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 μк 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*NA/M (NА – число Авогадро), следовательно μk =N*σk = AδZσk/M (σk – микросечение Комптон-эффекта). Учитывая, что Z/M ≈ 0.5, получаем μk = NAδσk/2.
Сечение комптоновского рассеяния σk 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 Еγ > IK σф ≈ Z5/ Еγ3.5;
при Еγ >> IK σф ≈ Z5/ Еγ.
где Еγ – энергия γ-кванта, IK – 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) IK < 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 Еγ < 300 Кэв преобладает фотоэффект (ГГМ-С), при Еγ > 600 Кэв превалирует комптоновское рассеяние (ГГМ-П).
Чувствительность ГГМ-С к изменению Zэфф породы определяется энергией источника первичного гамма-излучения. При использовании источника γ-квантов низкой энергии (Еγ = 50 Кэв) максимальная чувствительность – в области малых значений Zэфф – до 14, далее чувствительность падает, а при Zэфф > 20 чувствительность практически равна 0. Такая ситуация реализуется при разведке угольных месторождений – изменение параметра зольности, который определяет качество углей, основано на изменении Zэфф на величины, не более 0.2 ÷ 0.4. При разведке полиметаллических и, особенно железорудных, месторождений изменение Zэфф 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 Zэфф. Основным источником первичного γ-излучения в ГГМ-С является изотоп селена Se75 (Т = 120 дней; Еγ = 136 Кэв и 265 Кэв), может также использоваться изотоп тулия Tm170 (Т = 129 дней; Еγ = 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 (Еγ = 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 Zэфф 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 Zэфф 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 Zэфф 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 Zэфф 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 Еγ больше энергии связи электрона IK, 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 Еγ: σф = кЕ-n где к и n – постоянные величины для данного элемента и данного интервала энергий. Для Еγ < 100 Кэв n ≈ 3.
С уменьшением Еγ коэффициент поглощения μ возрастает, однако при Еγ равной энергии связи электрона К-уровня IK поглощающего элемента, имеет место скачкообразное изменение коэффициента поглощения (К-скачок поглощения). Если обозначить большое значение коэффициента поглощения μ’K при Еγ > IK, а при Еγ < IK обозначить как μ”К, то отношение
μ’K / μ”К = SK
определяет величину скачка поглощения К-уровня. Наибольшее значение скачка поглощения отмечается у К-уровня (SK), SL в 1,5 ÷ 3 раза меньше SK. 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 (Еγ < 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 Еγ, то интенсивность потока квантов ХИ Ii на расстоянии R от пробы будет определяться выражением:
(1)
где μiпр – массовый коэффициент поглощения вторичного (ХИ) излучения, Ci – концентрация определяемого элемента в исследуемой пробе, m – поверхностная плотность.
Коэффициент ki определяется как ki = f (R2, wq, Sq, pq, τi ) , где Sq – скачок поглощения q-уровня, wq – коэффициент выхода ХИ при возбуждении атома определяемого элемента на q-уровень, pq – вероятность перехода атома, возбужденного на q-уровень, с излучением ХИ, τi – массовый коэффициент фотоэффекта.
Коэффициент ki не зависит ни от концентрации определяемого элемента, ни от состава исследуемой пробы и при неизменной геометрии измерений остается постоянным. Точное аналитическое значение ki рассчитать невозможно, поэтому ki определяется экспериментально при градуировке.
Параметры μiпр 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 (μiпр*m) имеет следующий вид:
1. При значении μiпр* 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 Ii = kiCim. 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 Ii = f (m, μiпр).
2. Для μiпр* m > 5 (насыщенный слой) exp(-μiпр* m) << 1 и тогда выражение (1) преобразуется Ii = kiCi / μiпр, 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 μiпр* m < 0.5. Это условие может быть выполнено только в том случае, если поглощающие свойства пустой породы μп будут равны поглощающим свойствам руды μi. Т.к. для пустой породы всегда выполняется условие μiпр* 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 Ii = f(Ci) 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 (Ер), энергия которого будет почти совпадать с энергией источника. Как правило, по пику Ер проводят градуировку энергетической шкалы. При отсутствии в пробе определяемого элемента (Ci = 0%) между пиком рассеянного излучения и шумом значения интенсивности не равно нулю, а имеет конечное значение Iф, обусловленное фоновым излучением. При наличии в пробе определяемого элемента (Ci > 0%) появляется пик характеристического излучения с энергией Ехи. Зная энергию Ер, определяют энергию Ехи, 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 Iф 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 IХИ, обуславливает «матричный эффект», который снижает точность анализа. Значение вклада рассеянного излучения в участок анализируемого спектра может быть определен по результатам анализа проб, у которых Ci = 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 ЕХИ и больще энергии края поглощения фильтрующего элемента ЕФ. Так как в этой области энергий основным процессом является фотоэффект, то отношение массовых коэффициентов поглощения аналитических линий фильтрующим элементом равно:
μМ /μХИ = SK* (ЕХИ/ ЕМ)n,
где μХИ и μМ – коэффициенты поглощения фильтра для ХИ определяемого (μХИ) и мешающего (μМ) излучений; SK – равно 3 – 13, n ≈ 3.
