Внешний вид радиометра и принцип работы.
Методическое руководство по соревнованию «Радиометрия»
Введение
Одним из важнейших геофизических методов является радиометрия. Все горные породы и минералы обладают естественной радиоактивностью, это было установлено ещё В.И. Вернадским. Он дал первое научное определение целей и задач этой науки: «Радиогеология изучает ход радиоактивных процессов в нашей планете, их отражение и их проявление в геологических явлениях». В настоящее время эта область необыкновенно важна, так как в связи с научно-техническим прогрессом главенствующую роль приобретает радиоактивное сырье, поиском и разведкой которого и занимается радиометрия.
Из всех известных радиоактивных элементов в земной коре наиболее распространены уран, торий и калий, поэтому в радиометрии изучают именно их. Они встречаются в горных породах в рассеянном состоянии, в виде примесей, а также входят в состав различных минералов. Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше в них концентрация U, Th, K и определяется она, прежде всего, радиоактивностью породообразующих минералов.
Наибольшей радиоактивностью обладают магматические горные породы, в которых содержится до 95% всех радиоактивных элементов (табл. 1). Максимальную радиоактивность можно наблюдать над гранитными интрузиями, гидротермальными жилами, содержащими радиоактивные минералы.
Среди магматических пород, наибольшей радиоактивностью обладают кислые (гранит, диорит), а наименьшей – ультраосновные породы (дунит, перидотит, см. табл. 1). Так же наблюдается зависимость между радиоактивностью и возрастом этих пород. Максимальные значения радиоактивности будут характерны для молодых кислых разностей.
|
|
|
Для осадочных пород наибольшая концентрация U, Тh, К характерна для глин благодаря их абсорбционным («впитывающим») свойствам. Высокое содержание радиоактивных элементов также наблюдается в породах с конкрециями фосфоритов. Наименьшие содержания радиоактивных элементов характерны для известняков и осадков выпаривания (галит, ангидрит, гипс).
Содержание радиоактивных элементов в почвах определяется радиоактивностью коренных пород и совокупностью последующих процессов почвообразования. Наибольшие концентрации U, Тh, К соответствуют почвам, развитым на кислых магматических породах, глинах. Радиоактивность черноземных почв выше, чем лесных и подзолистых. По мере увеличения глинистой фракции в почвах возрастает и их радиоактивность.
Из минералов наибольшей радиоактивностью отличаются минералы урана (уранинит, настуран) и тория (торит, ураноторит). Основным источником природного урана является минерал уранинит (UO2). Скрытокристаллические плотные разновидности называются настураном, а рыхлые и аморфные – урановой чернью.
|
|
|
Таблица 1.
Среднее содержание урана ( U ), тория ( Th ) и калия (К) в природе.
(Выделены наиболее радиоактивные горные породы и элементы земной коры)
| I . Горные породы | U ,10-4% | Th ,10-4% | К-40,% |
| 1. Магматические: | |||
| 1.1 Граниты (Риолиты) | 4-6 | 18-25 | 3,34 |
| 1.2 Диориты (Андезиты) | 1,8 | 7 | 2,3 |
| 1.3 Габбро (Базальты) | 0,6-0,7 | 1,8-4,3 | 0,83 |
| 1.4 Перидотиты (Пирок сениты) | 0,03 | 0,08 | 0,03 |
| 2. Осадочные: | |||
| 2.1 Известняки | 1,2 | 2,5 | 0,4 |
| 2.2 Глины | 3,5 | 7,0 | 2,3 |
| 2.3 Песчаники | 2,1 | 9,0 | 2,1 |
| 2.4 Соли | 0,1 | 0,4 | 0,1 |
| II. Земная кора | 2,3 | 8,0 | 2,4 |
| 1. Земная кора (Гранитный слой) | 3,6 | 15,5 | 3,6 |
| 2. Земная кора (Базальтовый слой) | 1,0 | 3,3 | 1,0 |
| III. Почвы | 2,1 | 6,0 | 1,4 |
Низкая радиоактивность характерна для кварца, кальцита, гипса, ангидрита, угля, а так же для каменных солей, что является важным поисковым признаком для данного вида сырья. Средними значениями радиоактивности отличаются магнетит, лимонит, сульфиды и многие другие минералы.
|
|
|
Следует отметить, что радиоактивные элементы встречаются не только в горных породах и минералах, но также в воздухе, воде и растениях. В человеке весом 70 килограмм содержится 0,002 грамм урана.
