Лабораторна робота №2

Визначення вмісту радіоактивних елементів в породі методом гама-спектрометрії

2.1 Мета роботи

1. Вивчення будови та порядку підготовки гамма-спектрометра АІ-128 до проведення вимірювань.

2. Вивчення методики визначення концентрацій радіоактивних елементів в гірській породі.

2.2 Завдання

1. Ознайомитися з технічними можливостями гамма-спектрометра АІ-128;

2. Зареєструвати спектри гамма-випромінювання зразка породи, еталонів та фону.

3. Розрахувати концентрації радіоактивних елементів в гірській породі.

2.3 Теоретичні відомості

Радіоактивність - це самочинне перетворення нестійких ізотопів хімічних елементів у більш стійкі з виділенням енергії, складовими частинами якої є α, β, γ - випромінювання. Найбільшу цікавість для вивчення становлять γ-кванти - через їх високу проникну здатність.

Імовірність радіоактивного розпаду - це властивість самого ядра, яка не залежить від зовнішніх умов. Ця імовірність за достатньо довгий час реакції коливається навколо деякої середньої величини. Відповідно інтенсивність розпаду безперервно змінюється в деяких межах навколо певної статичної константи, і це явище називається флуктуацією.

Радіоактивність гірських порід в основному пов'язана з наявністю в них таких радіоактивних елементів, як уран U, торій Тh, продуктів їх розпаду і ізотопу калію К⁴⁰. Середні значення вмісту цих елементів в земній корі становлять: для U - 2.1*10^-4% , для Тh - 7*10^-4%, для К - 1.8%. Підвищеною радіоактивністю характеризуються граніти, пегматити, діорити, гнейси, сланці, кварцові конгломерати, калійні солі, глини, а також породи з органічними домішками. Відмітимо, що висока радіоактивність глин пояснюється їх підвищеними адсорбційними властивостями. До порід з низькою радіоактивністю відносяться ультраосновні та основні магматичні породи (дуніт, піроксеніт, габро, діабаз), кварцити, амфіболіти, мармури, чисті вапняки, доломіти, алевроліти, гіпси, ангідрити, кам'яна сіль.

Вивчення вмісту урану, торію і калію полягає в реєстрації спектрів гамма-випромінювання зразка породи, еталонів даних елементів, фону з наступною обробкою результатів вимірювань.

Ідентифікація радіоактивних елементів здійснюється по енергіях піків зареєстрованого спектру гамма-випромінювання, а градуювання енергетичної шкали спектрометра - по залежності енергій еталонних джерел Сs¹³⁷(Еj=0.662 Мев), С⁶⁰(Еγ=1.14 і 1.32МеВ). К⁴⁰(Eγ= 1.46 МеВ) від номерів каналів аналізатора, в яких реєструються гамма-кванти даних енергій.

Концентрація радіоактивних елементів в породі визначається шляхом порівняння інтенсивностей гамма-випромінювання досліджуваного зразка породи Іп та і-х еталонів (U, К⁴⁰, Тh) у визначених j-х інтервалах енергій Еj. Зареєстрована інтенсивність гамма-випромінювання у будь-якому енергетичному інтервалі спектру:

І (n+ф)j = Inj + Іфj, (2.1)

де Іфі - інтенсивність фонового гамма-випромінювання в j-му енергетичному інтервалі. Величина Inj дорівнює сумі інтенсивностей випромінювання окремих і-х радіоактивних елементів в даному j-му інтервалі енергій:

(2.2)

де aij - спектральний коефіцієнт, який дорівнює інтенсивності гамма-випромінювання, що зареєстрована в j-му енергетичному інтервалі від одиничної концентрації і-го радіоактивного елементу:

сі - концентрація і-го елементу в зразку. Концентрації радіоактивних елементів сі знаходять, розв'язуючи систему рівнянь (2.2), в яких величини aij та Inj визначаються експериментально. Звичайно Inj визначають або по максимальному значенню інтенсивності в і-му інтервалі, або по сумі декількох значень Inj в області знаходження даного піку зареєстрованої інтенсивності випромінювання.

При спектрометрії природнього гамма-випромінювання за допомогою сцинтиляційних детекторів для розрахунків звичайно використовують наступні максимуми енергій випромінювання радіоактивних ізотопів Ej: U(Ra) - 0.607 МеВ; К⁴⁰ - 1.46 МеВ; Th - 2.62 МеВ.

Вміст урану Сu, калію СK і торію Cth визначають, розв'язуючи систему рівнянь:

(2.3)

Числові значення спектральних коефіцієнтів aij, що входять в дану систему рівнянь, визначаються за даними, отриманими при реєстрації спектрів гамvа-випромінювання уранового, калієвого та торієвого еталонів, а також фону:

(2.4)

де: І(ет+ф)іj - інтенсивність випромінювання і-го еталону в кожному з j-x енергетичних інтервалів;

Іфj - фонова інтенсивність гама-випромінювання в тих же енергетичних інтервалах; mп і mеті - маси породи і відповідних еталонів; Сеті - концентрація відповідного радіоактивного елементу в і-му еталоні.

