Ядерно-геофизические методы

Гамма-гамма-методы (ГГМ)

ГГМ основан на облучении горных пород первичным потоком γ-кван­тов средней энергии (до 2 Мэв) и после взаимодействия регистрации вторич­ного γ-излучения.

Для γ-излучения с энергией до 2 Мэв характерно взаимодействие с эле­к­тро­нами атомов, наиболее вероятны фотоэлектрическое поглощение (фото­эф­­фект) на электронах внутренних оболочек атома и неупругое рассеяние γ-кванта на электронах (эффект Комптона).

Для легких породообразующих эле­ментов (Z < 20), макросечение μ_к комп­то­новского рассеяния не зави­сит от Z и пропорционально плотности вещества δ, т.к. для легких элементов Z/M ≈ 0.5 (М – атомная масса вещества, Z – заряд ядра). Число атомов в 1 см³ вещества N = δ*N_A/M (N_А – число Авогадро), следовательно μ_k =N*σ_k = AδZσ_k/M (σ_k – микросечение Комптон-эффекта). Учитывая, что Z/M ≈ 0.5, получаем μ_k = N_Aδσ_k/2.

Сечение комптоновского рас­сеяния σ_k при малых энергиях рас­тет, дости­гает максимального значения в интервале 100 – 300 Кэв, а затем медле­нно уменьшается с увеличени­ем энергии γ-квантов.

Для одного и того же вещества для К-оболочки ход сечения фотоэф­фек­та приблизительно оценивается:

при Е_γ > I_K σ_ф ≈ Z⁵/ Е_γ^3.5;

при Е_γ >> I_K σ_ф ≈ Z⁵/ Е_γ.

где Е_γ – энергия γ-кванта, I_K – потенциал ионизации К-оболочки.

Фотоэффект наиболее вероятен в области энергий, близких к потен­циалу ионизации электронных К-оболочек, это для тяжелых элементов (Z > 50) энергия до 100 Кэв, для более легких элементов эта энергия снижается до единиц Кэв. Например, для титана (Z = 22) I_K < 6 Кэв.

Чтобы изучать плотность пород, необходимо реализовать определен­ный тип взаимодействия γ-квантов с веществом, а именно комптоновское рассеяние, метод называется гамма-гамма метод плотностной модификации (ГГМ-П). Для исследования изменения состава пород применяется гамма-гамма-метод селективный (ГГМ-С), в основе которого - фотоэффект. Мето­дически оба эти метода сходны – первичное облучение породы потоком гамма-квантов с последующей регистрацией вторичного гамма-излучения. Выбор типа взаимодействия первичного излучения (Комптон-эффект или фотоэффект) решается с помощью выбора источника первичного γ-излуче­ния: при энергии источника Е_γ < 300 Кэв преобладает фотоэффект (ГГМ-С), при Е_γ > 600 Кэв превалирует комптоновское рассеяние (ГГМ-П).

Чувствительность ГГМ-С к изменению Z_эфф породы определяется энер­гией источника первичного гамма-излучения. При использовании источника γ-квантов низкой энергии (Е_γ = 50 Кэв) максимальная чувствительность – в области малых значений Z_эфф – до 14, далее чувствительность падает, а при Z_эфф > 20 чувствительность прак­тически равна 0. Такая ситуация реа­ли­зуется при разведке угольных мес­торождений – изменение параметра зольности, который определяет качество углей, основано на изменении Z_эфф на величины, не более 0.2 ÷ 0.4. При разведке полиметаллических и, осо­бе­нно железорудных, месторождений изменение Z_эфф от вмещающей до рудо­со­держащей породы более значительно – на единицы, а в случае массивных руд, до десяти. В этом случае используется более жесткий источник перви­чного γ-излуче­ния, чтобы перекрыть весь диапазон измерений Z_эфф. Основ­­ным источником первичного γ-излуче­ния в ГГМ-С является изотоп селена Se⁷⁵ (Т = 120 дней; Е_γ = 136 Кэв и 265 Кэв), может также использоваться изотоп тулия Tm¹⁷⁰ (Т = 129 дней; Е_γ = 84,2 Кэв).

ГГМ-П, как было сказано выше, необходимо осуществлять в таких усло­виях, когда преобладает комптоновское рассеяние g-излучения, а именно в интервале энергий от 500 Кэв до 2 Мэв. Так как при многократном рассеянии g-излучения в среде образуется низкоэнергетическая часть g-спектра, которая поглощается при помощи фотоэффекта (вследствие чего образуются низкоэнер­гетичные g-кванты характеристического излучения), устранить влияние фото­эффекта можно соответствующим выбором энергии первичного g-излучения и использованием детекторов, имеющих в области малых энергий низкую эффек­тивность.

Для реализации ГГМ-П обычно используются источники g-квантов Cs¹³⁷ (Е_γ = 0.66 Мэв), Со⁶⁰ (1.25 Мэв), реже Ra²²⁶ (1.7 Мэв). Низкую эффективность в области мягкого g-излучения имеют газоразрядные счетчики типа МС и СТС и сцинтилляционные детекторы NaJ (Tl) в металлических фильтрах (корпус прибора).