Радиометрия
Радиометрия – это комплекс методов ядерной геофизики, основанный на измерении естественной радиоактивности горных пород и минералов. В основе радиометрии лежит явление радиоактивности – способности ядер некоторых атомных элементов самопроизвольно переходить в более устойчивое энергетическое состояние и превращаться в ядра других химических элементов с испусканием альфа (α), бета (β) и гамма (γ) частиц.
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году Анри Беккерелем, обнаружившим испускание солями урана (U) каких-то неизвестных лучей. Он установил это случайно, оставив фотопластинку в ящике стола с урановой солью. Когда же пластинка была проявлена, оказалось, что на ней остались темные пятна. Вскоре Беккерель установил, что и минералы, содержащие уран, дают тот же эффект. Несколько позже английский физик Эрнест Резерфорд пришел к выводу, что эти лучи имеют сложный состав и содержат, по крайней мере, два компонента, отличающихся проникающей способностью. Излучение с меньшей проникающей способностью он назвал α-лучами, а с большей – β-лучами. А в 1900 году французский физик П. Виллар открыл третий компонент радиоактивного излучения, имеющий наибольшую проникающую способность, – γ-лучи. Все эти виды лучей составляют радиоактивное излучение, которое является следствием радиоактивности.
|
|
|
Рис.1. Три вида излучений и их проникающая способность
α-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия (He), проникающая способность которых очень мала. Пробег α-частицы в воздухе более 11,5 см, прямолинейная траектория. Они не могут «пробить» даже обычный листок бумаги.
β-излучение обладает большей проникающей способностью и представляет собой поток электронов.
γ-излучение (γ-кванты) – это высокоэнергетическое электромагнитное излучение. Для них характерна наибольшая проникающая способность (до метра в горных породах). Именно поэтому на практике чаще всего регистрируют именно их.
Естественной радиоактивностью обладают элементы с порядковым номером в таблице Менделеева равным или превышающим 92, то есть, начиная с урана (U), а также различные радиоактивные изотопы (разновидности атомов одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре). При переходе в другие элементы наблюдается α-излучение, β-излучение, γ- излучение, то есть явление радиоактивного распада.
Самыми долгоживущими радиоактивными элементами являются уран-238 (U-238), торий-232 (Th-232) и изотоп калия (К-40). Их период полураспада Т1/2, то есть время за которое распадется половина первоначального количества атомов, составляет 4.5*109, 1.39*1010 и 1.4*1010 лет соответственно. В итоге, они превращаются в нерадиоактивные элементы – свинец, гелий, стронций, аргон. Например, уран-238 (U-238) переходит в свинец-206 (Pb-206).
Э. Резерфорд и П. Кюри высказывали предположение, что радиоактивный распад можно использовать как эталон времени, так как он характеризуется постоянной скоростью. Это свойство В. И. Вернадский и А. Холмс использовали при определении возраста пород и минералов. Оно же легло в основу абсолютной геохронологии – изучения возраста горных пород. Для определения возраста породы проводят химический анализ, устанавливая количество элемента, образовавшегося в результате распада, а также оставшееся количество радиоактивного элемента. В зависимости от продуктов распада выделяют свинцовый, гелиевый, аргоновый, кальциевый, углеродный и прочие методы абсолютной геохронологии. Данные радиоактивного анализа позволяют определить возраст самых разнообразных горных пород.
Пешеходная гамма-съемка
Пешеходная гамма-съёмка – один из основных поисковых и разведочных методов радиометрических исследований. Она широко применяется на всех стадиях и под стадиях геологоразведочного процесса для поиск и разведки радиоактивных руд и парагенитически или пространственно связанных с ними нерадиоактивных полезных ископаемых (Nb, Ta, TR, V, Mo, Au, Sn, W, Hg, бокситы, фосфориты) в условиях развития открытых и в том числе слабо проявленных, ореолов.
Теоретической основой гамма-съемки являются расчеты γ-полей для оценки амплитуды и площадных размеров γ-аномалий над излучающими геологическими объектами различной формы.
При проведении работ измеряется интенсивность γ-излучения пород и руд переносными радиометрами на поверхности земли, в закопушках и шпурах и выделяются аномальные по интенсивности излучения участки. Измерения производятся по маршрутам, прокладываемым вкрест простирания пород и структур по предварительно разбитым на местности профилям. Глубинность пешеходной гамма-съемки составляет 0,5-0,7 м.
