Радиометрические методы - Методы изучения элементного состава минерального вещества

Атомы химических элементов состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов оболочки. Ядро состоит из нуклонов, к которым относятся нейтроны и протоны (рис. 57). Число протонов определяет номер элемента, а сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Элементы, атомы которых имеют одинаковое число протонов, но различные массовые числа называются изотопами данного химического элемента.

Рис. 57. Строение атома

Явление естественной радиоактивности представляет собой процесс самопроизвольного превращения неустойчивых ядер атомов некоторых элементов земной коры в ядра других элементов. Процесс самопроизвольного распада сопровождается испусканием альфа -, бета-частиц, гамма-квантов. Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами), но наиболее важное значение для радиометрических исследований имеют изотопы калия, тория и урана.

Большинство радиоактивных элементов образуют семейства, в которых каждый элемент возникает из предыдущего, в результате б - и в - распада, цепочка распадов продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивое атомное ядро. Так в процессе превращения 238U в стабильный свинец образуется 14 промежуточных элементов (рис. 58).

При работе с естественными и искусственными радионуклидами определяется их масса, концентрация, доза и мощность дозы излучения. Массу долгоживущих радиоактивных нуклидов определяют в Кг, г, мг.

радиоактивный рад u (кунщиков б.к., кунщикова м.к., 1976) [12]

Рис. 58. Радиоактивный рад 238U (Кунщиков Б. К., Кунщикова М. К., 1976) [12]

В СИ единицей для определения активности радионуклидов является беккерель (Бк) - это активность любого нуклида, в котором за 1 секунду распадается 1 ядро. Единица названа в честь французского физика, лауреата Нобелевской премии Антуана Анри Беккереля.

Очень часто на практике используют несистемную единицу активности - Кюри (Ки) - 3,7x1010 Бк (расп/сек). Эта единица возникла исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской премии французские ученые супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Мощность дозы, т. е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг), микрорентгенах в час (мкР/ч).

Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше концентрация в них естественных радиоактивных элементов. Породообразующие минералы можно разделить на четыре группы в зависимости от радиоактивности:

1. Группа минералов очень высокой радиоактивности - это минералы урана (первичные - уранит, настуран, вторичные - карбонаты, фосфаты, сульфаты уранила и др,) тория (торианит, торит, монацит и др.); 2. Группа минералов высокой радиоактивности - минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные соли); 3. Группа минералов средней радиоактивности - магнетит, лимонит, сульфиды и др.; 4. Группа минералов низкой радиоактивности - кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др.

Соответственно радиоактивность горных пород определяется радиоактивностью породообразующих минералов и изменяется в очень широких пределах в зависимости от качественного и количественного состава минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма. Концентрация радиоактивных элементов в магматических породах возрастает от ультраосновных к кислым породам.

Основой радиометрических методов является выявление и изучение естественной радиоактивности минералов и горных пород. Радиометрические методы можно разделить на полевые и лабораторные методы.

Все полевые поисковые радиометрические методы являются геохимическими, так как изучают геохимические поля радиоактивных элементов с целью выявления их ореолов рассеяния. В лабораторных условиях радиометрические методы применяются для определения содержания радиоактивных элементов в минералах, горных породах, воде и газах.

С помощью радиометрических методов можно решить следующие задачи:

- геологическое картирование, которое основано на различии радиоактивности разных типов пород, а также повышение радиоактивности пород в зоне тектонических нарушений; - литологическое расчленение горных пород. В данном случае очень важен г-метод исследования скважин в комплексе с другими геофизическими методами в случае, когда бурение скважин осуществляется без отбора керна или выход керна мал; - радиометрические методы широко применяются во всех видах поисков и разведки полезных ископаемых генетически и парагенетически связанных с ураном и торием. Например, к месторождениям редкоземельных элементов, боксита, олова, бериллия приурочено повышенное содержание тория; к месторождениям ниобия, тантала, вольфрама, молибдена - урана; к некоторым полиметаллическим месторождениям - калия; - разведка, определение глубины и мощности рудных тел, а также оконтуривание границ залегания. Максимальное значение радиоактивности элементов в земной коре приурочено к верхней части гранитной геосферы, мощностью 25-30 км; - определение абсолютного возраста горных пород, основанного на том, что процесс радиоактивного распада протекает с постоянной скоростью, не зависящей от окружающих физико-химических условий.

