1.9 Особенности взаимодействия гамма-квантов

С электронными оболочками атомов

Процессы рассеяния и поглощения γ-квантов электронами атомов во многом определяются структурой атомов [2, 6]. Согласно квантовой механике, состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами (n,l,m,s), а состояние всей оболочки — набором этих чисел для всех электронов атома. Основное значение энергии связи электрона в атоме определяется главным квантовым числом n — 1, 2, 3, ... . Угловой момент электрона обусловлен его движением вокруг ядра и характеризуется орбитальным квантовым числом l = 0,1, 2, ..., (n—1). Проекция полного углового момента па заданном направлении определяется магнитным квантовым числом m = 0, ±1, ±2, ....l, а направление вектора спинового момента электрона — квантовым числом s = = ±1/2. Согласно принципу Паули, в атоме электроны различаются по крайней мере одним из квантовых чисел.

Орбитальный и спиновый моменты электрона могут быть объединены в полный момент j, в соответствии с этим вводится так называемое внутреннее квантовое число j. Оно принимает значения l+1/2 (когда орбитальный и спиновый моменты параллельны) и l—1/2 (когда моменты антипараллельны). Проекция полного момента на выделенное направление m; принимает значения —j, —j + 1, ..., j—1, j. Таким образом, вместо набора квантовых чисел n, l, m, s для описания состояния электрона в атоме можно использовать другой набор: n, l, j, m.

Взаимная ориентация орбитального и спинового моментов электрона (для краткости используется термин «спин-орбитальное взаимодействие») имеет чрезвычайно важное значение при объяснении особенностей спектров излучения атомов, в частности рентгеновского характеристического излучения. Спин-орбитальным взаимодействием вызвана так называемая тонкая структура спектров излучения. Эксперименты показывают, что в K-сериях рентгеновского характеристического излучения наблюдаются пары близких по энергии линий — дублеты. Тонкая структура линий, т. е. расщепление пика Kα на Kα₁ и Kα₂, а пика Kβ — на Kβ₁ и Kβ₂ объясняется следующим.

Пусть в K-оболочке образовалось вакантное место. Оно заполняется электроном другой оболочки, причем наиболее вероятен переход с L-оболочки, которая ближе всего к К-оболочке. Этот переход вызывает появление линий Кα, переход же с М-оболочки атома — линий Kβ. Спин-орбитальное взаимо­действие приводит к расщеплению уровней с определенным значением квантового числа l на два подуровня в соответствии с двумя значениями внутреннего квантового числа j = l - 1/2 и j = l—1/2, поэтому уровни с n = 2 расщеплены на 3 подуровня, а уровни с n = 3 — на 5 подуровней. Квантовомеханические правила отбора регулируют переходы между подуров­нями. Для орбитального квантового числа l правило отбора состоит в том, что изменение этого числа Δl при переходе электронов должно равняться ±1. Для внутреннего квантового числа правило отбора гласит: j = 0 или ±1. Этим правилам удовлетворяют два перехода (из трех возможных) с L-оболочки на K-оболочку и лишь два (из пяти возможных) при переходах с М- на K-оболочку. Таким образом объясняется появление дублетов в K-серии. Близость формирующих каждый дублет линий по энергии связана с тем, что расщепление уровней с одинаковым значением квантового числа l на подуровни сравнительно мало.

Структурные особенности электронной оболочки атомов в теории атомного рассеяния и поглощения γ-квантов учитываются обычно через атомный структурный фактор, равный в общем случае отношению сечений (вероятностей) взаимодействия γ-кванта с атомом в целом и с отдельным свободным электроном. Атомный фактор представляется в виде комплексного числа.

2 Методика и техника работ

ГГМ-С применяют в лабораторных условиях для анализа проб и образцов, в полевых условиях для опробования на поверхности, в канавах и подземных горных выработках и для каротажа скважин (ГГК-С). Во всех случаях, несмотря на различие в конструкциях зондов, имеются общие методические и технические приемы.

2.1 Общие вопросы ГГМ-С

В интегральной модификации ГГМ-С регистрируемое значение рассеянного γ-излучения I^γ уточняют, вычитая гамма-фон пород и гамма-фон зонда (прямое γ-излучение источника). Если шкала интенсивности не линейная, то прибор градуируют обычным способом. Другими словами, в ГГМ-С применяют ту же систему измерений, что и в плотностной разновидности ГГМ. Отличие состоит в том, что I^γ нормируют на величину рассеянного γ-излучения во вмещающих горных породах (среда, в которой не содержится тяжелый элемент) и для вычисления содержания пользуются отношением .

Как и в ГГМ-П, в интегральной модификации ГГМ-С целесообразно компенсировать постоянную составляющую рассеянного γ-излучения I^γ и применять систему оперативной проверки и настройки аппаратуры с помощью контрольно-калибровочного устройства.

В спектрометрическом варианте ГГМ-С основное внимание уделяют контролю стабильности энергетической шкалы. Настройку каналов спектрометра выполняют с помощью источников γ-излучения с хорошо разрешенными линиями первичного излучения.

Эталонирование аппаратуры ГГМ-С производят в тех же условиях, что и обычные измерения. Наибольшие затруднения встречаются при эталонировании зондов ГГК-С, так как для этого необходимы достаточно надежные результаты опробования керна буровых скважин. Использование моделей возможно для предварительного изучения характера основной зависимости метода.

Выбор варианта метода (интегрального или спектрального), типа источника и детектора, длины и конструкции зонда определяется стремлением обеспечить максимальную чувствительность, линейность эталонировочного графика и устранить помехи. Здесь возможны равноценные варианты, между которыми иногда трудно сделать выбор. Основываясь на опыте производственных работ и учитывая выводы теории, изложим некоторые рекомендации.

При опробовании руд тяжелых элементов (Z>70) используют источники ⁷⁵Se, ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co, детектор NaI (Tl) с алюминиевым фильтром и заинверсионные зонды. Опробование возможно в лабораторных условиях, в горных выработках и скважинах. Для устранения плотностных помех и влияния неровностей опробуемой поверхности применяют инверсионные зонды.

Для опробования руд элементов со средними атомными номерами (Z=20÷30) оптимальная энергия источника равна 80–120 кэВ. Детектором служат сцинтилляционные счетчики с кристаллом NaI (Tl) и тонким фильтром из алюминия, плексигласа или аналогичных материалов. Применяют интегрирующую аппаратуру, обеспечивающую достаточную чувствительность. В лабораторных условиях и при опробовании стенок горных выработок для увеличения чувствительности метода используют источники длинноволнового γ-излучения (¹⁷⁰Tm, ⁵⁷Co и другие). В скважинах, заполненных буровым раствором или водой, использование источников с оптимальной энергией γ-излучения затруднено из-за малой глубинности измерений (примерно 1-3 г/см²). Поэтому в этих случаях применяют источник ⁷⁵Se. для устранения помех широко используют инверсионные зонды.

Изучение Z_эфф в интервале 6 – 12 (определение зольности углей) выполняют с помощью спектрометрии рассеянного γ-излучения, так как интегральные измерения не обеспечивают достаточной чувствительности. Выбор энергии источника при исследовании в скважинах определяется глубинностью измерений, поэтому применение длинноволнового γ-излучения невозможно. Обычно длина зонда соответствует заинверсионной области. Для уменьшения влияния каверн и мелких неровностей стенок скважин Г. М. Воскобойниковым предложены специальные выносные блоки небольшой длины, в которых размещают только счетчик и источник. Блок прижимают к стенке скважины и экранируют со стороны бурового раствора. С основной частью скважинного снаряда выносной блок соединяется кабелем и шарнирами (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Скважинный снаряд ГГК-С с выносным блоком

Активность источников γ-излучения, применяемых в ГГМ-С, колеблется в широких пределах в зависимости от конструкции и длины зонда и энергии γ-излучения. Максимальная активность, однако, не превышает нескольких миллиграмм-эквивалентов Ra, то есть примерно такая же, как при использовании в ГГМ-П.

Интерпретация результатов ГГМ-С выполняется простейшими приемами. Обычно считают, что диаграмма рассеянного γ-излучения соответствует содержанию тяжелого элемента, поэтому мощность и границы рудных тел определяют по изменению I^γ. При использовании заинверсионных зондов, длина которых может превышать 20–25 см, рекомендуется применять способы определения границ пластов, разработанные для ГГК-П.