Внешний вид радиометра и принцип работы.
При поисках полезных ископаемых, картировании, геоэкологических работах для регистрации гамма-излучения используют специальные приборы – радиометры(рис. 2).
Рис.2 Общий вид радиометра СРП-68-01
1 – измерительный пульт, 2 – Блок детектирования
Для регистрации g-квантов при пешеходной гамма-съемке применяются наиболее чувствительные радиометры со сцинтилляционными счетчиками (рис.2). Прибор сцинтилляционный радиометр полевой СРП-68-01 предназначен для поиска радиоактивных руд, по их гамма-излучению и для радиометрической съемки местности, а также для радиометрического опробования карьеров и горных выработок. Информация выдается в виде показаний стрелочного индикатора и цифрового индикатора. Приборы СРП-68-01 позволяют проводить измерение потока гамма-излучения в пределах от 0 до 10000 с-1 и мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в пределах от 0 до 3000 мкР/ч
 |
Рис. 3. Внешний вид радиометра СРП–68–01: 1 – стрелочный индикатор; 2 – разъем для подключения гильзы; 3 – разъем для подключения наушников; 4 – лицевая панель радиометра; 5 – режимный переключатель; 6 – переключатель пределов измерения; 7 – кнопка «Контр»; 8 – блок детектирования (гильза)
Схемы радиометра СРП-68-01 выполнены на микромодулях. В качестве сцинтилляционного счетчика (рис. 4) использован кристалл NaI в сочетании с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Принцип работы сцинтилляционного счетчика следующий. При попадании g-кванта в кристалл- сцинтиллятор происходит возбуждение атомов и молекул вдоль траектории движения g-кванта. Возбужденные атомы, живущие короткое время, переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ (люминофоров)[1] часть спектра этого излучения приходится на световую область. Прохождение g-кванта через такое вещество вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в люминофоре в последний добавляют активаторы. Вид активатора указан в скобках после обозначения люминофора. Так кристалл NaI, активированный таллием, обозначают NaI(Tl).
 |
Рис. 4. Схема сцинтилляционного детектора: 1 – люминофор (сцинтиллятор); 2 – корпус ФЭУ; 3 – катод; 4 -8 – диноды; 9 – анод
Итак, попадание g-кванта в люминофор вызывает световую вспышку – сцинтилляцию, в результате которой образуются фотоны. Фотоны, поступающие из люминофора на фотокатод[2], выбивают из последнего несколько десятков или сотен электронов. Электроны, фокусируясь и ускоряясь электрическим полем, бомбардируют первый динод[3]. Потенциал каждого последующего динода на некоторую величину (10 В) превышает потенциал предыдущего, что обеспечивает ускорение электронов между ними. За счет вторичной эмиссии и наличия ряда динодов в фотоэлектронном умножителе возникает лавинообразно 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.
Порядок выполнения задания по геологическому соревнованию «Радиометрия»:
1.1. Перед началом работ проверить исправность прибора и заряд батареи, подогнать ремень в удобное для вас положение, замерить фон.
Для этого необходимо переключатель (5) перевести из положения «ВЫКЛ» в положение «БАТ» – показывает заряд батарей.
При полном заряде стрелка индикатора находиться в крайнем правом положении. (Питание радиометра осуществляется от девяти элементов типа 343, или LR14). Комплект питания обеспечивает непрерывную работу прибора без недопустимых отклонений показателей на протяжении 120 ч.
2. Произвести измерения интенсивности гамма-излучения при помощи контрольного эталона.
Перед началом маршрутных наблюдений и в процессе маршрута производятся измерения интенсивности гамма-излучения при помощи контрольного эталона, прикрепленного сбоку к корпусу радиометра. Эталон радиометра состоит из изотопа Со40 и имеет мощность экспозиционной дозы 60 мкР/ч.
3. Осуществить замер интенсивности g-излучения на контрольном пункте (КП Iнф, мкР/ч). Результаты заносятся в ученую карточку.
Близ начала полигона на участке распространения однотипных пород с относительно постоянным значением радиоактивности, устраивается контрольный пункт, где перед началом и после окончания работ, проводятся контрольные измерения интенсивности гамма-излучения. Измерения на КП осуществляются исключительно для контроля корректности работы прибора и выявления изменений интенсивности гамма-излучения на площади работ.