Основными методами радиометрии являются гамма-съемка, при которой регистрируют интенсивность гамма-излучения, и в меньшей степени используется эманационная съемка, основанная на измерении концентрации эманации в почве и воздухе (т. е. измеряется излучение радиоактивных газов).

Радиоактивные излучения могут быть зарегистрированы двумя методами: ионизационными и импульсными. В ионизационном методе в качестве регистрирующих приборов используются ионизационные камеры, а в импульсном - счетчики излучения.

В ионизационных камерах измеряют интенсивность б - излучения, имеющего большую ионизационную способность, реже в - излучение. С помощью счетчиков регистрируют все виды излучения.

В ионизационной камере (рис. 59) находятся газ и два электрода, к которым подводят напряжение в несколько сот вольт. Под действием альфа-, бета-лучей или вторичных заряженных частиц, возникающих при поглощении нейтронов, газ ионизируется, а получающиеся свободные электроны и ионы движутся к электродам. В результате в цепи возникает ток. Измеряя его или разность потенциалов, можно определить интенсивность излучений, вызывающих ионизацию.

Рис. 59. Схема ионизационной камеры: 1 - внутренняя поверхность и сердечник камеры (положительный электрод); 2 - металлическое кольцо (отрицательный электрод); 3 - днище камеры; 4 - янтарный изолятор; 5 - охранное кольцо

В газоразрядных счетчиках (счетчик Гейгера - Мюллера), в баллоне под пониженным давлением находится инертный газ (обычно аргон для измерения гамма-лучей или гелий для определения потока нейтронов) и два электрода под высоким напряжением (до 1000 В) (рис. 60).

Рис. 60. Схема стеклянного счетчика Гейгера - Мюллера(http://bse. sci-lib. com): 1 - герметически запаянная стеклянная трубка; 2 - катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали); 3 - вывод катода; 4 - анод (тонкая натянутая нить)

При появлении хотя бы одной пары ионов возникает краткий разряд. При облучении баллона гамма-квантами возникают вторичные заряженные частицы (ионы и электроны) и в нем наблюдается система разрядов в виде импульсов тока, которые можно зафиксировать.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора (неорганические или органические кристаллы, жидкие и газообразные), способного под действием гамма-квантов испускать вспышки света (рис. 61). Кванты света, попадая на фотокатод фотоумножителя, выбивают из него электроны. За счет вторичной эмиссии и наличия ряда электродов, находящихся под все большим напряжением, в фотоумножителе возникает лавинообразный, увеличивающийся поток электронов. В результате на аноде собирается в 105-1010 Раз больше электронов, чем было выбито из фотокатода, а в цепи возникает электрический ток. Сцинтилляционный счетчик обеспечивает гораздо большую эффективность регистрации г-квантов (до 30-50 % и более), чем газоразрядные, и дает возможность изучения спектрального состава излучения. У сцинтилляционных счетчиков более низкий уровень их собственного и космического фона.

Рис. 61. Сцинтилляционный счетчик (http://www. krugosvet. ru)

Полевая радиометрическая аппаратура предназначена для измерения б -, в - и г - активности пород в процессе пешеходной, автомобильной и воздушной съемок, для обнаружения и определения концентраций радиоактивных эманаций в горных выработках, почвенном воздухе и воде. По типу применяемых счетчиков приборы подразделяются на газоразрядные и сцинтилляционные. спектральный радиометрический элементный минерал

Для гамма-съемки используют разного рода полевые радиометры со стрелочным индикатором на выходе. С помощью наушников можно осуществлять звуковую индикацию импульсов. Прибор состоит из выносного зонда, пульта управления и питания от сухих анодных батарей. Для того, чтобы по шкале измерительного микроамперметра можно было определить интенсивность гамма-излучения, радиометры градуируют. С этой целью используют образцовый излучатель радия, помещаемый в коллиматор для создания узкого пучка гамма-излучения. В этих приборах, кроме сцинтилляционных счетчиков, имеются дискриминаторы, с помощью которых определяют интенсивности гамма-лучей разного энергетического уровня.

