ-П наибольшее распространение получил в скважинном варианте (ГГК-П). Плотностной каротаж позволяет выделить в разрезе скважины полезные ископаемые с аномальной плотностью (уголь, горючие сланцы, металлические руды). ГГК-П также применяется на нефтяных и газовых месторождениях с целью изучения пористости пород (по изменению плотности). При инженерно-геологических работах ГГМ-П в различных модификациях применяют как для определения плотности, особенно рыхлых пород, так и для наблюдения за динамикой влажности (по изменению плотности).

Определение Zэфф с помощью ГГМ-С позволяет различать породы по вещественному составу. Чувствительность ГГМ-С, по сравнению с ГГК-П, при выделении объектов разного вещественного состава, выше. Выигрыш в чувствительности тем существеннее, чем больше Zэфф определяемых объектов. Так, при исследовании свинцовых руд с содержанием менее 1%, плотность (следовательно и изменение интенсивности рассеянного излучения в ГГМ-П) изменяется незначительно, по сравнению с пустой породой. В то же время ГГМ-С дает четкие аномалии.

Принципиальным недостатком ГГМ-С является невозможность разделения измеряемых эффектов от различных элементов. Количественное опробование руд с помощью ГГК-С возможно только на монометальных месторождениях и втех редких случаях, когда между несколькими рудными компонентами имеется жесткая корреляция. При исследовании типичных полиметаллических руд (Ba - Pb, W - Mo, Pb - Zn и т.д.) метод ГГМ-С можно использовать для оконтуривания зон оруденения, т.е. как индикаторный. Наиболее благоприятные объекты для применения ГГМ-С являются месторождения железных руд, углей и горючих сланцев, на которых методы ГГК-С и ГГК-П используются в разведке месторождений и при подсчете запасов.

Рентгенрадиометрический метод (РРМ)

РРМ применяется для элементного анализа горных пород и руд. Достоинствами метода являются: высокая чувствительность анализа, сопоставимая с точностью химического анализа III класса; высокая производительность метода, простота проведения анализа, компактность аппаратуры.

В настоящее время используется два варианта РРМ:

флуоресцентный;

абсорбционный.

Абсорбционный анализ основан на резком различии коэффициента поглощения определяемого элемента для излучения с энергиями квантов меньше или больше края поглощения.. При энергии г-квантов не более 100 Кэв основной вид взимодействия - фотоэффект, который и будет определять коэффициент поглощения. Сечение фотоэффекта имеет скачки при энергиях, равный потенциалу ионизации i-электронной оболочки. Наиболее значимый скачок наблюдается у К-оболочки - примерно на порядок для легких элементов.

Обеспечить требуемую энергию первичных г-квантов с точностью до десятых долей Кэв при помощи изотопных источников невозможно. Поэтому кванты источника возбуждают характеристическое излучение мишени, которое в данном случае является первичным. Чтобы отсечь рассеянное г-излучение источника, ставят фильтр. При прохождении пробы, содержащей определяемый элемент, резко увеличивается поглощение и количество г-квантов, регистрируемых детектором, резко уменьшается. Если перед детектором проходит пустая порода, то поглощение не увеличивается, следовательно, будет зарегистрирована большая интенсивность. Абсорбционным методом могут определяться элементы с порядковым номером Z более 25 - 30 при нижнем пороге концентрации 0.1%. Наиболее широкое применение абсорбционный метод нашел при контроле технологических продуктов переработки минерального сырья на обогатительных фабриках.

Флуоресцентный РРМ основан на возбуждении нуклидным источником (или рентгеновской трубкой) характеристического излучения элементов, содержащихся в пробе. Характеристическое излучение (ХИ) каждого элемента имеет строго определенную энергию, а интенсивность ХИ элемента зависит от содержания его в пробе. Анализ спектрального состава вторичного излучения пробы проводится спектрометром.

Широкое распространение, в полевой модификации с пропорциональными или сцинтилляционными детекторами, метод получил при определении элементов с порядковым номером Z более 20, т.е. начиная с кальция. Порог чувствительности определения содержания: 0.1% для элементов с Z<40; 0.005% для тяжелых элементов. Верхний предел концентраций не ограничен.

При лабораторных определениях с полупроводниковыми детекторами и предварительной подготовкой проб (измельчение), порог чувствительности снижается примерно на порядок. В настоящее время, при геологоразведочных работах, применяется исключительно флуоресцентный РРМ.

Физические основы РРМ. Основные процессы взаимодействия г-излучения в области энергий до 100 Кэв - это фотоэффект и рассеяние.

