Способ гамма-опробования горных пород на содержание радиоактивных элементов однодетекторными радиометрами направленного приема излучения

Опробование горных пород и руд по гамма-излучению производится радиометрами направленного приема излучения. В настоящее время на производстве используются два типа радиометров опробования — однодетекторные и двухдетекторные [5]. В однодетекторных радиометрах направленность опробования создается частичной экранировкой детектора от мешающего (фонового) излучения вне зоны опробования (полная экранировка невозможна по весогабаритным характеристикам свинцовых экранов) и двойным измерением интенсивности излучения на точках опробования: с открытым и закрытым окном в зону опробования (с применением специального фильтра окна). Более производительными являются двухдетекторные радиометры, в которых интенсивность излучения одновременно измеряется вторым (фоновым) детектором и вычитается из измерений первого детектора, помещенного в специальный экран с окном в зону опробования, с определенным коэффициентом приведения. Однако детекторы в таком радиометре занимают разное геометрическое положение относительно зоны опробования, а соответственно приведение измерений фонового детектора к положению основного детектора (решение системы двух уравнений относительно интенсивности излучения из зоны опробования) осуществляется с определенной погрешностью, которая может возрастать до существенных значений (более 10 %) при большой фоновой интенсивности излучения (например, в условиях горных выработок) и при больших градиентах интенсивности излучения на площади опробования (при резко неравномерном распределении содержаний радиоактивных элементов в породах), т. е. именно тогда, когда требуется повышенная точность измерений. Разное положение детекторов относительно зоны опробования накладывает определенные ограничения и на размеры детекторов, а соответственно и на чувствительность приборов.

Возможен и другой, спектральный способ получения системы двух уравнений и их решения относительно интенсивности излучения из зоны опробования, при этом способ реализуется с использованием только одного детектора. Сущность способа заключается в следующем.

Детектор радиометра спектрометрического типа (сцинтилляционный счетчик) открыт в зону опробования и экранирован от фонового излучения свинцовым фильтром толщиной 4-8 мм. Регистрация излучения производится в двух энергетических интервалах спектра: низкоэнергетическом и высокоэнергетическом с граничной энергией разделения интервалов Eg порядка 200-250 кэВ. Регистрируемые детектором скорости счета сигналов от поверхности опробования в низко- и высокоэнергетических интервалах будут определяться выражениями:

M' = P'·N + R'·F,

M” = P”·N + R”·F.       (1)

где N - суммарная скорость счета сигналов от излучения из зоны опробования, F - то же от пород вне зоны опробования (условно - зоны фона, при этом излучение из данной зоны проходит на детектор через свинцовый фильтр), Р' и Р" - относительные доли скорости счета соответственно в низко- и высокоэнергетическом интервалах, R' и R" - то же для скорости счета F, М' и М" - скорости счета в низко- и высокоэнергетическом интервалах. При этом Р'+Р"=1 , R'+R"=1 , M'+M"=N+F и P'/P">R'/R" за счет разных условий прохождения излучения из зоны опробования и зоны фона на детектор. Индексы ( ' , " ) здесь и в дальнейшем относятся соответственно к первому (низкоэнергетическому) и второму (высокоэнергетическому) интервалам регистрации.

Решая систему уравнений (1) относительно скорости счета N для излучения из зоны опробования, получаем:

N = KM ' - KM",       (2)

К' = R" / (Р' - R' ),       (3)

К” = R' / (Р' - R' ).       (4)

При установленной граничной энергии Eg разделения интервалов регистрации излучения значения коэффициентов Р и R могут быть определены измерениями на поверхности однородной по содержанию радиоактивных элементов среды при полностью открытом детекторе (без свинцового фильтра) и при детекторе, полностью закрытом свинцом фильтром. Для перехода от скорости счета N к содержанию радиоактивных элементов (в зоне опробования) проводится определение пересчетного коэффициента радиометра в рабочем положении на рудных моделях по типовой методике для радиометров гамма-опробования.

Форма спектра естественного гамма-излучения руд и горных пород, особенно в области энергий до 500 кэВ, практически постоянна. Спектральная эффективность регистрации сцинтилляционных детекторов зависит от их типа, размеров, энергии излучения и условий прохождения излучения на детектор. Статистическая погрешность измерения зависит от данных факторов и является функцией граничной энергии Eg разделения интервалов регистрации излучения. Из выражения (2) для дисперсии отсчетов Nt (t - экспозиция) можно записать:

D(Nt) = K' 2·D(M't) + K”2·D(Mt) = K'2·M't + K”2·Mt .        (5)

где значения К и M определяются положением Eg на спектре естественного гамма-излучения и параметрами детектора (без учета прямой зависимости М от содержания радиоактивных элементов). Если аппроксимировать каким-либо аналитическим выражением аппаратурные спектры естественного гамма-излучения, регистрируемые от однородной среды открытым детектором и детектором, закрытым свинцовым экраном, то не представляет затруднений проведение анализа выражения (5) по минимуму дисперсии на оптимальное значение положения Eg . Численный анализ, проведенный непосредственно по аппаратурным спектрам для детекторов NaI(Tl) размерами от 16х20 до 25х40 мм со свинцовыми фильтрами толщиной от 4 до 8 мм показал, что функция (5) имеет минимум внутри зоны значений Eg от нижней границы Eg1 до верхней границы Еg2 , на которых выполняются условия:

