Методы определения элементного состава полезных ископаемых по спектрометрии вторичных излучений

Наиболее распространенные методы этого класса можно подразделить на 2 группы. Первая включает гамма методы, основанные на взаимодействии гамма или рентгеновского излучения с электронными оболочками атомов или ядрами атомов элементов: селективный гамма-гамма метод, рентгенорадиометрический (рентгенофлуоресцентный) метод, гамма-нейтронный (фотонейтронный) метод, ядерный гамма-резонансный метод.

Вторая - нейтронные методы, основанные на взаимодействии нейтронов с ядрами элементов, входящих в состав горных пород и руд: нейтрон-нейтронный метод и методы, основанные на спектрометрии гамма-излучения, возникающего при различных ядерных реакциях нейтронов с веществом, (нейтронно-активационный и нейтронно-радиационный методы).

Селективный гамма-гамма метод основан на измерении рассеянного горной породой излучения при облучении ее внешним источником гамма-излучения с энергией от десятков до 200-250 кэВ. Измерения в гамма-гамма методе проводятся либо в геометрии прохождения через породу, либо в геометрии диффузного отражения от нее.

Рентгенорадиометрический метод определения вещественного состава горных пород и руд основан на возбуждении первичным ионизирующим излучением характеристического рентгеновского излучения атомов элементов, входящих в состав исследуемой среды, и регистрации его с помощью спектрометрической аппаратуры.

Гамма-нейтронный (фотонейтронный) метод определения элементов в горных породах и рудах основан на использовании фотоядерной реакции, характеризующейся поглощением у-квантов ядрами определяемого элемента с последующим испусканием нейтрона. Среди стабильных ядер наименьший порог фотоядерной реакции имеет бериллий-9 (1,67 МэВ). Ядра других элементов, кроме дейтерия (2,23 МэВ), имеют порог более 4 МэВ, поэтому для их определения не могут быть использованы радиоизотопные источники у-квантов.

Ядерный гамма-резонансный метод (эффект Мессбауэра) основан на явлении резонансного испускания и поглощения у-квантов ядрами элементов без потери энергии на отдачу ядер. В обычных условиях это явление не наблюдается вследствие получения ядром импульса отдачи при испускании им у -квантов, что нарушает условие резонанса.

Нейтрон-нейтронный метод основан на ослаблении первичного потока нейтронов в результате их взаимодействия с ядрами элементов исследуемой среды и регистрации вторичного потока нейтронов.

Величина вторичного потока нейтронов зависит от способности горной породы замедлять, рассеивать и поглощать нейтроны и от энергии последних.

Основное назначение нейтрон-нейтронного метода по отношению к замедлению нейтронов - определение содержаний в породах водорода (объемной влажности, пористости).

При отработке рудных месторождений этот метод совместно с плотностным гамма-гамма методом может применяться при опробовании в массиве и отбитой рудной массе для отделения руд из зон дробления и тектонических нарушений, сильно окисленных руд, характеризующихся повышенной пористостью и пониженной плотностью.

Способность горной породы поглощать первичный поток нейтронов определяется концентрациями в ней элементов с аномально высокими сечениями поглощения или рассеяния медленных нейтронов. Это положение составляет основу нейтронно-абсорбционного метода, являющегося разновидностью нейтрон-нейтронного метода.

Методы, основанные на спектрометрии гамма-излучения, возникающего при различных ядерных реакциях нейтронов с веществом называют нейтронными гамма-спектрометрическими методами. Эти методы занимают важное место среди радиометрических методов опробования минерального сырья. Большая проникающая способность нейтронного и у-излучения обеспечивает нейтронным гамма-спектрометрическим методам высокую глубинность анализа, превышающую глубинность рентгенорадиометрического метода на 2 - 3 порядка, обусловливает относительно слабое влияние неравномерности оруденения и «ближней зоны» на аналитический сигнал и позволяет осуществлять дистанционный анализ объектов большого объема без непосредственного контакта с ним, в том числе через стенку технологического оборудования.

Нейтронные гамма-спектрометрические методы можно условно разделить на две группы: нейтронно-активационный метод, при реализации которого регистрируется запаздывающее относительно момента реакции с нейтронами гамма-излучение, и нейтронно-радиационный метод с регистрацией «мгновенного» гамма-излучения, испускаемого за время менее 10^-7-10^-9 с.

Нейтронно-активационный метод основан на регистрации интенсивности излучений радиоактивных изотопов, образующихся в результате ядерных реакций при облучении вещества потоком нейтронов.

Сечения активации элементов под воздействием тепловых нейтронов за счет реакции (n, γ) значительно выше, чем при облучении их потоком быстрых нейтронов, поэтому, как правило, наибольшая чувствительность анализа достигается при облучении пород и руд тепловыми нейтронами. Активацию быстрыми нейтронами наиболее благоприятно использовать при определении легких элементов.

Для некоторых элементов сечение реакции резко возрастает в области энергий резонансных нейтронов. Большими резонансными активационными способностями обладают такие элементы как медь, цинк, марганец, серебро, золото и другие.

Нейтронный гамма (нейтронно-радиационный) метод основан на регистрации гамма-излучения радиационного захвата нейтронов, испускаемого ядрами элементов, слагающих вещество, при облучении его потоком нейтронов. Спектр этого γ-излучения - линейчатый, индивидуален для каждого нуклида, что позволяет идентифицировать нуклид, а по интенсивности γ-линий захватного излучения определить содержание искомого элемента.

Ядерная реакция радиационного захвата нейтронов протекает наиболее интенсивно при энергиях нейтронов, близких к тепловым.

Для опробования и сортировки руд, содержащих элементы с атомной массой менее 40, перспективно использование нейтронного гамма-метода с регистрацией γ-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов по реакции (n, n′γ). Однако в связи со сложным характером спектра, наличием допплеровского уширения и смещения у-линии в реакции (n, n′γ), необходимости вследствие этого использования при детектировании γ-излучения полупроводниковых детекторов, этот метод пока еще не нашел применения.