Рассеяние г-квантов веществом бывает двух типов: когерентное (томпсоновское) и некогерентное (комптоновское). При когерентном рассеянии энергия г-кванта до и после взаимодействия остается постоянной. При некогерентном рассеянии энергия г-кванта после рассеяния уменьшается, но при комптоновском рассеянии низкоэнергетического г-излучения энергия рассеянных г-квантов изменяется незначительно даже при больших углах рассеяния. Таким образом, при рассеянии гамма-квантов с энергией ниже 100 Кэв энергия рассеянных г-квантов неизменна, или незначительно отличается от первоначальной.

Фотоэффект сводится к такому взаимодействию г-кванта с одним из электронов атома, при котором г-квант целиком поглощается атомом, а его энергия расходуется на преодоление энергии связи электрона с атомом и на кинетическую энергию электрона, в результате чего электрон покидает атом. Возникшую при этом вакансию заполняет электрон с более высокой орбиты, а разность энергий между уровнями испускается в виде характеристического излучения атома.

Фотоэффект происходит только на связанных электронах. Если Ег больше энергии связи электрона IK, то фотоэффект может происходить на любой электронной оболочке атома. Максимальную вероятность поглощения г-кванта имеют наиболее сильно связанные электроны. Наблюдается резкая зависимость вероятности фотоэффекта от Ег: уф = кЕ-n где к и n - постоянные величины для данного элемента и данного интервала энергий. Для Ег < 100 Кэв n ? 3.

С уменьшением Ег коэффициент поглощения м возрастает, однако при Ег равной энергии связи электрона К-уровня IK поглощающего элемента, имеет место скачкообразное изменение коэффициента поглощения (К-скачок поглощения). Если обозначить большое значение коэффициента поглощения м'K при Ег > IK, а при Ег < IK обозначить как м”К, то отношение

м'K / м”К = SK

определяет величину скачка поглощения К-уровня. Наибольшее значение скачка поглощения отмечается у К-уровня (SK), SL в 1,5 ч 3 раза меньше SK. Для элементов с Z < 30 К-скачок поглощения находится в интервале от 10 до 13. С увеличением порядкового номера К-скачок уменьшается и для тяжелых элементов приблизительно равен 3 - 5.

При таких энергиях первичного излучения (Ег < 100 Кэв) глубинность исследования невелика, даже для тяжелых элементов (Z > 50), у которых энергия характеристического излучения составляет десятки Кэв, глубинность будет не более 1 мм. Для более легких элементов, соответственно, глубинность будет еще меньше. Т.е. уверенно можно говорить, что РРМ проводится в насыщенных слоях и одной из характеристик вещества будет поверхностная плотность m (г/см2).

Если исследуемую пробу, взятую в виде плоскопараллельного слоя площадью S (см2) с поверхностной плотностью m облучать потоком г-излучения с энергией Ег, то интенсивность потока квантов ХИ Ii на расстоянии R от пробы будет определяться выражением:

(1)

где мiпр - массовый коэффициент поглощения вторичного (ХИ) излучения, Ci - концентрация определяемого элемента в исследуемой пробе, m - поверхностная плотность.

Коэффициент ki определяется как ki = f (R2, wq, Sq, pq, фi ) , где Sq - скачок поглощения q-уровня, wq - коэффициент выхода ХИ при возбуждении атома определяемого элемента на q-уровень, pq - вероятность перехода атома, возбужденного на q-уровень, с излучением ХИ, фi - массовый коэффициент фотоэффекта.

Коэффициент ki не зависит ни от концентрации определяемого элемента, ни от состава исследуемой пробы и при неизменной геометрии измерений остается постоянным. Точное аналитическое значение ki рассчитать невозможно, поэтому ki определяется экспериментально при градуировке.



Параметры мiпр и m в какой-то мере взаимосвязаны. Породообразующие элементы (кальций, кремний, углерод, кислород) имеют малые порядковые номера (Z < 21), а значит и малые значения м, которые определяются фотоэффектом. При энергиях первичного излучения более 25 Кэв, используемым в РРМ, вероятность фотоэффекта на этих элементах мала. Плотность же породообразующих минералов, по сравнению с рудными, также невелика.

Зависимость интенсивности ХИ (Ii) от свойств пробы (мiпр*m) имеет следующий вид:

При значении мiпр* m < 0.5 поглощающие свойства пробы, с точки зрения РРМ, невелики - реализуются условия измерения в промежуточном, слое. Поэтому в формуле (1) можно принять и тогда выражение (1) преобразуется Ii = kiCim. Таким образом, при малых поглощающих свойствах породы (или при малых их изменениях), мы получаем линейную зависимость интенсивности ХИ. Эта ситуация реализуется в левой части графика Ii = f (m, мiпр).

Для мiпр* m > 5 (насыщенный слой) exp(-мiпр* m) << 1 и тогда выражение (1) преобразуется Ii = kiCi / мiпр, что мы наблюдаем в правой части графика.

