Количественное определение содержания радиоактивных элементов в породе

В настоящее время существуют два способа определения содержания радиоактивных элементов.

1. Непосредственное выделение отдельных элементов при помощи химического анализа. Однако этот способ требует больших затрат времени и является весьма дорогостоящим, поскольку концентрация радиоактивных элементов в нерадиоактивных породах чрезвычайно мала (от 0,1–10^-4 до 10–10^-4 %).

. 2. Гамма-спектрометрический метод, который заключается в сравнении спектров гамма-излучения анализируемого вещест­ва и эталонного вещества (урана, тория, калия или каких-либо других элементов равновесного количества) при одина­ковых условиях измерений.

Лабораторная работа Гамма - спектрометрический методопределения содержания радиоактивных элементов породе

Теория. Для изучения спектра гамма-излучения использу­ются детекторы, регистрирующие гамма-излучение и пере­дающие сигналы на анализатор импульсов в виде различных амплитуд, соответствующих определенному энергетическому уровню. Детекторы могут быть двух типов: сцинтилляционные и полупроводниковые [ 9 ].

Полупроводниковые (германий-литиевые) обладают малыми размерами и высокой разрешающей способностью (Е_у=0,2-­2,5 МэВ). Однако трудности создания больших объемов чувствитель-ной области и относительно невысокая чувствитель­ность (Е = 1-10%) регистрации гaмма-квантов препятствуют широкому их использованию, особенно для низкоактивных пород. Изучение гамма-спектров низкоактивных пород производится главным образом сцинтилля-ционными детекторами

Регистрация импульсов, поступающих отдетекторов, осу­ществляется многоканальными анализаторами АИ-128, АИ-256, АИ-1024, имеющими соответственно 128, 256, 1024 канала.

Каждый канал способен накапливать импульсы определенной амплитуды, соответствующие установленной энергии гамма-­квантов. Прибор АИ-1024 можно увидеть в лаборатории геофизики.

Определение содержания урана, радия, тория и калия заключается в регистрации спектров гамма-излучения образца породы, эталонов перечисленных элементов и фона с последу­ющей количественной обработкой результатов измерений [ 9 ] .

Спектр гамма-излучения, зарегистрированный амплитудным анализатором импульсов, называется аппаратурным спектром. Этот спектр существенно отличается от первичного спектра. rамма-излучения радиоизотопа вследствие сложных процессов взаимодействия гaмма-квантов с веществом сцинтиллятора, а также из-за статистических процессов, возникающих в фотоум­ножителе и анализаторе (рис. 45).

Дифференциация аппаратурных спектров улучшается с уме­ньшением разрешающей способности спектрометра ,которая оценивается величиной ή, равной отношению ширины ΔE_1/2фотопика ¹³⁷Cs на половине его высоты к энергии Еγпервичного гамма-излучения––Е_у= 0,662 МэВ (см. рис. ). Величина ή равна 6-10% для гaмма-спектрометров на сцин­тилляционных и 0,1-1% на полупроводниковых детекторах.

Идентификация радиоактивных элементов осуществляется по энергиям фотопиков анализируемого аппаратурного спектра, rpадуировку энергетической шкалы которого осуществляют по зависимости номера канала спектрометра от энергии эталонных излучателей: ¹³⁷Cs (Е_у=0,662 МэВ), ⁶⁰Co (Е_у= 1,14 и 1,32 МэВ), а также эталонов Ra, Th, К и их изотопов RaC, RaC", ThC, ThC", MsTh₂, ThB (рис. 44). Для повышения точности использо-ваны фотопики с энергиями 0,6 МэВ (RaC), 0,9 МэВ (MsTh₂) и 1,46 МэВ (^4ОК).

Концентрация радиоактивных элементов определяется путем сравнения интенсивностей гамма-излучения анализируемой по­роды I _п и i-х эталонов (Ra, Th и К) в определенных j-x интервалах энергий E j.

Регистрируемая интенсивность гамма-излучения для опре­деленного интервала энергий

I_п+ф = I_nj + I_фj в любом энер­гетическом интервале спектра складывается из интенсивности излучения породы I_nj и фона l_фj Величина I_nj является суммой интенсивностей излучения отдельных i-x радиоактивных элемен­тов в данном j-м интервале энергий:

n

I_nj = ∑ a _ij C_{i ,} ( )

i , j=1

где а ij - спектральный коэффициент, равный интенсивности гамма-излучения, зарегистриро-ванной в j - ом интервале энергий от единичной концентрации i-го радиоактивного элемента и С_i –концентрации i-го элемента в образце.

Концентрации С_i радиоактивных элементов могут быть найдены решением системы уравнений (120), в которых а ij и I пj определяются экспериментально.

Величина интенсивности I_j наиболее точно может быть определена по площади соответствующего фотопика, аппрок­симируемого кривой гауссовского распределения, с введением соответствующих поправок [4]. На практике величина I _j обычно определяется либо по модальному (максимальному) значению интенсивности в фотопике, либо по сумме нескольких значений I_j в области максимума фотопика.

Рис. 45. График эталонировки энергетической шкалы спектро­метра.

Точки: 1 – используемые при построении эталонировочного графика; 2 - полученныe на образцах, для проверки линейности

Таблица 3.