Если для ГГМ-П очень важно регистрировать наиболее жесткое g-излу­чение, то очень важным становится взаимное пространственное расположе­ние источника, исследуемой среды и детектора вторичного g-излучения – эне­р­гия g-квантов после комптоноского рассеяния сильно зависит от угла рас­сеяния. Взаимное пространственное расположение источника, исследуе­мой среды и детектора вторичного g-излучения называют геометрией изме­рения. Геометрия измерений также важно и при ГГМ-С – подобрав правиль­ную геометрию измерения можно резко уменьшить влияние рассеянных g-квантов.

В ГГМ наиболее распространены три геометрии измерений. Первый, наиболее простой, но и наименее распространенный – геометрия измерений узким пучком, который можно реализовать только в лабораторных условиях, потому что в данной методике об­ра­зец помещается между источни­ком g-квантов и детектором. Узкий пучок g-излучения создают свинцо­выми коллиматорами. Оптималь­ные размеры коллимационного канала: диаметр 5 – 10 мм, общая длина 6 – 7 см для источника Cs¹³⁷ и 10 – 15 см для Co⁶⁰. Расстояние между детектором и источником равно 20 – 50 см (в зависимости от размера образца). При помощи этой геометрии в лабораторных условиях измеряют плотность пород с точностью 0.01 г/см³.

Геометрия просвечивания широким пучком. Этот метод применяется в инженерно-геологических исследованиях для определения плотности рых­лых пород (почв, грунтов). Экспериментально доказано, что угол между ли­нией, соединяющей детектор и источник, и пер­пендикуляром к поверхности среды (угол α) не влияет на результаты измерения, если он не пре­вышает 60⁰. Оптимальная толщина просве­чива­емого слоя равна ρd = 40 ÷ 80 г/см², где ρ – пло­тность, d – расстояние между источником и де­те­ктором. Для вычисления плотности необходимо знать интенсивности пер­вичного и вторичного g-излучения и d. Жесткая конструкция зонда обес­печи­вает постоянство толщины измеряемой породы и постоянство интенси­вности первичного излучения, поэтому достаточно измерять интенсивность рассея­н­ного излучения и через эталонировочный график определить плотность.

Метод (геометрия) рассеянного λ-излучения. Данная геометрия являет­ся основной при геофизических исследования скважин, при опробовании горных пород в выработках (канавах, шурфах и штольнях). В данной методике применя­ют­ся два типа зондов.

Зонд «2π» применяется на рудных и угольных место­рождениях для исследования скважин диаметром от 59 до 110 мм. Зонды с коллимированием первичного и рассеянного излучений ис­пользуются для изучения скважин большого диаметра (более 200 мм). Кол­лимирование обеспечивает регистрацию однократно-рассеянного γ-излуче­ния. Пружина прижимает зонд к стенке скважины. Свинцовые экраны, закрывающие от прямого излучения источника и от бурового раствора, исключают влияние переменного диаметра скважины и больших каверн. При измерениях по этой схеме увеличивается глубинность исследования и уменьшаются помехи, вызываемые мелкими кавернами и глинистой коркой. Недостаток коллимированного зонда – большой диаметр зонда и низкие скорости счета по сравнению с зондом «2π».

Основной геометрической характеристикой зонда является его длина R, равная расстоянию между источником и детектором. В методе рассеян­но­го γ-излуче­ния оптимальное R равно ρd = 40 ÷ 100 г/см² (в массовых едини­цах), так что в зависимости от плотности пород следует менять длину зонда R. Длина свинцового экрана должна быть не менее 5 – 7 см для Cs¹³⁷ и 10 – 12 см для Со⁶⁰.

Для выяснения условий применения ГГМ необходимо знать зависимо­сти реально измеряемых потоков рассеянного излучения от геометрии зондов и свойств среды. Самой важной особенно­с­тью измерений в ГГМ геометрией рассея­нного излучения является инверсия зави­си­мости интенсивности рассеянного излу­че­ния от плотности с изменением длины зонда. Ψ(ξ)/Ψ(ξ=1) – функция рассеяния, определяющая интенсивность рассеянного γ-излучения в зависимости от безразмер­ного параметра ξ = μ’ρR, выполненных для 2π-зонда. Произведение массового коэффициента μ’ на плотность ρ есть ли­нейный коэффициент ослабления μ. Величина, обратная μ – это величина, характеризующая длину пробега l γ-кванта (l ≈ 1/μ). Отсюда следует, что параметр ξ представляет длину зонда R/l, выраженную в длинах свободного пробега γ-кванта в веществе.

На рисунке показаны зависимости функция рассеяния от параметра ξ, различные кривые относятся к различным средам с разным коэффициентом μ’. Так как для каждой кривой значение μ’ фиксировано, а длина зонда R со­храняется постоянной при измерениях, графики Ψ(ξ)/Ψ(ξ=1) отражают изме­не­ние интенсивности рассеянного γ-излуче­ния в зависимости от плотности. Из графи­ков видно, что с увеличением плотности интенсивность сначала возрастает, дости­гая максимума в точке инверсии, а затем монотонно уменьшается. Положение точки инверсии для пород с различным μ’ разное.

В ГГМ-П оптимальны заинверсные 2π-зонды с приведенной длиной ξ > 2, для которых характерно монотонное экспоненциальное убывание интенсивности рассеянного излучения с увеличением плотности. Для уменьшения влияния Z_эфф в ГГМ-П необходимо использовать γ-излучения с большой энергией (источники Cs¹³⁷ или Co⁶⁰). С учетом диапазона изменений плотности и μ’ для этих энергий реальная длина зонда R составляет 15 – 40 см. Для сниже­ния влияния Z_эфф в ГГМ-П дополнительно уменьшают вклад мягкой компо­не­нты рассеянного γ-излучения применением железных или свинцовых фильтров, а также отсечкой импульсов малой амплитуды с помощью дискриминатора. Радиус исследования (глубинность) зондов зависит от плотности среды и длины зонда, для большинства горных пород лежит в пределах ρR = 20 ÷ 40 г/см². Принимая плотность пород 2,7 г/см³, а длину зонда 20 см, получим, что глубинность исследований ГГМ-П, в среднем, составляет менее 1 см.

В ГГМ-С выгодно использовать инверсионные зонды с параметром ξ, лежащим в области экстремума функции рассеяния. В этой области показа­ния интенсивности вторичного излучения не зависят, или мало зависят, от плотности пород. Однако влияние плотности, при работе с инверсными зон­дами, исключается лишь в узком диапазоне изменения плотности. С целью расширения области компенсации влияния плотности, при работах методом ГГМ-С, применяют двойные зонды, которые содержат два источника, распо­ло­женных на разных расстояниях от детектора. В этом случае измерения выполняются одновременно с двумя зондами – характеристика одного из них должна лежать в доинверсной, а другого – в заинверсной интервалах кривой Ψ(ξ)/Ψ(ξ=1). Если правильно подобрать длины зондов, с учетом интервала изменения плотности, то при измерении суммарного сигнала (детектор этих зондов один и тот же) будет осуществляться компенсация изменения интен­сивности вторичного гамма-излучения от изменения плотности в широких пределах. Одновременно с этим, в определенных пределах, исключается влияние зазора между корпусом прибора и пробой (стенки скважины).

Глубинность исследований методом ГГМ-С с использованием источ­ников Se75 и Tm170, в любом случае, не более глубинности ГГМ-П, за счет использования более мягкого первичного гамма-излучения.

Применение ГГМ. Метод ГГМ-П наибольшее распространение полу­чил в скважинном варианте (ГГК-П). Плотностной каротаж позволяет выде­лить в разрезе скважины полезные ископаемые с аномальной плотностью (уголь, горючие сланцы, металлические руды). ГГК-П также применяется на нефтяных и газовых месторождениях с целью изучения пористости пород (по изменению плотности). При инженерно-геологических работах ГГМ-П в различных модификациях применяют как для определения плотности, особе­н­но рыхлых пород, так и для наблюдения за динамикой влажности (по изме­не­нию плотности).

Определение Z_эфф с помощью ГГМ-С позволяет различать породы по вещественному составу. Чувствительность ГГМ-С, по сравнению с ГГК-П, при выделении объектов разного вещественного состава, выше. Выигрыш в чувствительности тем существеннее, чем больше Z_эфф определяемых объек­тов. Так, при исследовании свинцовых руд с содержанием менее 1%, плот­ность (следовательно и изменение интенсивности рассеянного излучения в ГГМ-П) изменяется незначительно, по сравнению с пустой породой. В то же время ГГМ-С дает четкие аномалии.

Принципиальным недостатком ГГМ-С является невозможность разде­ле­ния измеряемых эффектов от различных элементов. Количественное опробование руд с помощью ГГК-С возможно только на монометальных месторождениях и втех редких случаях, когда между несколькими рудными компонентами имеется жесткая корреляция. При исследовании типичных полиметаллических руд (Ba – Pb, W – Mo, Pb – Zn и т.д.) метод ГГМ-С можно использовать для оконтуривания зон оруденения, т.е. как индикатор­ный. Наиболее благоприятные объекты для применения ГГМ-С являются месторождения железных руд, углей и горючих сланцев, на которых методы ГГК-С и ГГК-П используются в разведке месторождений и при подсчете запасов.

Рентгенрадиометрический метод (РРМ)

РРМ применяется для элементного анализа горных пород и руд. Досто­инствами метода являются: высокая чувствительность анализа, сопоставимая с точностью химического анализа III класса; высокая производительность ме­тода, простота проведения анализа, компактность аппаратуры.

В настоящее время используется два варианта РРМ:

1. флуоресцентный;

2. абсорбционный.

Абсорбционный анализ основан на резком различии коэффициента погло­щения определяемого элемента для излучения с энергиями квантов меньше или больше края поглощения.. При энергии γ-квантов не более 100 Кэв основной вид взимодействия – фото­эффект, который и будет опре­делять коэффициент поглощения. Сечение фотоэффекта имеет скачки при энергиях, равный потенциалу ионизации i-электронной оболочки. Наиболее значимый скачок наблюдается у К-оболочки – примерно на порядок для легких элементов.

Обеспечить требуемую энергию первичных γ-квантов с точностью до десятых долей Кэв при помощи изотопных источников невозможно. Поэтому кванты источника возбуждают характе­ристическое излучение мишени, кото­рое в данном случае является первич­ным. Чтобы отсечь рассеянное γ-излучение источника, ставят фильтр. При прохождении пробы, содержащей определяемый элемент, резко увеличивается поглощение и количество γ-квантов, регистрируемых детектором, резко уменьшается. Если перед дете­ктором проходит пустая порода, то поглощение не увеличивается, следова­тельно, будет зарегистрирована большая интенсивность. Абсорбционным методом могут определяться элементы с порядковым номером Z более 25 – 30 при нижнем пороге концентрации 0.1%. Наиболее широкое применение абсорбционный метод нашел при контроле технологических продуктов переработки минерального сырья на обогатительных фабриках.

Флуоресцентный РРМ основан на возбуждении нуклидным источни­ком (или рентгеновской трубкой) характеристического излучения элементов, содержащихся в пробе. Характеристическое излучение (ХИ) каждого элемента имеет строго определенную энергию, а интенсивность ХИ элемента зависит от содержания его в пробе. Анализ спектрального состава вторичного излучения пробы проводится спектрометром.

Широкое распространение, в полевой модификации с пропорциональ­ными или сцинтилляционными детекторами, метод получил при определении элементов с порядковым номером Z более 20, т.е. начиная с кальция. Порог чувствительности определения содержания: 0.1% для элементов с Z<40; 0.005% для тяжелых элементов. Верхний предел концентраций не ограничен.

При лабораторных определениях с полупроводниковыми детекторами и предварительной подготовкой проб (измельчение), порог чувствительности снижается примерно на порядок. В настоящее время, при геологоразве­дочных работах, применяется исключительно флуоресцентный РРМ.

Физические основы РРМ. Основные процессы взаимодействия γ-излу­чения в области энергий до 100 Кэв – это фотоэффект и рассеяние.

Рассеяние γ-квантов веществом бывает двух типов: когерентное (томп­со­­новское) и некогерентное (комптоновское). При когерентном рассеянии энергия γ-кванта до и после взаимодействия остается постоянной. При неко­герентном рассеянии энергия γ-кванта после рассеяния уменьшается, но при комптоновском рассеянии низкоэнергетического γ-излучения энергия рассе­янных γ-квантов изменяется незначительно даже при больших углах рассея­ния. Таким образом, при рассеянии гамма-квантов с энергией ниже 100 Кэв энергия рассеянных γ-квантов неизменна, или незначительно отличается от первоначальной.

Фотоэффект сводится к такому взаимодействию γ-кванта с одним из электронов атома, при котором γ-квант целиком поглощается атомом, а его энергия расходуется на преодоление энергии связи электрона с атомом и на кинетическую энергию электрона, в результате чего электрон покидает атом. Возникшую при этом вакансию заполняет электрон с более высокой орбиты, а разность энергий между уровнями испускается в виде характеристи­чес­кого излучения атома.

Фотоэффект происходит только на связанных электронах. Если Е_γ бо­ль­­ше энергии связи электрона I_K, то фотоэффект может происходить на любой электронной оболочке атома. Максимальную вероятность поглоще­ния γ-кванта имеют наиболее сильно связанные электроны. Наблюдается резкая зависимость вероятности фотоэффекта от Е_γ: σ_ф = кЕ^-n где к и n – постоянные величины для данного элемента и данного интервала энергий. Для Е_γ < 100 Кэв n ≈ 3.

С уменьшением Е_γ коэффициент поглощения μ возрастает, однако при Е_γ равной энергии связи электрона К-уровня I_K поглощающего элемента, име­ет место скачкообразное изменение коэффициента поглощения (К-скачок поглощения). Если обозначить большое значение коэффициента поглощения μ’_K при Е_γ > I_K, а при Е_γ < I_K обозначить как μ”_К, то отношение

μ’_K / μ”_К = S_K

определяет величину скачка поглощения К-уровня. Наибольшее значение скачка поглощения отмечается у К-уровня (S_K), S_L в 1,5 ÷ 3 раза меньше S_K. Для элементов с Z < 30 К-скачок поглощения находится в интервале от 10 до 13. С увеличением порядкового номера К-скачок уменьшается и для тяжелых элементов приблизительно равен 3 – 5.

При таких энергиях первичного излучения (Е_γ < 100 Кэв) глубинность исследования невелика, даже для тяжелых элементов (Z > 50), у которых эне­ргия характеристического излучения составляет десятки Кэв, глубинность будет не более 1 мм. Для более легких элементов, соответственно, глубин­ность будет еще меньше. Т.е. уверенно можно говорить, что РРМ проводится в насыщенных слоях и одной из характеристик вещества будет поверхнос­тная плотность m (г/см²).

Если исследуемую пробу, взятую в виде плоскопараллельного слоя площадью S (см2) с поверхностной плотностью m облучать потоком γ-излу­чения с энергией Е_γ, то интенсивность потока квантов ХИ Ii на расстоянии R от пробы будет определяться выражением:

(1)

где μ_iпр – массовый коэффициент поглощения вторичного (ХИ) излучения, Ci – концентрация определяемого элемента в исследуемой пробе, m – поверх­нос­тная плотность.

Коэффициент k_i определяется как k_i = f (R², w_q, S_q, p_q, τ_i), где S_q – ска­чок поглощения q-уровня, w_q – коэффициент выхода ХИ при возбуждении атома определяемого элемента на q-уровень, p_q – вероятность перехода атома, возбужденного на q-уровень, с излучением ХИ, τ_i – массовый коэф­фициент фотоэффекта.

Коэффициент k_i не зависит ни от концентрации определяемого эле­мен­та, ни от состава исследуемой пробы и при неизменной геометрии измерений остается постоянным. Точное аналитическое значение k_i рассчитать невоз­мо­жно, поэтому k_i определяется экспериментально при градуировке.

Параметры μ_iпр и m в какой-то мере взаимосвязаны. Породообразую­щие элементы (кальций, кремний, углерод, кислород) имеют малые порядко­вые номера (Z < 21), а значит и малые значения μ_, которые определяют­ся фо­то­эффектом. При энергиях первичного излучения более 25 Кэв, ис­пользуе­мым в РРМ, вероятность фотоэффекта на этих элементах мала. Плот­ность же породообразующих минералов, по сравнению с рудными, так­же невелика.

Зависимость интенсивности ХИ (Ii) от свойств пробы (μ_iпр*m) имеет следующий вид:

1. При значении μ_iпр* m < 0.5 погло­щающие свойства пробы, с точки зрения РРМ, невелики – реализу­ются условия измерения в проме­жу­точном, слое. Поэтому в форму­ле (1) можно принять и тогда выражение (1) преобразуется I_i = k_iC_im. Таким образом, при малых поглощающих свойствах породы (или при малых их изменениях), мы по­лу­чаем линейную зависимость интенсивности ХИ. Эта ситуация реализу­ется в левой части графика I_i = f (m, μ_iпр).

2. Для μ_iпр* m > 5 (насыщенный слой) exp(-μ_iпр* m) << 1 и тогда выражение (1) преобразуется I_i = kiCi / μ_iпр, что мы наблюдаем в правой части графика.

Очевидно, что интенсивность ХИ прямо пропорциональна концентра­ции Ci, однако с ростом Ci растут и поглощающие свойства пробы. Поэтому зависимость Ii= f(Ci) не будет линейной, за исключением экзотического случая, когда с ростом Ci выполняется условие μ_iпр* m < 0.5. Это условие может быть выполнено только в том случае, если поглощающие свойства пустой породы μ_п будут равны поглощающим свойствам руды μ_i. Т.к. для пустой породы всегда выполняется условие μ_iпр* m < 0.5, то в этом случае и для рудной компоненты пробы также будут выполняться те же условия. Во всех других случаях поглощающие свойства руды выше, чем у вмещающей породы, поэтому зависимость I_i = f(C_i) будет иметь вид как на предыдущем графике.

Спектр вторичного излучения состоит из следующих компонент: в области энергий близких к нулю регистрируется, в основном, аппаратурный шум (крайний левый максимум). В любом спектре РРМ будет также наблю­даться пик рассеянного излу­чения (Е_р), энергия которого будет почти совпа­дать с энергией источника. Как правило, по пику Е_р проводят градуировку энергетической шкалы. При отсутствии в пробе определяемого элемента (C_i = 0%) между пиком рассеян­ного излучения и шумом значения интенсивности не равно нулю, а имеет конечное значение I_ф, обусловленное фоновым излу­че­нием. При наличии в пробе определяемого элемента (C_i > 0%) появляется пик характеристического излучения с энергией Е_хи. Зная энергию Е_р, опреде­ля­ют энергию Е_хи, тем самым определяют элемент.

Мешающие излучения и способы его учета. Мешающим излучением называется любое излучение, которое не равняется нулю в том энергетичес­ком интервале спектра, в котором проводится измерение интенсивности определяемого элемента. Мешающее излучение вносит дополнительные погрешности при исследовании содержания определяемого элемента. Природа мешающего излучения:

1. Фоновое излучение.

2. Рассеянное от первичного и вторичного излучений.

3. Характеристические излучения от других элементов, полностью не разре­шенных спектрометром (наложение спектров различных элементов друг на друга).

1. Фоновое излучение I_ф обусловлено, в основном, рассеянием первичного из­лучения источника в воздухе или на стенках камеры блока возбуждения. Фоновое излучение дает небольшой вклад в измеряемый спектр. При пос­то­янных геометрических условиях измерения значение этого вклада не зависит от состава пробы. Учет фонового излучения можно провести достаточно точно.

2. Рассеяние излучения пробой обусловлено непосредственно наложением когерентно и не когерентно рассеянного излучения источника на аналити­ческую линию определяемого элемента или причинами аппаратурного характера. Поток квантов рассеянного излучения не является постоянным и зависит от поглощающих свойств входящих в пробу элементов. Тот участок рассеянного излучения, который попадает в интервал энергий определения I_ХИ, обуславливает «матричный эффект», который снижает точность анализа. Значение вклада рассеянного излучения в участок анализируемого спектра может быть определен по результатам анализа проб, у которых C_i = 0, но различаются составом (литологией) вмещаю­щей породы. Учет (компенсация) вклада рассеянного излучения прово­дится выбором методик измерения.

3. Наибольшую сложность при проведении анализа представляет учет мешающего излучения, обусловленного наложением на аналитическую линию определяемого элемента характеристического излучения других элементов, присутствующих в пробе. Вклад этого мешающего излучения в измеряемую интенсивность определяемого элемента зависит от содержа­ния в пробе мешающих элементов и степени перекрытия их спектров со спектром определяемого элемента.

К мешающим элементам, при проведении анализа по К-серии ХИ со сцинтилляционным и пропорциональным детекторами, относятся элементы, отличающиеся по атомному номеру от определяемого элемента, меньше чем на 5 – 7 единиц. Кроме того, мешающее влияние могут оказывать более тяже­лые элементы, у которых L-серия накладывается на К-серию более легкого определяемого элемента (например К-серия цинка и L-серия свинца при разве­дке на циково-свинцовых полиметаллических месторождениях). Число мешающих элементов уменьшается при проведении анализа с аппаратурой, имеющей более высокое энергетическое разрешение. Например, при исполь­зо­вании полупроводниковых детекторов, к мешающим можно отнести только соседние элементы периодической таблицы.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили два способа разделения мешающего и аналитического излучений:

1. Способ краевых фильтров.

2. Способ дифференциальных фильтров.

Способ краевых фильтров. Принцип действия краевых (селективных) фи­льтров основан на резко различном ослаблении излучений с энергией фо­то­нов меньше Е_ХИ и больще энергии края поглощения фильтрующего эле­мен­та Е_Ф. Так как в этой области энергий основным процессом является фотоэффект, то отношение массовых коэффициентов поглощения аналити­ческих линий фильтрующим элементом равно:

μ_М /μ_ХИ = S_K* (Е_ХИ/ Е_М)ⁿ,

где μ_ХИ и μ_М – коэффициенты поглощения фильтра для ХИ определяемого (μ_ХИ) и мешающего (μ_М) излучений; S_K – равно 3 – 13, n ≈ 3.

Коэффициент поглощения ХИ μ_ХИ опреде­ля­е­мого элемента будет в несколько раз выше, чем μ_М мешающего элемента. Поэтому отно­си­тельные изменения ХИ определяемого и мешающего элементов, после прохождения через тонкую пластинку фильтра с поверх­ност­ной плотностью m_Ф, будут существенно различными. Последовательность измерений такова: измеряют спектр вторичного излуче­ния без фильтра I_Σ(Е); ставят фильтр перед де­тектором и проводят измерение I_ΣФ(Е). Истинные значения интенсивности определяемого I_ОП и мешающего I_М элементов находят решая систему урав­нений:

I_Σ = I_ОП +k_*I_М

I_ΣФ = I_ОП*exp(-μ_ХИm) + k_*I_М*exp(-μ_М*m)

где k – коэффициент, учитывающий энергетическое разрешение детектора. Произведения μ_ХИm и μ_М*m для данного фильтра являются постоянными и достаточно точно определяются экспериментально.

Способ дифференциальных фильтров. Одновременный учет всех соста­в­ляющих мешающего излучения, в большинстве случаев, обеспечивается при проведении измерений со сбалансированными дифференциальными фильтра­ми. Принцип действия этих фильтров аналогичен принципу действия краево­го фильтра. Отличие от краевого фильтра заключается в том, что краевой фильтр имеет скачок поглощения больше (или меньше) энергии ХИ опре­де­ля­емого элемента, а дифференциальный фильтр представляет собой ком­бина­цию двух краевых фильтров, один из которых имеет скачок поглощения боль­­ше энергии ХИ определяемого элемента, а другой – меньше энергии ХИ.

Обозначим поглощающие свойства первого фи­льтра при энергиях Е_М1, Е_ХИ и Е_М2 соответ­ственно через μ’_М1, μ’_ХИ и μ’_М2, а поглощаю­щие свойства второго фильтра при энергиях Е_М1, Е_ХИ и Е_М2 соответственно через μ”_М1, μ”_ХИ и μ”_М2. Поверхностная плотность пер­вого фильтра m₁, второго фильтра – m₂. Если мы поочередно будем устанавливать фильт­ры 1 и 2, то интенсивности I₁ и I₂ будут равны:

I₁ = I_М1exp(-μ’_М1m₁)+ I_ХИexp(-μ’_ХИm₁)+ I_М2exp(-μ’_М2m₁);

I₂ = I_М1exp(-μ’’_М1m₂)+ I_ХИexp(-μ’’_ХИm₂)+ I_М2exp(-μ’’_М2m₂);

Если мы подберем фильтры так, что будет выполняться условие баланса фильтров:

μ’_М1m₁ = μ’’_М1m₂; μ’_М2m₁ = μ’’_М2m₂

то разность счета Δ = I₂ - I₁ = I_ХИ[exp(-μ’_ХИm₁) - exp(-μ’’_ХИm₂)] = k I_ХИ.

