II Радиометрия и гамма-спектрометрия
Спектрометрия – совокупность методов и теория измерений спектров электромагнитных излучений, и изучение спектральных свойств веществ и тел. Спектрометрическая гамма-съёмка применяется не только для поисков и разведки радиоактивных руд, но и для выявления других металлических и неметаллических полезных ископаемых, парагенетически или пространственно связанных с радиоактивными.
1 Естественная радиоактивность
Самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, спонтанно превращающихся в ядра других элементов и сопровождающийся испусканием альфа-, бета-частиц, гамма-квантов и другими процессами, называется естественной радиоактивностью. Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами).
Радиоактивность тяжелых металлов с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82 приводит к последовательным превращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными радиоактивными рядами, или семействами, тяжелых элементов являются ряды урана-238, калия-40, тория-232.
Перечисленные элементы являются родоначальниками семейств и относятся к долгоживущим. Конечным продуктом превращений урана является нерадиоактивный радиогенный свинец-206. Кроме радиоактивных семейств имеются одиночные радионуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Среди них наиболее распространен калий-40 (T1/2 = 1,4·109 лет). В целом, в земной коре повышены концентрации следующих трех радиоактивных элементов: урана (2,5·10-4 %), тория (1,3·10-3 %) и калия-40 (2,5 %). Поэтому при использовании радиометрии изучают только эти элементы. Они находятся в горных породах в рассеянном состоянии в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов.
2. Аппаратура
Для обнаружения и измерения интенсивности ядерных излучений используются различного типа радиометры.
2.1 Принцип работы радиометра
Важнейшие элементы радиометров – индикаторы излучения.
Чувствительные элементы (детекторы) служат для определения интенсивности и энергетического спектра ядерных излучений путем преобразования энергии радиоактивного излучения в электрическую энергию. В аппаратуре для ядерно-геофизических исследований в качестве чувствительных элементов используют ионизационные камеры, счетчики Гейгера – Мюллера, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, термолюминесцентные кристаллы.
В сцинтилляционном счетчике регистрация заряженной частицы связана с возбуждением атомов и молекул вдоль ее траектории. Возбужденные атомы, живущие короткое время, переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ, называемых фосфорами или люминофорами, часть спектра этого излучения приходится на световую область. Прохождение заряженной частицы через такое вещество вызывает вспышку света. Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в фосфоре в последний добавляют так называемые активаторы. Вид активатора указывают в скобках после обозначения фосфора (рисунок 3).
Попадание быстрой заряженной частицы в фосфор вызывает световую вспышку - сцинтилляцию. Последняя преобразуется в электрический импульс и усиливается в 105-106 раз фотоэлектрическим умножителем (ФЭУ) [1].
Примечание – 1 – сцинтиллятор; 2 – сцинтилляции (вспышки); 3 – фотокатод; 4 – фокусирующий катод; 5-10 – диноды; 11 – анод; 12 – ускоряющие напряжения между каждой последующей парой радиотехнических элементов
Рисунок 4 – Схема строения радиометра [2]