М' = М" при Eg = Eg1,       (6)

R' = R" при Eg = Eg2.       (7)

Значение Eg1 определяется установкой такой границы Eg, при которой наблюдается равенство скоростей счета в низко- и высокоэнергетических интервалах регистрации в рабочем положении прибора на поверхности излучающей среды. Условие (7) эквивалентно равенству скоростей счета в этих же интервалах на поверхности той же среды при полном экранировании детектора, т. е. при перекрытии окна свинцового фильтра в зону опробования фильтром такой же толщины.

Условия (6) и (7) весьма удобны как для практической установки границы Eg при первичной настройке и градуировании приборов на рудных моделях, так и для периодической проверки и подстройки положения Eg при эксплуатации (для чего в приборе должен быть предусмотрен соответствующий орган изменений установки границы Eg).

Способ имеет возможность упрощения измерений и настройки. Преобразуем выражение (2) к виду:

N = K'·( M' - M" R'/R").        (8)

Если установить границу интервалов регистрации непосредственно по условию (7), то выражение (8) превращается в уравнение

N = K'·(M' - M").          (9)

Q = (M' - M”) / K        (10)

где К — общий пересчетный коэффициент прибора (имп/сек на % металла, определяемый на рудной модели), Q — содержание эквивалентного урана в зоне опробования. Установление значения Eg по условию (7) хотя и несколько не оптимально с позиции минимума статистической погрешности, но удобно для практики в силу своей однозначности и простоты построения измерительной схемы прибора.

Интенсивность естественного гамма-излучения в низкоэнергетической области спектра (многократно рассеянное излучение при измерениях в условиях естественного залегания пород) зависит также от эффективного атомного номера горных пород. При существенных изменениях атомного номера пород по площади опробования это может приводить к появлению дополнительной погрешности измерений. Для исключения данного фактора наиболее простой метод - закрытие входного окна датчика дополнительным свинцовым фильтром толщиной 1мм , что несколько снижает чувствительность прибора, но не изменяет условий его настройки и градуирования. Более эффективным и создающим дополнительные возможности в опробовании руд можно считать другой метод: непосредственное измерение эффективного атомного номера пород в зоне опробования [2| и учет его значения в пересчетном коэффициенте, или непосредственную стабилизацию пересчетного коэффициента [3].

Использование детектора радиометра в спектрометрическом режиме требует либо автостабилизации энергетической шкалы преобразования измерительного тракта прибора, либо ее периодического контроля и подстройки в процессе работы. При установке границы Eg по условию (7) периодический контроль затруднений не представляет, и может выполняться без дополнительных контрольных изотопов (по естественному излучению пород). Автостабилизация энергетической шкалы радиометра, удовлетворяющая условиям измерений, также может быть выполнена без дополнительных (реперных) источников излучения по средней энергии спектра естественного гамма-излучения [4], которая в энергетическом интервале 300-1000 кэВ практически постоянна, или по особенностям формы спектра излучения [1].

При использовании сцинтилляционных детекторов основной свинцовый экран выполняется в виде цилиндрического стакана с торцевым окном в зону опробования, при этом установка угловой чувствительности блока детектирования и ее изменение производится в довольно широких пределах перемещением детектора в экране относительно выходного окна. Прибор не имеет никаких ограничений по размерам детектора и по соотношению интенсивностей основного и мешающего излучений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А.с. № 1514116. Способ определения содержания радиоактивных элементов в горных породах. А.В. Давыдов, В.А. Давыдов, А.С. Серых. - 1989.

2. А.с. № 1570523. Способ определения эффективного атомного номера горных пород и устройство для его осуществления. А.В, Давыдов, Г.Г. Коргуль, А.Г. Шампаров. - 1990.

3. А.с. № 1167969. Способ коррекции плотности потока излучения при гамма-каротаже и опробовании руд и устройство для его осуществления. А.В. Давыдов, Г.Г. Коргуль, А.Г. Шампаров. - 1985.

4. А.с. № 1327687. Способ стабилизации коэффициента энергетического преобразования измерительного тракта радиометрической аппаратуры и устройство для его осуществления. А.В. Давыдов, А.Г. Шампаров, А.С. Серых. - 1987.

5. Хайкович И. М., Шашкин В. Л. Опробование радиоактивных руд по гамма-излучению. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

6. Способ опробования горных пород и руд по гамма-излучению. Давыдов А.В. // Известия Уральского горного института. Сер. Геология и геофизика. - 1993. - Вып. 2. - С. 185-188.


Это фрейм страницы "Радиометрия и ядерная геофизика".
Для просмотра всей страницы, нажмите здесь!
Об ошибках, предложениях и мертвых ссылках: davpro@yandex.ru
Copyright © 2005-2010 Davydov