Аппаратура для ядерно-геофизических исследований

В аппаратуре для ядерно-геофизических исследований в качестве чувствительных элементов используют ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, термолюминесцентные кристаллы (рис. 111).

Рис. 111. Схемы чувствительных элементов (детекторов) для приборов, используемых при ядерно-геофизических наблюдениях:

1 — ионизационная камера; 2 — счетчик Гейгера — Мюллера; 3 — полупроводниковый кристалл; 4 — шинтилляционный счетчик; 5 — термолюминесцентный кристалл; СЦ— сцинтиллятор; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель

Приборы для ядерно-геофизических исследований кроме чувствительных элементов содержат усилители тока, индикаторы (для визуального отсчета), регистраторы (для автоматической записи) интенсивности либо естественного (J_γ) гамма-излучения, либо концентрации эманации радона, либо искусственно вызванных излучений (J_γγ). Для определения энергетического спектра излучений в приборах устанавливают дискриминаторы и амплитудные анализаторы. С их помощью выделяют импульсы, соответствующие определенному диапазону энергий ионизирующих излучений. Далее сигналы подаются в нормализаторы, которые создают импульсы определенной амплитуды и формы для их измерения или регистрации.

Для воздушной и автомобильной гамма-съёмок используют различные аэро- и авторадиометры,отличающиеся быстродействием, т. е. малой инерционностью. Они состоят из набора сцинтилляционных счетчиков, а также блоков: усилительного и регистрирующего. Питание приборов осуществляется с бортовой сети самолета (вертолета) или аккумуляторов автомобиля.

Для наземной (пешеходной) гамма-съёмки используют разного рода полевые радиометры. Конструктивно прибор состоит из выносного зонда, пульта управления и питания от сухих анодных батарей. Радиометры градуируют. С этой целью используют образцовый излучатель радия, помещаемый в коллиматор для создания узкого пучка гамма-излучения, с помощью которого определяется цена деления шкалы радиометра.

Для определения концентрации радиоизотопа по его энергетическому спектру используют полевые гамма-спектрометры, а для изучения концентрации радона в подпочвенном воздухе - эманометры. Они состоят из сцинтилляционного счетчика альфа-частиц, а также насоса и набора зондов, с помощью которых ведется отбор в камеру подпочвенного воздуха с глубины до 1 м. Шкалу прибора градуируют с помощью специальных эталонов, характеризующих концентрацию радона в подпочвенном воздухе (С_э).

 

Радиометрические методы разведки (радиометрия)

В радиометрии наибольшее применение нашли гамма-съёмки, так как гамма-лучи из всех видов радиоактивных излучений обладают наибольшей проникающей способностью.Этими методами изучаются интенсивность естественного гамма-излучения,а чаще — его спектральный энергетический состав.Эффективность обнаружения радиоактивных руд с помощью гамма-съёмки зависит не только от интенсивности гамма-излучения (J_у)разведываемых руд, но и от уровня нормального фона (J_Нф). Он обусловлен натуральным фоном радиоактивности перекрывающих рудное тело пород (J_Нфп) и остаточным фоном за счет космического излучения и «загрязненности» прибора (J_ост).

К методам радиометрии относятся воздушная, автомобильная, пешеходная (поверхностная), глубинная (шпуровая) гамма-съемки, радиометрический анализ проб горных пород, эманационная съемка, а также методы опробования, предназначенные для оценки концентрации радиоактивных элементов в обнажениях и горных выработках. В горных выработках изучают также жесткую компоненту космического излучения.

Аэрогамма-съёмка является одним из наиболее быстрых и экономичных методов радиометрии, применяется обычно в комплексе с аэромагниторазведкой, а иногда и аэроэлектроразведкой. Методика аэрогамма-съёмкисводится к непрерывной регистрации интенсивности естественного гамма-излучения (1_у) разных энергий. Работы проводят либо по отдельным маршрутам, либо по системе параллельных маршрутов, равномерно покрывающих разведываемую площадь. Привязку маршрутовпроводит штурман по ориентирам или радионавигационным приборам. В результате аэрогамма-спектрометрической съемки рассчитывают аномалии разных энергий, позволяющие выделить урановую, ториевую и калиевую составляющие радиоактивного поля. Наибольшими значениями энергии гамма-излучения отличаются элементы ториевого ряда, меньшими — уранового, еще меньшими — калиевого. Для повышения надежности выделения аномалий используют статистические приемы обработки с привлечением ЭВМ. Далее строят карты графиков, а иногда карты.

Автогамма-съёмка представляет собой скоростную наземную гамма-съёмку, выполняемую автоматически во время движения автомобиля с автогамма-спектрометром. Чувствительность автогамма-съёмки значительно выше, чем у аэрогамма-съёмки благодаря приближению станции к объекту исследования. С ее помощью проводят как детализацию аэрогамма-аномалий, так и их первичный поиск. Методика автогамма-съёмкисводится к профильным и площадным наблюдениям на участках, доступных для автомашин высокой проходимости.

Результаты автогамма-съёмкипредставляют в виде лент аналоговой регистрации. Выявленные аномальные участки закрепляют на местности, «привязывают» инструментальным способом и проверяют наземными гамма-спектрометрическими съемками. После первичной обработки материалов строят карты графиков и карты АJ_γ. На них визуально (или с помощью ЭВМ) выявляют аномалии. Сравнивая их с геологическими картами и другой информацией, оценивают перспективность территорий на радиоактивные элементы.

Пешеходная (поверхностная) гамма-съёмка — один из основных поисковых и разведочных методоврадиометрических исследований. Её проводят с помощью полевых радиометров и спектрометров. Рекомендуется ежедневно проверять режим работы прибора с помощью малых контрольных ториевых или радиевых источников.

Радиометрические съёмки бывают как самостоятельными, выполняемыми при площадных поисковых исследованиях масштаба 1:10000 и крупнее (при расстояниях между профилями меньше 100 м), так и попутными, проводимыми совместно с маршрутными геологическими съемками в масштабах 1:25000 - 1: 50000. При попутных и поисковых работах гильзу выносного зонда полевого радиометра располагают на высоте 10-20 см от поверхности и оператор в движении «прослушивает» радиоактивный фон пород в полосе нескольких метров по направлению движения. Через каждые 5-50 м (шаг съемки) или при аномальном повышении фона гильзу с детектором опускают на землю на 0,5-1 мин и снимают средний отсчет интенсивности поля.

Цель поисковых и попутных гамма-съёмок — выявление рудных полей и месторождений. Аномальные участки обследуют детальными гамма-съёмками в масштабах крупнее 1:10 000 (до 1: 1000) при густоте сети около 100х10 м (до 10x1 м).

В результате наземной гамма-съёмки строят графики, карты графиков и карты интенсивности ∆J_g эквивалентные гамма-активности пород ∆J_g = J_g - J_нф (интегральной или спектральным). Обработка данных спектрометрической гамма-съемки сводится к вычислению концентраций (С) урана, тория и калия (К⁴⁰) по J_g на разных энергиях. На рисунке 112 приведен пример результатов спектрометрической гамма-съёмки в Восточной Сибири, в результате которой удалось выявить в гранитах танталониобиевую минерализацию.

 

 

Рис. 112. Профили концентраций урана, тория и калия по данным гамма-спектрометрии над месторождением тантала:

1 — породы песчано-сланцевойтолщи; 2 — ороговико-ванныепороды; 3 — диабазовые порфириты; 4 — двуслюдяные мусковитовыеграниты; 5 — порфировидныемусковитовые граниты; б— амазонит-альбитовые граниты

 

Глубинная (шпуровая) гамма-съемка является детализационным вариантом пешеходной гамма-съёмки. Она выполняется в шпурах (бурках) глубиной до 1 м, а иногда в скважинах глубиной до 25 м с помощью специальных или полевых радиометров. Подобный гамма-экспресс-анализ (ГЭА) широко применяют при разведке и разработке месторождений радиоактивных руд, изучении их концентрации на обогатительных фабриках (в том числе на конвейерной ленте, в вагонетках и т. п.).

Спектрометрическая гамма-съемка применяется не только для поисков и разведки радиоактивных руд, но и для выявления других металлических и неметаллических полезныых ископаемых, парагенетически или пространственно связанных с радиоактивными (бокситы, олово, бериллий). Наблюдается повышенное содержание тория; на месторождениях ниобия, тантала, вольфрама, молибдена. Присутствует уран. На некоторых полиметаллических месторождениях много калия-40.

Эманационная съёмка основана на изучении концентрации альфа-частиц, содержащихся вэманациях, т. е. газообразных продуктах распада радиоактивных веществ, взятых из подпочвенного воздуха, или воздуха, заполняющего скважины, горные выработки, подвалы зданий. Наибольшим периодом полураспада из радиоактивных газов обладает радон (3,82 дня).

Эманационная съёмка может быть маршрутной и площадной. Методика сводится к отбору проб подпочвенного воздуха с глубины до 0,5-1 м и определению с помощью эманометра концентрации радона в нём. Для этого зонд эманометра погружают в почвенный слой и с помощью насоса в камеру закачивают подпочвенный воздух и измеряют концентрацию радона. Масштабы работ изменяются от 1:2000 до 1:10 000. В результате эманационной съёмки строят графики и карты равных концентрацийрадона (С_э) и на них выделяют аномалии — участки повышенного содержания радона. Над месторождениями радиоактивных руд аномалии достигают сотен и тысяч беккерелей на кубический дециметр. Над участками с эманированием, повышенным за счет раздробленности и трещиноватости пород, аномалии составляют десятки беккерелей на кубический дециметр. Нормальный фон — обычно около 30 Бк/дм³.