Очевидно, что интенсивность ХИ прямо пропорциональна концентрации Ci, однако с ростом Ci растут и поглощающие свойства пробы. Поэтому зависимость Ii= f(Ci) не будет линейной, за исключением экзотического случая, когда с ростом Ci выполняется условие мiпр* m < 0.5. Это условие может быть выполнено только в том случае, если поглощающие свойства пустой породы мп будут равны поглощающим свойствам руды мi.



Т.к. для пустой породы всегда выполняется условие мiпр* m < 0.5, то в этом случае и для рудной компоненты пробы также будут выполняться те же условия. Во всех других случаях поглощающие свойства руды выше, чем у вмещающей породы, поэтому зависимость Ii = f(Ci) будет иметь вид как на предыдущем графике.

Спектр вторичного излучения состоит из следующих компонент: в области энергий близких к нулю регистрируется, в основном, аппаратурный шум (крайний левый максимум).

В любом спектре РРМ будет также наблюдаться пик рассеянного излучения (Ер), энергия которого будет почти совпадать с энергией источника. Как правило, по пику Ер проводят градуировку энергетической шкалы. При отсутствии в пробе определяемого элемента (Ci = 0%) между пиком рассеянного излучения и шумом значения интенсивности не равно нулю, а имеет конечное значение Iф, обусловленное фоновым излучением. При наличии в пробе определяемого элемента (Ci > 0%) появляется пик характеристического излучения с энергией Ехи. Зная энергию Ер, определяют энергию Ехи, тем самым определяют элемент.

Мешающие излучения и способы его учета. Мешающим излучением называется любое излучение, которое не равняется нулю в том энергетическом интервале спектра, в котором проводится измерение интенсивности определяемого элемента. Мешающее излучение вносит дополнительные погрешности при исследовании содержания определяемого элемента. Природа мешающего излучения:

Фоновое излучение.

Рассеянное от первичного и вторичного излучений.

Характеристические излучения от других элементов, полностью не разрешенных спектрометром (наложение спектров различных элементов друг на друга).

Фоновое излучение Iф обусловлено, в основном, рассеянием первичного излучения источника в воздухе или на стенках камеры блока возбуждения. Фоновое излучение дает небольшой вклад в измеряемый спектр. При постоянных геометрических условиях измерения значение этого вклада не зависит от состава пробы. Учет фонового излучения можно провести достаточно точно.

Рассеяние излучения пробой обусловлено непосредственно наложением когерентно и не когерентно рассеянного излучения источника на аналитическую линию определяемого элемента или причинами аппаратурного характера. Поток квантов рассеянного излучения не является постоянным и зависит от поглощающих свойств входящих в пробу элементов. Тот участок рассеянного излучения, который попадает в интервал энергий определения IХИ, обуславливает «матричный эффект», который снижает точность анализа. Значение вклада рассеянного излучения в участок анализируемого спектра может быть определен по результатам анализа проб, у которых Ci = 0, но различаются составом (литологией) вмещающей породы. Учет (компенсация) вклада рассеянного излучения проводится выбором методик измерения.

Наибольшую сложность при проведении анализа представляет учет мешающего излучения, обусловленного наложением на аналитическую линию определяемого элемента характеристического излучения других элементов, присутствующих в пробе. Вклад этого мешающего излучения в измеряемую интенсивность определяемого элемента зависит от содержания в пробе мешающих элементов и степени перекрытия их спектров со спектром определяемого элемента.

К мешающим элементам, при проведении анализа по К-серии ХИ со сцинтилляционным и пропорциональным детекторами, относятся элементы, отличающиеся по атомному номеру от определяемого элемента, меньше чем на 5 - 7 единиц. Кроме того, мешающее влияние могут оказывать более тяжелые элементы, у которых L-серия накладывается на К-серию более легкого определяемого элемента (например К-серия цинка и L-серия свинца при разведке на циково-свинцовых полиметаллических месторождениях). Число мешающих элементов уменьшается при проведении анализа с аппаратурой, имеющей более высокое энергетическое разрешение. Например, при использовании полупроводниковых детекторов, к мешающим можно отнести только соседние элементы периодической таблицы.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили два способа разделения мешающего и аналитического излучений:

Способ краевых фильтров.

Способ дифференциальных фильтров.



Способ краевых фильтров. Принцип действия краевых (селективных) фильтров основан на резко различном ослаблении излучений с энергией фотонов меньше ЕХИ и больще энергии края поглощения фильтрующего элемента ЕФ. Так как в этой области энергий основным процессом является фотоэффект, то отношение массовых коэффициентов поглощения аналитических линий фильтрующим элементом равно:

мМ /мХИ = SK* (ЕХИ/ ЕМ)n,

где мХИ и мМ - коэффициенты поглощения фильтра для ХИ определяемого (мХИ) и мешающего (мМ) излучений; SK - равно 3 - 13, n ? 3.