Коэффициент поглощения ХИ μХИ определяемого элемента будет в несколько раз выше, чем μМ мешающего элемента. Поэтому относительные изменения ХИ определяемого и мешающего элементов, после прохождения через тонкую пластинку фильтра с поверхностной плотностью mФ, будут существенно различными. Последовательность измерений такова: измеряют спектр вторичного излучения без фильтра IΣ(Е); ставят фильтр перед детектором и проводят измерение IΣФ(Е). Истинные значения интенсивности определяемого IОП и мешающего IМ элементов находят решая систему уравнений:
IΣ = IОП +k*IМ
IΣФ = IОП*exp(-μХИm) + k*IМ*exp(-μМ*m)
где k – коэффициент, учитывающий энергетическое разрешение детектора. Произведения μХИm и μМ*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 ЕМ1, ЕХИ и ЕМ2 соответственно через μ’М1, μ’ХИ и μ’М2, а поглощающие свойства второго фильтра при энергиях ЕМ1, ЕХИ и ЕМ2 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 = IМ1exp(-μ’М1m1)+ IХИexp(-μ’ХИm1)+ IМ2exp(-μ’М2m1);
I2 = IМ1exp(-μ’’М1m2)+ IХИexp(-μ’’ХИm2)+ IМ2exp(-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 = IХИ[exp(-μ’ХИm1) - exp(-μ’’ХИm2)] = k IХИ.
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 ЕХИ менее 10 Кэв и полоса пропускания около 2,5 Кэв при регистрации при ЕХИ более 50 Кэв. Недостатком метода дифференциальных фильтров является необходимость проведения последовательных измерений при определении IХИ двух или более элементов. Кроме того, при определении легких элементов с ЕХИ 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 μпр*m > 5
Ii = kCi/μпр
отсюда следует, что
Ci = Ii* μпр/k.
В случае, когда значение μпр остается постоянным для различных типов пород или его изменениями можно пренебречь, считая k’ = 1/k, то можно записать: Ci = Ii*k’
Однако, даже при неизменном составе вмещающей породы значение μпр будет прямо пропорционально зависеть от содержания рудного компонента Ci. Эта методика применима при выполнении следующих условий:
1. Небольшие изменения концентрации определяемого элемента, либо концентрация настолько велика, что изменения μпр не влияют на относительную точность измерений.
2. Состав вмещающей породы постоянен или его изменения невелики, т.е. μпр можно считать постоянным.
Путем измерения эталонов с известным содержанием определяемого элемента, строят эталонировочный график Ii = f (Ci), 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 интенсивнос тью 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 (IХИ) к пику рассеянного излучения (IР), то при изменении вещественного состава параметр η = IХИ/IР 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 IР, где больший вклад комптоновского рассеяния (I’Р). В способе спектральных отношений измеряемым параметром η является:
η = IХИ/I’Р
В способе спектральных отношений содержание определяемого элемента находят по градуировочному графику:
Ci = f (ηi/η0)
где ηi = Ii/I’p при Ci > 0, η0 = Ii/I’p при Ci = 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 εi = dIi/dCi.
2. Для оценки условий проведения анализа, с точки зрения вклада мешающих излучений, используется параметр приведенной контрастности аналитической линии Fп = εi/Ii. При заданной относительной точности анализа (учета мешающих излучений) δ абсолютная погрешность анализа ΔCi определяется значением приведенной контрастности ΔCi = δ/ Fп. Значение Fп в основном определяется энергетическим разрешением аппаратуры. Для сцинтилляционных и пропорциональных детекторов Fп не более нескольких единиц, для ППД значение Fп может достигать 150.
3. С увеличением концентрации определяемого элемента Ci 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 (Еγ = 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: 2015-12-22; просмотров: 1610;