4. Далее следует приступить к работе непосредственно на территории полигона, профиля. Задача съемки – выявить аномалии, построить карту изолиний интенсивности g-излучения в выбранном масштабе. Для этого необходимо произвести измерение на каждом из пикетов, а именно:
• Снимаются 16 рядовых замеров гамма-активности в узлах площадки;
• Каждое измерение записывается в журнал и наносится на план съемки на планшете за вычетом фона (расчетное значение);
• Определяются аномальные квадраты;
• Находится эпицентр аномалии в квадрате путем свободного поиска;
• Через эпицентры параллельно осям основного квадрата полигона проводится детализация с шагом 10см. Замеры ведутся до выхода интенсивности гамма-излучения в фоновые значения.
• Детальные точки наносятся на план, напротив точки пишется расчетное значение гама-поля в мкр/час.
4.1. Проведение измерений на рядовых пикетах.
СРП-68-01 достаточно прост в обращении. Со стрелочного индикатора (1) снимаются значения, полученные в процессе работы. На нем имеются 2 шкалы – кратная трем (нижняя) и десяти (верхняя). В зависимости от интенсивности гамма-излучения используются различные диапазоны измерения, изменяемые переключателем (6), а соответственно и шкалы: («30») от 1 до 30 мкР/ч (значения снимаются с нижней шкалы), («100») 1-100 мкР/ч (верхняя шкала), («300») 1-300 мкР/ч, («1000») 1-1000 мкР/ч, («3000») 1-3000 мкР/ч (максимальное значением, которое способен зафиксировать СРП-68). Для каждого диапазона измерения цена деления шкалы своя.
Основной рабочий режим радиометра находится в положении переключателя «2,5». Значение «2,5» – это время необходимое для снятия измерения, оно достаточно мало, поэтому точность отсчета, из-за постоянного колебания стрелки, невелика и составляет 1 мкР/ч. Наиболее точный результат можно получить, переведя переключатель в положение «5». Это связано с увеличением времени регистрации гамма-квантов. Режим работы «5», как правило, используется для более точного определения значений аномалий гамма-активности и их детализации. Цифры «2,5» и «5» означают время в течение, которого прибор суммирует регистрируемые импульсы.
 |
|
ПК
Рис.5. Сетка рядовых профилей.
отсчета необходимо установить радиометр в положение «2,5», не прикладывая дополнительных усилий, на трубку прибора, чтобы ее не повредить, прижать к поверхности земли. Примерно через 3–5секунд, когда стрелка радиометра успокоится, можно записывать результат измерения.
Чем больше измерений проводится для определения радиоактивности горных пород, тем точнее определяется его значения. Стоит отметить, что на каждом пикете можно проводить более чем одно измерение (как правило, три). При этом значение интенсивности гамма-излучения на каждом пикете (ПК) рассчитывается как среднее арифметическое всех трех измерений. Делается это для увеличения точности результатов съемки.
Если стрелка зашкалит в крайнем правом положении, необходимо переключить диапазон измерений. Большинство радиометров позволяют более или менее точно измерять интенсивность гамма-излучения непосредственно в одной конкретной точке (к которой прижата трубка радиометра). Чем выше трубка прибора находится над пикетом, тем меньшее значение будет зафиксировано. Однако площадь эффективного действия радиометра, то есть поверхность, с которой происходит сбор сигнала, увеличится.
Данную процедуру повторить на каждом пикете. Полученные значения занести в полевой журнал.
4.2 Поиск центров (максимумов) аномалий и детализация «крестом».
Методом свободного поиска на полигоне ищем максимумы аномалий. При детализации «Крестом» через эпицентр аномалии проводится 2 перпендикулярных профиля, на линиях которого через равный шаг измеряются значения интенсивности гамма-излучения (рис.6).
Рис. 6. Пример детализации аномалии «крестом»
Данный способ позволяет существенно сэкономить время работ, однако им нельзя абсолютно правильно выявить форму аномалии, так как отсутствуют значения по диагонали от эпицентра. При детализации аномалий, возможно, использовать совмещенный вариант, когда к двум основным перпендикулярным профилям, проведенным через эпицентр, добавляется ряд дополнительных значений по диагонали от аномалии (рис.7). В обоих случаях все замеры ведутся до выхода интенсивности гамма-излучения в фоновые значения.
5. По окончанию гамма-съемки производится измерение интенсивности g-излучения на КП Iнф, мкР/ч. Результаты заносят в журнал.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 310; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!