Коэффициент поглощения ХИ мХИ определяемого элемента будет в несколько раз выше, чем мМ мешающего элемента. Поэтому относительные изменения ХИ определяемого и мешающего элементов, после прохождения через тонкую пластинку фильтра с поверхностной плотностью mФ, будут существенно различными. Последовательность измерений такова: измеряют спектр вторичного излучения без фильтра IУ(Е); ставят фильтр перед детектором и проводят измерение IУФ(Е). Истинные значения интенсивности определяемого IОП и мешающего IМ элементов находят решая систему уравнений:

IУ = IОП +k*IМ

IУФ = IОП*exp(-мХИm) + k*IМ*exp(-мМ*m)

где k - коэффициент, учитывающий энергетическое разрешение детектора. Произведения мХИm и мМ*m для данного фильтра являются постоянными и достаточно точно определяются экспериментально.

Способ дифференциальных фильтров. Одновременный учет всех составляющих мешающего излучения, в большинстве случаев, обеспечивается при проведении измерений со сбалансированными дифференциальными фильтрами. Принцип действия этих фильтров аналогичен принципу действия краевого фильтра. Отличие от краевого фильтра заключается в том, что краевой фильтр имеет скачок поглощения больше (или меньше) энергии ХИ определяемого элемента, а дифференциальный фильтр представляет собой комбинацию двух краевых фильтров, один из которых имеет скачок поглощения больше энергии ХИ определяемого элемента, а другой - меньше энергии ХИ.

Обозначим поглощающие свойства первого фильтра при энергиях ЕМ1, ЕХИ и ЕМ2 соответственно через м'М1, м'ХИ и м'М2, а поглощающие свойства второго фильтра при энергиях ЕМ1, ЕХИ и ЕМ2 соответственно через м”М1, м”ХИ и м”М2. Поверхностная плотность первого фильтра m1, второго фильтра - m2. Если мы поочередно будем устанавливать фильтры 1 и 2, то интенсивности I1 и I2 будут равны:



I1 = IМ1exp(-м'М1m1)+ IХИexp(-м'ХИm1)+ IМ2exp(-м'М2m1);

I2 = IМ1exp(-м''М1m2)+ IХИexp(-м''ХИm2)+ IМ2exp(-м''М2m2);

Если мы подберем фильтры так, что будет выполняться условие баланса фильтров:

м'М1m1 = м''М1m2; м'М2m1 = м''М2m2

то разность счета Д = I2 - I1 = IХИ[exp(-м'ХИm1) - exp(-м''ХИm2)] = k IХИ.

Если анализ проводится по К-серии определяемого элемента и фильтрующими элементами будут элементы с соседними порядковыми номерами, то полоса пропускания фильтров составить 0,3 ч 0,4 Кэв при ЕХИ менее 10 Кэв и полоса пропускания около 2,5 Кэв при регистрации при ЕХИ более 50 Кэв. Недостатком метода дифференциальных фильтров является необходимость проведения последовательных измерений при определении IХИ двух или более элементов. Кроме того, при определении легких элементов с ЕХИ менее 8 Кэв сложно приготовить сбалансированные фильтры с небольшой поверхностной плотностью.

Геометрия измерений. Относительное расположение источника, пробы и детектора выбирается так, чтобы обеспечить максимальную чувствительность и наилучшее соотношение сигнал - фон.

Максимальная эффективность возбуждения и регистрации излучения достигается созданием наиболее компактной геометрии измерения с сочетанием условий защиты оператора от излучения источника и экранирования детектора от первичного и рассеянного излучений источника.

В настоящее время наибольшее распространение получили два типа геометрии флуоресцентного РРМ: коллимированние первичного и вторичного излучений (узкий пучок); геометрия широкого пучка. При ровной поверхности пробы более выгодно использовать геометрию узкого пучка, потому что коллимирование приводит к тому, что пик рассеянного излучения становится более узким за счет того, что при комптоновском рассеянии в коллиматор попадают только кванты строго определенной энергии. Следовательно, уменьшается вклад рассеянного излучения в ХИ определяемого элемента, резко снижается влияние «матричного эффекта». Такую ровную поверхность можно организовать только предварительным дроблением пробы и разравниванием ее поверхности. Значит, геометрию узкого пучка целесообразно использовать в лабораторных исследованиях.

При неровной поверхности пробы, что несомненно бывает при анализе РРМ в горных выработках и в скважинах, геометрию узкого пучка применять нецелесообразно: при движении датчика вдоль неровной поверхности будет постоянно меняться расстояние от источника до пробы и от пробы до детектора. Это несомненно приведет к искажению спектра вторичного излучения и, следовательно, к потере точности анализа. В этом случае применяется методика широкого пучка, в котором расстояние до эффективной плоскости измерения изменяется значительно меньше, чем в геометрии узкого пучка. Поэтому при полевых и скважинных исследованиях РРМ применяется геометрия широкого пучка.

Методика анализа РРМ. Существует множество методик проведения РРМ. Наиболее распространенные следующие:

Способ интенсивности.

Способ спектральных отношений.

Способ интенсивности применяется для анализа в насыщенных и промежуточных слоях без учета влияния «матричного эффекта». При мпр*m > 5

Ii = kCi/мпр

отсюда следует, что

Ci = Ii* мпр/k. 

В случае, когда значение мпр остается постоянным для различных типов пород или его изменениями можно пренебречь, считая k' = 1/k, то можно записать: Ci = Ii*k'

Однако, даже при неизменном составе вмещающей породы значение мпр будет прямо пропорционально зависеть от содержания рудного компонента Ci. Эта методика применима при выполнении следующих условий:

Небольшие изменения концентрации определяемого элемента, либо концентрация настолько велика, что изменения мпр не влияют на относительную точность измерений.

Состав вмещающей породы постоянен или его изменения невелики, т.е. мпр можно считать постоянным.

Путем измерения эталонов с известным содержанием определяемого элемента, строят эталонировочный график Ii = f (Ci), по которому определяют содержание i-элемента в пробе.

Способ спектральных отношений. Основные погрешности при определении элементного состава пробы, дает неоднородность состава вмещающей породы. Эта погрешность наиболее существенна при малом содержании определяемого элемента, когда изменение фона рассеянного излучения в интервале энергий ХИ определяемого элемента, сопоставима с интенсивностью ХИ при малых содержаниях.

В основе метода спектральных отношений лежит тот факт, что при уменьшении поглощающих свойств пробы, которые определяются фотоэффектом, возрастает пик рассеянного излучения. Если брать отношение пика ХИ (IХИ) к пику рассеянного излучения (IР), то при изменении вещественного состава параметр з = IХИ/IР будет изменяться незначительно, особенно в области малых содержаний определяемого элемента. Эта методика носит название способа отношений.

Зависимость потока квантов ХИ от состава пробы оказывается более резкой, чем зависимость составляющих (томпсоновского и комптоновского) рассеянного излучения. Наиболее слаба зависимость от вещественного состава комптоновской составляющей рассеянного излучения. Поэтому для компенсации влияния «матричного эффекта» наиболее эффективно использовать не пик рассеянного излучения, где существенна томпсоновская составляющая, а часть спектра рассеянного излучения с более низкой энергией, чем пик IР, где больший вклад комптоновского рассеяния (I'Р). В способе спектральных отношений измеряемым параметром з является:

з = IХИ/I'Р

В способе спектральных отношений содержание определяемого элемента находят по градуировочному графику:

Ci = f (зi/з0)

где зi = Ii/I'p при Ci > 0, з0 = Ii/I'p при Ci = 0.

Исследования способа спектральных отношений показывают, что наряду с учетом «матричного эффекта», этот способ позволяет привести к общему градуировочному графику измерения с различной геометрией и уменьшить влияние аппаратурных факторов.

Критерии оценки РРМ, оценка погрешности анализа.

Основной параметр - чувствительность измерений еi = dIi/dCi.

Для оценки условий проведения анализа, с точки зрения вклада мешающих излучений, используется параметр приведенной контрастности аналитической линии Fп = еi/Ii. При заданной относительной точности анализа (учета мешающих излучений) д абсолютная погрешность анализа ДCi определяется значением приведенной контрастности ДCi = д/ Fп. Значение Fп в основном определяется энергетическим разрешением аппаратуры. Для сцинтилляционных и пропорциональных детекторов Fп не более нескольких единиц, для ППД значение Fп может достигать 150.

С увеличением концентрации определяемого элемента Ci относительная погрешность анализа д уменьшается. Весь интервал содержаний, в зависимости от элемента, разбит на классы, в которых заданы предельные значения д. Например, для галенит - сфалерит (цинк - свинец) полиметаллических руд классы таковы: I - содержание от 0% до 2%; II - 2% ч 5%; III - 5% ч 15%; IV - более 15%. В каждом классе содержаний относительная точность определений д будет: I - 60%; II - 10%; III - 5%; IV - 1%. Такое значение д по классам соответствует химическому анализу III класса. Для содержаний золота и разбиение на классы, и относительная погрешность измерения в каждом классе, совершенно другие.

Проведение флуоресцентного РРМ. Для проведения РРМ необходимо последовательно решить следующие задачи:

Выбор источников излучения.

Выбор методики анализа.

Подготовка к проведению измерений.

Выбор источника обусловлен получением максимальной чувствительности и контрастности аналитической линии определяемого элемента. При анализе одного элемента наиболее оптимальны источники с энергией г-квантов, близких к энергии К-края поглощения определяемого элемента. Однако необходимо учитывать энергетическое разрешение аппаратуры, чтобы пик рассеянного излучения не накладывался на аналитическую линию определяемого элемента. При проведении анализа по К-серии ХИ наиболее оптимальны источники: Fe55 (Ег = 8 Кэв) для элементов с Z = 13 ч 23; Cd109 (22 Кэв) для Z = 24 ч 43; Am241 (Z = 44 ч 68); Tm170 (Z > 65).

Наиболее универсальна методика спектральных отношений. При проведении анализа со сцинтилляционными и пропорциональными детекторами, прямое измерение интенсивности ХИ (без фильтров), возможно лишь при условии, что вкладом мешающих излучений от других элементов можно пренебречь, или между интенсивностями определяемого и мешающего излучения существует жесткая корреляция.

Включает в себя градуировку аппаратуры и построение эталонировочного графика. Основные работы при градуировке аппаратуры: нахождение максимума амплитудного распределения; установка оптимальной ширины окна спектрометра. Положение максимума амплитудного распределения определяют на основании энергетической привязки шкалы спектрометра по спектрам нескольких элементов с энергиями ХИ, перекрывающих весь интервал. Оптимальную ширину окна спектрометра определяют из условий получения минимальной относительной погрешности анализа, обусловленной статистикой и наложением мешающих излучений. Ширина окна выбирается экспериментально. При построении эталонировочного графика должны использоваться эталоны, содержание определяемого элемента в которых, в каждом эталоне, подтверждены в двух независимых сертифицированных химических лабораториях. Класс химанализа должен быть выше класса анализа РРМ, т.е. не ниже II класса. В каждом классе содержаний определяемого элемента должно быть не менее двух эталонов.

Активационный анализ

Гамма-активационный анализ. При взаимодействии г-квантов высоких энергий с ядрами атомов возникают разнообразные реакции, получившие общее название фотоядерных реакций. Продукты этих реакций - радионуклиды и изомеры, анализ излучения которых позволяет определить элементный состав вещества.

Фотоядерные реакции имеют энергетический порог, ниже которого взаимодействие не наблюдается. Значение пороговой энергии зависит от типа фотоядерной реакции и ядра, с которым происходит взаимодействие. Зависимость сечений фотоядерных реакций от энергии г-квантов имеет резонансный характер (т.е. точку экстремума). Значение резонансной энергии и сечение реакции в области резонанса индивидуальны для различных нуклидов.

При энергии г-квантов до 20 Мэв для подавляющего числа нуклидов наиболее вероятна реакция (г, n). В отличие от других фотоядерных реакций, эта реакция характеризуется более низкими значениями пороговой и резонансной энергий, причем спектр этих энергий достаточно широк. Используя эту особенность, можно увеличить избирательность анализа путем выбора энергии г-квантов, при которой активируется наименьшее число мешающих атомов. Как правило, элементы, из которых состоят породообразующие минералы, обладают более высокими значениями порогов активации по сравнению с рудными элементами. Отсутствие эффекта самоэкранирования (т.е. поглощения вторичного излучения самой пробой) позволяет использовать для анализа пробы весом более 1 кг, что увеличивает представительность (достоверность) анализа.

Гамма-нейтронный метод (ГНМ) - основной метод поисков и разведки бериллиевых руд. ГНМ применяется для определения бериллия в пробах, опробования горных выработок и изучения ореолов рассеяния бериллия на поверхности.

Для большинства элементов пороговая энергия реакции (г, n) 6 ч 12 Мэв, и лишь для Be ЕПОР = 1,67 Мэв (ЕMAX = 22 Мэв). Из числа известных источнтков г-излучения для анализа на бериллий подходит изотоп Sb124 с периодом полураспада 60 дней и испускающий г-кванты в жесткой части спектра двух энергий: 1,69 Мэв (50% выхода) и 2,09 Мэв (6,5% выхода). Этот источник способен возбуждать только ядра беррилия, что обеспечивает высокую селективность анализа и отсутствие помех со стороны других фотонейтронных реакций.

Нейтроны, возникающие при облучении изотопа Be9 г-квантами источника Sb124 имеют энергию 24 Кэв и 422 Кэв (соответственно от гамма-квантов 1,67 Мэв и 2,09 Мэв). Вклад фотонейтронов от г-квантов 2,09 Мэв примерно в 20 раз меньше, чем от г-квантов 1,69 Мэв, поэтому нейтронное излучение изотопа Be9 можно считать моноэнергетическим с энергией 24 Кэв.

Для поисков и разведки бериллиевых руд применяют портативный переносной прибор - бериллометр. Основными элементами бериллометра являются источник гамма-излучения и сцинтилляционный детектор надтепловых нейтронов, разделенных свинцовым экраном. Приборы весом до 6 кг, чувствительность 900 имп/мин, порог определения содержания бериллия - 0,01%.

Нейтрон-активационный анализ - это метод (НАМ) определения состава вещества с помощью излучения ядер, ставшими радиоактивными в результате облучения нейтронами.

Главными достоинствами НАМ - высокая чувствительность селективность определения элементов. Высокая чувствительность обусловлена появлением интенсивных источников излучения, позволяющих исследовать очень малые образцы. Селективность отражает индивидуальные особенности структуры возбужденных состояний каждого изотопа.

Физические основы метода. В отличие от заряженных частиц, нейтроны легко проникают в ядро даже при малых энергиях, почти для всех элементов наблюдаются реакции радиационного захвата (n, г) на тепловых и надтепловых нейтронах, что определяет широкие возможности НАМ. При взаимодействии нейтронов с ядрами атомов образуются составные (или промежуточные) ядра путем слияния нейтрона с ядром-мишенью, Составное ядро неустойчиво, переходя в устойчивое состояние ядро испускает частицы или г-кванты.

Пусть имеется поток нейтронов Ф (нейтр/см2*сек), постоянного во времени и в пространстве, сечение взаимодействия активации (нейтронов с ядром-мишенью) уа, первоначальное число ядер-мишеней N0. Дифференциальное уравнение для числа N активированных ядер будет:

dN/dt = ФуаN0 - лN

где л - постоянная распада активированного изотопа. Решением этого уравнения будет выражение:

где ta - время активации.

После активации, т.е. после остановки потока нейтронов, начинается распад радиоактивного изотопа, образованного во время активации (процесс остывания). Активность изотопа It в момент времени t (t - время остывания):



Максимальная наведенная активность будет в конце времени активации (t = 0), при условии, что время активации значительно больше периода полураспада активируемого изотопа (ta >> T):

где: А - атомный вес изотопа; Р - масса пробы, г; С - содержание активируемого элемента (весовые доли); и - распространенность активируемого изотопа. Р*С*и - масса активируемого изотопа в граммах.

Излучение активированных ядер. Активация нейтронами ядер-мишеней приводит к образованию таких радиоактивных ядер, которые испытывают либо в- распад, либо электронный захват (К-захват). Радиоактивные активированные ядра, испытывающие в+ распад возникают редко. в-распад сопровождается г-излучением.

При активации нейтронами золота (Au197 стаб) образуется составное ядро Au198, которое, в некоторых случаях, испуская в-частицы превращается в стабильное ядро ртути Hg198. В большинстве случаев изотоп Au198, при испускании в-частицы, остается возбужденным до энергии 412 Кэв, время жизни этого возбужденного состояния 10-9 секунды. Переходя в стабильное состояние, возбужденное ядро испускает г-квант энергии 412 Кэв.

В результате захвата нейтрона из гафния образуется изотоп Hf175. Это составное ядро испытывает в-распад (К-захват) с периодом полураспада 70 суток с образованием двух метастабильных возбужденных уровней.

Возбуждение с уровня 433 Кэв может сниматься как испусканием г-кванта с энергией 433 Кэв, так и путем испускания каскада 90 + 343 Кэв. Таким образом, распад изотопа Hf175 сопровождается излучением трех групп г-квантов, у которых различна как энергия, так и интенсивность. Дополнительно, при К-захвате образуется вакансия на К-уровне, следовательно, этот тип в-распада будет сопровождаться испусканием характеристического излучения.

Источники нейтронов. Возможности НАМ во многом определяются типом источников нейтронов, т.к. интенсивность наведенного излучения прямо пропорционально плотности потока нейтронов Ф при активации. Существует три типа источников нейтронов.

Радиоизотопные источники. Описание их и принцип действия приведены выше, в разделе «Источники ядерных излучений». С изотопными источниками не удается получить плотности потока нейтронов выше 106 нейтрон/см2*сек. Этой плотности потока недостаточно для проведения многоэлементного НАМ.

Генераторы нейтронов. Это электростатические ускорители заряженных б-частиц, которые направляются на мишень из дейтерия Н3, в результате реакции получается гелий и нейтрон с энергией 14 Мэв. Эти быстрые нейтроны замедляются до тепловой энергии. Максимальная плотность поттока, достижимая на генераторах нейтронов, единицы на 109 нейтр/см2*сек.

Ядерные реакторы, в которых используется реакция деления ядер урана. В реакторе удается получить плотность потока тепловых нейтронов до 1013 - 1014 нейтрон/см2*сек. Потоки нейтронов в реакторе однороднее, чем в других нейтронных источниках, поэтому появляется возможность активации большой серии образцов при одной и той же плотности потока, чем резко увеличивается производительность анализа.

