Методы определения содержания радиоактивных элементов

Радиометрический метод является основным при определении концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее широко он применяется как оперативный метод определения урана и тория в процессе поисково-разведочных работ и при добыче радиоактивных руд. По своей точности он часто не уступает химическому методу, будучи при этом в 4—5 раз дешевле и в 5—6 раз производительнее последнего.

В лаборатории исследуемые порошковые пробы и эталоны обычно насыпают в специальные кассеты, форма которых определяется формой детектора излучения. По соотношению между толщиной образца и длиной пробега регистрируемых частиц различают тонкий, промежуточный и насыщенный (толстый) слой.

Тонким для данного излучения является слой, толщина которого значительно меньше длины пробега частиц и потому ослабление излучения в самом образце пренебрежимо мало. Насыщенным является слой, толщина которого столь велика, что дальнейшее ее увеличение не приводит к росту потока излучения через его поверхность, обращенную к детектору. Результаты измерений с насыщенными слоями не зависят от колебаний толщины образца.

Измерения с насыщенным слоем обычно проводят при бета-методе. Измерения в тонких слоях используются при малом количестве, либо при очень высокой удельной активности исследуемого вещества. Для г-излучения измерения также проводятся в тонких или близких е тонким слоям.

Лабораторные методы радиометрии классифицируют в зависимости от регистрируемого вида излучения: различают бетаи гамма-методы. