Радиоактивность

Естественной радиоактивностью называется самопроизволь­ное превращение одних атом-ных ядер в изотопы этих же ядер или в другие ядра. Самопроизвольное превращение атомных ядер сопровож-дается испусканием определенных частиц (альфа, бета, нейтрино, антинейтри-но). Испускание частиц сопровож­дается γ-излучением. Альфа –частицы ( α ) отклоняются в магнитном поле, они несут положительный заряд, равный 2е, а их масса совпадает с массой ядра изотопа гелия He; бета-частицы (β) также отклоняются в магнитном поле, но несут оди-ночный отрицательный заряд. β -частицы являются потоком быстро летящих электронов. α и β-частицы имеют очень слабую проникающую способность.

Гамма-лучи (γ ) представляют собой поток жесткого электромагнит­ного излучения, облада-ющеего очень высокой проникающей способностью. В связи с этим в полевых условиях чаще всего изучают γ-активность горных пород.

ГАММА-АКТИВНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Для изучения гамма-активности горных пород в основном используют удельную массовую qпγ или объемную kпγ эк­вивалентную гамма-активность, выражаемую в г-экв.Rа/кг породы, или более мелкие величины в пг-экв.Ra/г породы ( пико-грамм-эквивалент = 10^-12 ). Вместо Ra может быть использован эквивалент U, Th или К. При использовании удельной объемной гамма-актив­ности (kпγ) эквивалент выражают в пг-экв.Rа/м³ породы и в нкг-экв. Ra/кг ( пико-г.экв. Ra или нано-кг.экв.Ra)

Иногда используют процентное содержание U, Th, Rа или К (по массе). Поскольку гамма-активность породы определя­ется сравнением гамма-излучения с излучением эталона извест­ной радиоактивности, единицы измерения радиоактивности породы определяются единицами измерения эталона.

Лабораторная работа 29

Определение эквивалентной гамма-активности породы на радиометре с газоразрядным счетчиком.

Теория [4, 9]. Определение эквивалентной гамма-активности горных пород основывается на срав-нении изучаемого образца породы с эталоном известной радиоактивности (гамма-актив­ности), эквивалентной содержанию определенного радиоактив­ного элемента, выраженной в эквивалентах или в процентах. от одного из наиболее часто встречаемых элементов U, Th, Ra, К.

Рис. 1. Номограмма для нахождения числа импульсов N_n от породы (вместе с фоном)

при определении гамма-активности с заданной точностью

(выбор оптимального времени регистрации)

(14)

Где q_γэт-известная радиоактивность эталона; Iп, Iф, Iэт–ско­рости счета соответственно от породы, фона, эталона; m _п, m _эт - масса породы и эталона, соответственно.

Для определения объемной гамма-активности используют формулу

K = q_γп δ_тв (1-k_п ) +q_γз δ_з k_п (15)

где q_γп и q_γз - удельные массовые гамма-активности породы и заполнителя порового пространства;

δ_тв и δ_з–плотности твердой фазы и заполнителя порового пространства; k_п­–коэффициент пористости.

Сравнение производится по интенсивности счета импульсов от породы Iп и эталона Iэт. Поскольку к регистрируемому излучению добавляется радиоактивность, созданная космическим излучением, окружающей средой, материалами, из ко­торых изготовлен прибор, все это называется фоном Iф, который регистрируется отдельно и учитывается при определении q_γп.

Формулы (14) и (15) справедливы лишь при идентичности гeoметрических размеров образца и эталона, при отсутствии поглощения гамма-квантов в образце и эталоне, соответствии их химического состава (атомного номера Z), плотности и спектра излучения.

Для выбора оптимального времени регистрации Iп, Iэт, Iф используют палетку, приведенную на рис. 1 [3]. Предварительно определяют величину отношения γ = Iп/Iф, затем, исходя из заданной относительной погрешности измерения ε интенсивности излучения– ( I_{п +ф} – I _ф ), определяется требуемое суммарное число импульсов, регистрируемое от образца N_п и фона N_ф.

БГС (блок газоразрядного счетчика); l--индикатор гамма-излучеиия, 2-раздвижная планка, 3-усили­тель, 7--гильза для породы, 8-измеряемая порода, 9-свинцовый кожух (домик); ВБП (ВЫСОКОВОЛЬТ­НЫЙ блок питания): 4---пересчетный блок, 5---механический счетчик, б---выпрямитель ­питания газоразрядного счетчика

Величина Nп это абсцисса точки пересечения горизонтали, имеющей ординату ε с наклонной линией, соответствующей отношению γ. Величина N _ф находится экс­траполяцией точки пересечения горизонтальной и наклонной линий между кривыми Сс шифром, нанесённым в верх-ней части номограммы.

Времена измерений τ _п образца и τ_ф фона рассчитываются по соотношению τ _п = Nп / Iп; τф=.Nф/ Iф • При исследовании низко ак­тивных образцов измерения целесообразно проводить по методике «равного времени». В этом случае интенсивности Iп и Iф регистрируются в течение 10-15 мин с многократным повто­рением и принимают средние значения Iп ср и Iф ср для расчётов.

Аппаратура, оборудование, материалы. 1. Комплект аппаратуры, для измерения гамма-активности, включает га­зоразрядный счетчик, блок высокого напряжения, пересчетный блок, свинцовый «домик» (рис. 42). 2. Технические весы. 3. Контейнеры (гильзы) для образца, эталона и фона, 4, Образец, измельченный до размеров частиц менее 0,25 мм. 5. Порошковый эталон известной гамма - активности

Чаще всего используют эталоны равновесного урана, реже тория, а для излучения карбонатных пород - калия, Результаты определений выражаются соответственно в урановых, ториевых или калиевых -эквивалентах, или в процентном содержании этих элементов.

Порядок проведения работы. 1.Определяют массы образца и эталона т_п ,т_эт 2. Измельчают образец, засыпают в гильзу (контейнер). 3. Производят определение рабочего напряжения U_раб газоразрядного счётчика (индикатора гамма-излучения), для этого:

а) постепенно увеличивая напряжение, подаваемое на га­зоразрядный счетчик, определяют начало

счета Uн, при этом напряжении производят счет числа импульсов N_H за 3-5 мин;

б) последовательно увеличивая напряжение через 50 В, производят отсчет числа импульсов за одно и то же выбранное время, до резкого увеличения числа импульсов;

в) по полученным результатам строят зависимость N = f (U) (рис. 43);

г) определяют U_раб, которое находится в середине горизонтального участка зависимости

N_u == f(U);

4. Измеряют число импульсов от эталона и фона N_п+_ф за время τэт+ф = 15 мин.

5. Измеряют число импульсов от породы и фона N_п+_ф за время τ_п+ф=15 мин,

6. Измеряют за время τ = 15 мин число импульсов фона N_ф, поместив при этом индикатор в гильзу, заполненную NaCl, имеющую насыпную плотность, аналогичную породе и создающую такой же экран от окружающей среды. Сам же NaCl практически не имеет собственной гамма-активности.

Возможные систематические ошибки связаны с недостаточной разрешающей способностью применя-емой аппаратуры, погрешностями эталонирования радиометра, существенными различиями спектра γ-из-лучения измеряемых пород и эталона.

Для контроля точности радиометрических измерений про­водят повторный цикл измерений для 15-20% всех ис­следованных проб (внутренний контроль). Кроме того, часть анализов радиоактивности повторяют в другой лаборатории (внешний контроль).