Методика проведения НАМ. Аналитические лаборатории, проводящие НАМ горных пород, обычно располагаются не при реакторах, и измерение проб возможно лишь через некоторое время после активации (требования техники безопасности).

Коротко, смысл определения элементного состава пробы заключается в изучении энергетического спектра вторичного г-излучения, т.к. энергия г-квантов строго определена для каждого элемента, а его интенсивность определяется содержанием данного элемента в пробе. Так как все работы проводятся в лабораторных условиях, использование гамма-спектрометров с полупроводниковыми детекторами позволяет получить хорошее энергетическое разрешение, следовательно, резко уменьшаются помехи (наложение спектральных линий, влияние мешающих излучений, фон рассеянного излучения и т.п.) и повышается точность анализа.

Условно называют нуклиды, образованные во время активации, с периодом полураспада Т от 2 часов до 2 суток короткоживущими, с Т > 2 суток - долгоживущими.

Основная доля активности проб горных пород в первые дни после облучения обусловлена содержанием в них изотопа Na24 (Т = 15 часов) , образовавшимся в результате нейтронного захвата Na23, входящим в состав породообразующих минералов. При среднем содержании натрия в породах, равном 3%, общей массе проб в навесках 20 г (50 проб по 400 мг каждая), длительности активации 6 часов в потоке 1013 нейтр/см2*сек, г-активность проб за счет Na24 достигает 0.4 Ки. При работе с веществами, обладающими такой радиоактивностью, требуются специальные меры защиты. После времени остывания 7 - 10 суток общая активность проб снижается до 1 - 2 мКи и можно работать без специальных средств защиты.

Для обеспечения необходимой активности долгоживущих изотопов и обеспечения высокой чувствительности их определения, необходимо облучать пробы при большом интегральном потоке нейтронов (время активации 20 часов при Ф = 1013 нейтр/см2*сек). Измерения проводят после почти распада изотопа Na24. Нуклиды с относительно долгоживущими изотопами имеют различные периоды полураспада - от 2 суток до нескольких лет. Оптимальная длительность остывания тоже различна, поэтому при групповом анализе полезно разделить все элементы на группы с близкими Т с тем, чтобы свести к минимуму число повторных измерений. В большинстве случаев достаточно трех измерений, включающее определение следующих элементов:

tост = 5 ч 8 суток - Au, La, Sm, Yb, Lu, W, Cd …

tост = 12 ч 15 суток - Nd, Cs,Rb …

tост = 30 ч 40 суток - Eu, Gd, Tb, Hf, Sr, Ag …

Основным фактором, ограничивающим чувствительность анализа горных пород по короткоживущим нуклидам, является г-активность проб, обусловленная содержанием в них распространенных элементов Na и Mn. Изотопы Na24 и Mn56, образующихся в результате активации, приводят к перегрузке счетчика, что резко снижает чувствительность определения элементов. Для определения короткоживущих нуклидов измерения гамма-спектра пробы необходимо проводить через несколько часов после начала остывания, время активации при этом не более 10 минут. Групповой анализ целесообразно проводить путем двух последовательных измерений:

tост = 5 ч 10 часов - Lu, Dy, Er, Sr, In, Eu;

tост = 20 ч 30 часов - La, Se, Fr, Sm, Gd …

Необходимо отметить, что НАМ является довольно затратным лабораторным методом. В той модификации, о которой говорилось выше (источник нейтронов - ядерный реактор, лабораторные спектрометры с полупроводниковым детектором, для обработки спектров вторичного излучения необходимы ЭВМ т.д.) нет смысла проводить определения обычных полезных ископаемых - с этой задачей успешно справляется РРМ. Предел обнаружения РРМ - примерно 0.1 - 0.2% содержания в полевом варианте. НАМ используется для анализа проб: на драгоценные металлы (золото, серебро, платина); редкие земли (осмий, иридий и др.); лантаноиды и актиноиды. То есть на те элементы, распространенность которых в земной коре крайне низкая. Пределы обнаружения некоторых элементов приводятся ниже в таблицах.

Элемент	Ег, Кэв	tост, сутки	Предел обнаружения, 10-4 %
Золото (Au)	412	5 ч 8	0.1
Кобальт (Co)	1333	30 ч 40	0.7
Гафний (Hf)	482	30 ч 40	0.8
Скандий (Sc)	889	30 ч 40	0.2
Европий (Eu)	122	1	0.1
Самарий (Sm)	103	1	2.0
Марганец (Mn)	847	0.3	3.0
Медь (Cu)	511	1	16.0
Гольмий (Ho)	81	1	5

Размещено на Allbest.ru

...