Если анализ проводится по К-серии определяемого элемента и фильт­ру­ю­щи­ми элементами будут элементы с соседними порядковыми номерами, то полоса пропускания фильтров составить 0,3 ÷ 0,4 Кэв при Е_ХИ менее 10 Кэв и полоса пропускания около 2,5 Кэв при регистрации при Е_ХИ более 50 Кэв. Недостатком метода дифференциальных фильтров является необходи­мость проведения последовательных измерений при определении I_ХИ двух или более элементов. Кроме того, при определении легких элементов с Е_ХИ менее 8 Кэв сложно приготовить сбалансированные фильтры с небольшой поверхностной плотностью.

Геометрия измерений. Относительное расположение источника, пробы и детектора выбирается так, чтобы обеспечить максимальную чувствитель­ность и наилучшее соотношение сигнал – фон.

Максимальная эффективность возбуждения и регистрации излучения достигается созданием наиболее компактной геометрии измерения с сочета­ни­ем условий защиты оператора от излучения источника и экранирования детектора от первичного и рассеянного излучений источника.

В настоящее время наибольшее рас­прос­транение получили два типа геометрии флуоре­с­центного РРМ: коллимированние первичного и вторичного излучений (узкий пучок); геомет­рия широкого пучка. При ровной поверхности пробы более выгодно использовать геометрию узкого пучка, потому что коллимирование при­во­дит к тому, что пик рассеянного излучения становится более узким за счет того, что при комптоновском рассеянии в коллиматор попа­дают только кванты строго определенной энер­гии. Следовательно, уменьшается вклад рассеянного излучения в ХИ опре­деляе­мого элемента, резко снижается влияние «матричного эффекта». Такую ровную поверхность можно организовать только предварительным дробле­ни­ем пробы и разравниванием ее поверхности. Значит, геометрию узкого пучка целесообразно использовать в лабораторных исследованиях.

При неровной поверхности пробы, что несомненно бывает при анализе РРМ в горных выработках и в скважинах, геометрию узкого пучка применять нецелесообразно: при движении датчика вдоль неровной поверхности будет постоянно меняться расстояние от источника до пробы и от пробы до детек­то­ра. Это несомненно приведет к искажению спектра вторичного излучения и, следовательно, к потере точности анализа. В этом случае применяется мето­дика широкого пучка, в котором расстояние до эффективной плоскости измерения изменяется значительно меньше, чем в геометрии узкого пучка. Поэтому при полевых и скважинных исследованиях РРМ применяется геоме­трия широкого пучка.

Методика анализа РРМ. Существует множество методик проведения РРМ. Наиболее распространенные следующие:

1. Способ интенсивности.

2. Способ спектральных отношений.

Способ интенсивности применяется для анализа в насыщенных и про­ме­жуточных слоях без учета влияния «матричного эффекта». При μ_пр*m > 5

I_i = kC_i/μ_пр

отсюда следует, что

C_i = I_i* μ_пр/k.

В случае, когда значение μ_пр остается постоянным для различных типов пород или его изменениями можно пренебречь, считая k’ = 1/k, то можно записать: C_i = I_i*k’

Однако, даже при неизменном составе вмещающей породы значение μ_пр будет прямо пропорционально зависеть от содержания рудного компо­не­нта C_i. Эта методика применима при выполнении следующих условий:

1. Небольшие изменения концентрации определяемого элемента, либо концентрация настолько велика, что изменения μ_пр не влияют на отно­сительную точность измерений.

2. Состав вмещающей породы постоянен или его изменения невелики, т.е. μ_пр можно считать постоянным.

Путем измерения эталонов с известным содержанием определяемого эле­мента, строят эталонировочный график I_i = f (C_i), по которому определяют содержание i-элемента в пробе.

Способ спектральных отношений. Основные погрешности при опреде­ле­нии элементного состава пробы, дает неоднородность состава вмещающей породы. Эта погрешность наиболее существенна при малом содержании опре­деляемого элемента, когда изменение фона рассеянного излучения в интервале энергий ХИ определяемого элемента, сопоставима с интенсивнос­тью ХИ при малых содержаниях.

В основе метода спектральных отно­ше­ний лежит тот факт, что при уме­ньшении поглощающих свойств про­бы, которые определяются фото­эф­фе­ктом, возрастает пик рассеян­н­ого излу­чения. Если брать отноше­ние пика ХИ (I_ХИ) к пику рассеян­но­го излучения (I_Р), то при изменении вещественного состава параметр η = I_ХИ/I_Р будет изме­няться незначительно, особенно в области малых содержа­ний определяемого элемента. Эта методика носит название способа отношений.

Зависимость потока квантов ХИ от состава пробы оказывается более резкой, чем зависимость составляющих (томпсоновского и комптоновского) рассеянного излучения. Наиболее слаба зависимость от вещественного соста­ва комптоновской составляющей рассеянного излучения. Поэтому для компе­н­са­ции влияния «матричного эффекта» наиболее эффективно использовать не пик рассеянного излучения, где существенна томпсоновская составляю­щая, а часть спектра рассеянного излучения с более низкой энергией, чем пик I_Р, где больший вклад комптоновского рассеяния (I’_Р). В способе спектраль­ных отношений измеряемым параметром η является:

η = I_ХИ/I’_Р

В способе спектральных отношений содержание определяемого эле­мен­та находят по градуировочному графику:

C_i = f (η_i/η₀)

где η_i = I_i/I’_p при C_i > 0, η₀ = I_i/I’_p при C_i = 0.

Исследования способа спектральных отношений показывают, что наря­ду с учетом «матричного эффекта», этот способ позволяет привести к обще­му градуировочному графику измерения с различной геометрией и умень­шить влияние аппаратурных факторов.

Критерии оценки РРМ, оценка погрешности анализа.

1. Основной параметр - чувствительность измерений ε_i = dI_i/dC_i.

2. Для оценки условий проведения анализа, с точки зрения вклада мешаю­щих излучений, используется параметр приведенной контрастности аналитической линии F_п = ε_i/I_i. При заданной относительной точности анализа (учета мешающих излучений) δ абсолютная погрешность анализа ΔC_i определяется значением приведенной контрастности ΔC_i = δ/ F_п. Значение F_п в основном определяется энергетическим разрешением аппаратуры. Для сцинтилляционных и пропорциональных детекторов F_п не более нескольких единиц, для ППД значение F_п может достигать 150.

3. С увеличением концентрации определяемого элемента C_i относительная погрешность анализа δ уменьшается. Весь интервал содержаний, в зави­симости от элемента, разбит на классы, в которых заданы предельные значения δ. Например, для галенит – сфалерит (цинк – свинец) полиметал­лических руд классы таковы: I – содержание от 0% до 2%; II – 2% ÷ 5%; III – 5% ÷ 15%; IV – более 15%. В каждом классе содержаний относитель­ная точность определений δ будет: I – 60%; II – 10%; III – 5%; IV – 1%. Такое значение δ по классам соответствует химическому анализу III клас­са. Для содержаний золота и разбиение на классы, и относительная погре­ш­ность измерения в каждом классе, совершенно другие.

Проведение флуоресцентного РРМ. Для проведения РРМ необходимо последовательно решить следующие задачи:

1. Выбор источников излучения.

2. Выбор методики анализа.

3. Подготовка к проведению измерений.

1. Выбор источника обусловлен получением максимальной чувствитель­но­сти и контрастности аналитической линии определяемого элемента. При анализе одного элемента наиболее оптимальны источники с энергией γ-квантов, близких к энергии К-края поглощения определяемого элемента. Однако необходимо учитывать энергетическое разрешение аппаратуры, чтобы пик рассеянного излучения не накладывался на аналитическую ли­нию определяемого элемента. При проведении анализа по К-серии ХИ на­и­более оптимальны источники: Fe⁵⁵ (Е_γ = 8 Кэв) для элементов с Z = 13 ÷ 23; Cd¹⁰⁹ (22 Кэв) для Z = 24 ÷ 43; Am²⁴¹ (Z = 44 ÷ 68); Tm¹⁷⁰ (Z > 65).

2. Наиболее универсальна методика спектральных отношений. При проведе­нии анализа со сцинтилляционными и пропорциональными детекторами, прямое измерение интенсивности ХИ (без фильтров), возможно лишь при условии, что вкладом мешающих излучений от других элементов можно пренебречь, или между интенсивностями определяемого и мешающего излучения существует жесткая корреляция.

3. Включает в себя градуировку аппаратуры и построение эталонировочного графика. Основные работы при градуировке аппаратуры: нахождение мак­симума амплитудного распределения; установка оптимальной ширины ок­на спектрометра. Положение максимума амплитудного распределения оп­ределяют на основании энергетической привязки шкалы спектрометра по спектрам нескольких элементов с энергиями ХИ, перекрывающих весь ин­тервал. Оптимальную ширину окна спектрометра определяют из усло­вий получения минимальной относительной погрешности анализа, обу­с­лов­ле­нной статистикой и наложением мешающих излучений. Ширина ок­на вы­би­рается экспериментально. При построении эталонировочного гра­фи­­ка должны использоваться эталоны, содержание определяемого элеме­нта в которых, в каждом эталоне, подтверждены в двух независимых сер­тифи­цированных химических лабораториях. Класс химанализа должен быть выше класса анализа РРМ, т.е. не ниже II класса. В каждом классе содер­жаний определяемого элемента должно быть не менее двух этало­нов.

Дата добавления: 2014-01-07