Основы полевой гамма-спектрометрии

С развитием методики радиометрических поисков информация о распределении интегральной интенсивности γ-излучения перестала удовлетворять геологоразведочное производство. Во всех модификациях полевых γ-съемок широкое развитие получила сцинтилляционная γ-спектрометрия, позволяющая фиксировать на изучаемой территории распределение U (Ra), Тh, К. Полупроводниковая γ-спектрометрия пока имеет лишь ограниченное применение.

5.3.1. Принцип раздельного определения U(Rа), Тh, К.

Определение содержания радиоактивных элементов в породах и рудах основано на регистрации частоты импульсов N в оптимальных для искомых элементов энергетических окнах, в каждом из которых удельная интенсивность γ-излучения определяемого элемента является преобладающей (рис. 5.11).

При значении Е_γ > 1,0 МэВ такими участками являются области фотопиков γ-линий 1,12; 1,76; 2,20 МэВ для U; 2,61 МэВ для Тh и 1,46 МэВ для К. Число энергетических окон п равно числу определяемых радионуклидов. В многоканальных γ-спектрометрах (256 и более каналов) в энергетических границах каждого из п окон импульсы суммируются (Г. Ф. Новиков, 1989).

Так как аналитические линии в спектре урановой руды относятся к ²¹⁴Вi(RаС)— продукту распада Rа, то γ-спектрометрия практически во всех модификациях определяет лишь равновесное с радием (точнее с RаС) содержание урана или qU по радию.

В пункте наблюдения в выбранных п энергетических окнах последовательно или одновременно, в стационарном положении или в движении регистрируют с помощью у-

спектрометра частоту импульсов Ni и по этим значениям, зная чувствительность γ-спек-трометра, вычисляют содержание элемента j в породе.

tflE,

 

Рис 5.11. Выбор энергетических окон двухканального γ-спектрометра.

Кристалл NaI (Tl). Ширина окна ΔЕ0 = 30 кэВ. Окна, МэВ:

I -1,05 - 1,35, II -2,05- 2,65 (по Г.Ф. Новикову, 1989).

Исходные уравнения трехкомпонентной системы (U,. Тh, К) имеют вид:

(5.18)

^N2 = ^a2U ■ ^F2U

^a

2Th ■ ^F2Th ' qTh + ^a2K ' ^F2K ' qK

=a_3U -F_3U ■q_u+a_3Th -F_3Th -д_п+а_зк -F_3K-q_K

-1

где a_ij — пересчетные, или градуировочные, коэффициенты (с^-1 на 1 % U, Тh, К),

численно равные частоте импульсов в i-м окне на единицу содержания элемента j; эти коэффициенты находят на моделях или на природных объектах с известным содержанием U (Rа), Тh, К; Fij - функция, учитывающая различие условий измерения частоты импульсов.Ni - в пункте опробования и при градуировании γ-спектрометра, ее значения вводят в равенства (5.18) в виде поправок.

Решение системы уравнений при условии Fy = 1 находят в следующем виде:

_j = A₁j • N₁ + A_2j ■ N₂ + A_3j

N_i

(5.19)

где Аij — коэффициенты матрицы (с %), обратной матрице коэффициентов а_ц исходных уравнений (5.18), вычисляемые с помощью определителей.

5.3.2. Факторы, влияющие на результаты γ-спектрометрии

К числу основных факторов, влияющих на результаты определения qi γ-спектральным методом и на значения функции Fij, относятся:

1) Статистическая ΔNст и аппаратурная ΔNап погрешности регистрации частоты
импульсов;

2) конечные размеры излучающего объекта;

3) геометрия измерений, отличная от 2π- или 4π-геометрии;

4) эманирование пород и руд;

5) вариации содержания Rn в атмосферном воздухе;

6) выпадение атмосферных осадков и переменная влажность рыхлых отложений

7) водная среда, окружающая детектор при подводной γ-съемке.

Статистические и аппаратурные погрешности. Частоты импульсов Ni в равенствах (5.18) и (5.19) являются случайными величинами:

Анализ результатов расчета погрешностей (Г.Ф. Новиков, 1989) приводит к следующим выводам.

1. Случайная статистическая погрешность уменьшается с увеличением размера
кристалла, ширины энергетических окон, времени регистрации частоты импульсов и
вычисляемых содержаний элемента. Для кристаллов NaI(Т1) объемом V >100 см^э ghb
экспозиции наблюдений 1 мин, ширине окон ΔЕ >200 кэВ относительная статистическая
погрешность составляет единицы процентов в случае рудных концентраций U и Тh и
первые десятки процентов в случае кларковых их содержаний.

2. Аппаратурная составляющая погрешности сравнительно слабо зависит от размера
сцинтиллятора, особенно при широких окнах; она возрастает с увеличением концентрации
сопутствующего радионуклида и сильно зависит от положения энергетического окна и в
определенной мере от его ширины. Правильный выбор энергетических окон и включение в
схему γ-спектрометра устройств стабилизации масштаба энергетической шкалы позволяют
резко снизить аппаратурную составляющую погрешности.

Конечные размеры излучающих объектов. Насыщенные по γ-излучению рудные модели или природные объекты, на которых обычно градуируют γ-спектрометры, соответствуют бесконечным однородным излучающим средам с 2π- или 4π-геометрией измерения излучения. Реальные объекты отличаются конечными размерами и неравномерным распределением радионуклидов по их простиранию и падению. За счет этих факторов возникают недонасыщение γ-излучения по сравнению с условиями градуирования аппаратуры и изменение энергетического состава γ-излучения.

Для учета конечного размера объектов излучения вводятся специальные поправки. При определении поправок в данные γ-спектрометрии используются коэффициенты ослабления в горной породе, руде и воздухе, взятые для энергетического диапазона рабочих окон конкретного γ-спектрометра.

Учет неравномерности распределения радионуклидов по площади более сложен, особенно для условий аэрогамма-съемки. Составляемые ныне карты распределения U (Rа), Тh, К в действительности отражают лишь распределение урановой, ториевой и калиевой компонент излучения. Для перехода к содержаниям U (Rа), Тh, К необходимо учесть влияние соседних участков с иным распределением радионуклидов по сравнению с пунктом опробования.

Геометрия измерений. Переменную геометрию у-спектральных измерений в шурфах, дудках, расчистках, на рудных отвалах учитывают двумя способами: 1) аналитически — с помощью поправочных коэффициентов; 2) путем измерения разностного эффекта излучения ΔNi с экраном и без экрана.

Первый — аналитический — способ реализуется лишь в условиях равномерного распределения радионуклидов и простой геометрии выработки. Измеренную при телесном угле ω частоту импульсов Niω - приводят к показаниям спектрометра в 2π-геометрии:

Nin = Мизм/К, (5.20)

где

K = Nid}/Ni₂n (5.21)

Приведенные значения частоты импульсов Niп используют в расчётах содержания элементов qj ^по формуле (5.19). Значения K находят расчетным путем, предварительно

записав аналитическое выражение Niω для выработки конкретной формы. Эти выражения обычно приведены в методических руководствах и справочниках.

Второй способ заключается в том, что в точке наблюдения измеряют в рабочих окнах спектрометра частоту импульсов (Niб.э) без экрана и (Niэ) со свинцовым экраном толщиной 2,0—2,5 см пластинчатой или стаканообразной формы и находят разностный эффект

= Мбэ-Мэ (5.22)

Далее для расчета содержания U (Rа), Тh, К используют в равенствах (5.18) и (5.19) значения разностного эффекта ΔNi вместо записанных там частот импульсов Ni, а пересчетные коэффициенты а_г заменяют их разностными аналогами Да...

Способ экранов дает хорошие результаты при наблюдениях в любой геометрии в рудных и аномальных зонах, но приводит к высокой погрешности в нормальных γ-полях.

Для учета эманирования горных пород и руд (что сказывается в основном при аэрогаммасъемке) в современной аппаратуре предусмотрена компенсация влияния атмосферного радона путем установки дополнительного детектора, экранированного снизу свинцом и регистрирующего излучение радона лишь над самолетом.

Выпадающие на землю атмосферные осадки захватывают с собой твердые продукты распада Rn и на поверхности земли образуется тонкий излучающий слой с активностью, эквивалентной содержанию U до (7 - 10)10^-4 %. После дождя первоначальный фон восстанавливается через 2 - 2,5 часа (время распада RaC).

Большой экспериментальный материал (Новиков, 1989) показывает, что на площадях с континентальным климатом даже во время слабого дождя проводить γ-спектрометрические съемки нельзя. В приморских районах эта рекомендация касается лишь сильного дождя.