Розв'язок системи рівнянь (2.3) записується наступним чином:

(2..5)

(2.6)

(2.7)

де: Δ - визначник, складений з коефіцієнтів aijсистеми рівнянь (2.3):

2.4 Порядок виконання роботи

Визначити маси еталонів mеті і породи mп.

Перед кожним виміром за допомогою кнопок "Скид" здійснити стирання накопиченої раніше в аналізаторі та цифродрукуючому пристрої інформації.

Провести градуювання енергетичної шкали спектрометра. Для цього:

а) еталонне джерело гамма-випромінювання помістити в свинцевий контейнер спектрометра на робочу поверхню сцинтиляційного детектора;

б) плавно змінюючи напругу живлення детектора і контролюючи зареєстровані спектри випромінювання на екрані осцилографа, встановити пік інтенсивності випромінювання еталону Еjет в такому каналі спектрометра nет, щоб виконувалось співвідношення:

(2.9)

де: nth - номер каналу, в якому будуть зареєстровані гамма-кванти з енергією Еjth, що відповідає піковій ін­тенсивності випромінювання торію (Еγth - 2.62 МеВ); nth=120-125.

При виконанні умови (2.9) випромінювання торієвого еталону буде зареєстроване наприкінці шкали 128-ми канального спект­рометра, а реєстрація випромінювання уранового еталонуздійсниться в каналі, максимально віддаленому від "зашумленого" фоновим та розсіяним гамма-випромінюванням початку шкали.

4.Після проведення градуювання енергетичної шкали спектрометра слідкувати за незмінністю напруги живлення детектора,

5. Зареєструвати спектр випромінювання уранового еталону. Для

цього:

а) виконати операції по п. 2.4.2;

б) в свинцевий контейнер спектрометра замість еталонного джерела гамма-випромінювання помістити урановий еталон;

в) натиснути кнопку "Стоп" осцилографа;

г) перемикачі режимів роботи осцилографа поставити в положення "Вимірювання" та "Осцилограф";

д) натиснути кнопку "Пуск" осцилографа і на протязі 10-20 хвилин проводити реєстрацію випромінювання, після чого "натиснути кнопку "Стоп" осцилографа;

е) проконтролювати набраний спектр на екрані осцилографа, поставивши перемикачі режимів роботи осцилографа в положення "Виведення" та "Осцилограф" і натиснувши кнопку "Пуск" осцилографа;

є) вивести накопичену інформацію на цифродрукуючий пристрій (ЦДП) натиснувши кнопку "Стоп" осцилографа, перевівши перемикачі ре­жимів роботи в положення "Виведення" і "Цифродрукуючий прист­рій" і послідовно натиснувши кнопки "Скид", "Пуск" на ЦДП і "Пуск" на осцилографі;

ж)зупинити ЦДП після виведення на стрічку інформації, накопиченої у всіх 128-ми каналах аналізатора.

Зареєструвати спектри гамма-випромінювання калієвого і торіє­вого еталонів, зразка гірської породи та фону, виконавши опе­рації по п. 2.4.5 при тих же умовах вимірювань.,

На спектрограмах визначити номери каналів, в яких зареєстро­вані j-тіінтервали енергій випромінювання еталонів. Для цьо­го використати монохроматичність випромінювання калієвого еталону Еγ= 1.46 МеВ) і співвідношення, аналогічне (2.9).

Враховуючи, що

(2.10)

де: І - інтенсивність випромінювання, імп.;

N - кількість зареєстрованих імпульсів;

Т - час реєстрації, с.

Визначити Inj та ajj з використанням виразів (2.1) і (2.4).

9. Розрахувати за формулами (2.5) - (2.8) вміст Сі радіоактивних елементів в гірській породі.

10. За результатами розрахунків зробити висновки.

2.5 Контрольні запитання

1. Явище радіоактивного розпаду.

2. Радіоактивність гірських порід.

3. Методика визначення вмісту радіоактивних елементів в породі.

4. Градуювання енергетичної шкали спектрометра.

5. Методика реєстрації спектрів гамма-випромінювання за допомогою АІ-128.

2.6 Література

1. Кобранова В.Н. и др. Руководство к лабораторным работам по курсу "Петрофизика". -М.: Недра, 1982.

2. Итенберг С.С., Дахкильгов Т.Д. Геофизические исследования в скважинах. - М.: Недра, 1982.

3. Анализатор импульсов АИ-128-2. Техническое описание и интструкция по эксплуатации. -М., 1981.