Для изучения концентрации радона в подпочвенном воздухе используют эманометры, которые состоят из пробоотборника, поршневого насоса, сцинтилляционной камеры, измерительного пульта и соединительных резиновых трубок.

Определение концентраций эманации основано на регистрации б - частиц, излучаемых радиоактивными элементами пробы с помощью открытого сцинтилляционного детектора. Прибор питается от сухих анодных батарей.

Радиометрические методы по виду используемых излучений разделяют на б-, в-, г-методы.

Альфа - излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), энергия которых на длине пути около 10 см в воздухе и долей миллиметров в породах тратится на ионизацию и нагревание окружающей среды, поэтому проникающая способность у них очень мала. Т. е. б - распад - это выбрасывание (испускание) из ядра атома a-частицы, а б - частица - это 2 протона и 2 нейтрона, то есть ядро атома гелия с массой 4 единицы и зарядом +2. Скорость б - частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек. Так, например, при б - распаде урана всегда образуется торий, при a-распаде тория - радий, при распаде радия - радон, затем полоний и наконец - свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234 (рис. 62), затем радий-230, радон-226 и т. д.

Рис. 62. Б-распад урана с образованием изотопа торий (http://nuclearno. ru)

Б-метод используется с целью измерения б-излучения и определения концентрации радиоактивных элементов (U, 222Rn, 226Ra и др.) в радиоактивных рудах и породах. Использование б-метода является сложной задачей из-за специфики б-частиц.

Для измерения б-излучения используются ячеистые сцинтилляционные системы, пропорциональные газопроточные счетчики и сцинтилляционные жидкостные счетчики в совокупности с предусилителем, усилителем, источником высокого напряжения, счетными и записывающими устройствами.

Бета-излучение представляет собой поток электронов (в-- излучение, или, чаще всего, просто в - излучение) или позитронов (в+- излучение), возникающих при радиоактивном распаде (рис. 63). В настоящее время известно около 900 в - радиоактивных изотопов. Масса б-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы б-частиц. В зависимости от природы источника в - излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3-0,99 скорости света. Максимальное значение для в - излучения равно 4 миллиона электрон-вольт (МэВ). В - частицы вызывают в основном ионизацию окружающей среды, т. е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов.

Рис. 63. В - распад радиоактивного изотопа калия-40 с превращением его в стабильный изотоп кальция-40 (http://nuclearno. ru)

Полевые методы с использованием - метода предназначены для оконтуривания ореолов рассеяния радиоактивных элементов в поверхностном слое горных пород или почв. Измерение в - излучения производятся ионизационными методами, однако чаще всего его измеряют импульсным методом на лабораторных радиометрах. В лабораторной условиях - метод является основным методом установления содержания урана в урановых рудах. Радиоактивность пробы руды по - лучам сравнивается с радиоактивностью эталона в одинаковых условиях измерения.

В - метод может использоваться в комплексе с г - методом. Комплексный в - г - метод основан на различии вкладов каждого компонента в измеряемую активность пробы.

Гамма-излучение представляет собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (рис. 64). Хоть они 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). Количество и концентрация долгоживущих элементов (U, Th, 40К) в горной породе определяются их массой и процентным содержанием (или эквивалентным содержанием урана).

Рис. 64. Выделение избытка энергии в виде гамма-излучения при нейтронном распаде (http://nuclearno. ru)

Существуют различные приборы с разной чувствительностью к г - излучению. Выбор оптимального прибора зависит от условий проведения г - съемки и требований, предъявляемых к ее результатам. Основная масса приборов производит измерения мощности экспозиционной дозы гамма излучения от 0,1 до 10000 мкр./ч в энергетическом диапазоне от 80 кэВ до 2,6 МэВ. Лабораторный г - метод применяется для установления содержания в пробах г - излучающих радиоактивных элементов. Измерения г - излучения проб производятся импульсным методом или со сцинтилляционными счетчиками. Применение этих счетчиков дает возможность производить г - измерения с высоким уровнем чувствительности. Далее следует сравнение активности исследуемой пробы с активностью эталона при одинаковых геометрических условиях c вытекающими расчетами.

Радиометрические методы - Методы изучения элементного состава минерального вещества

Похожие статьи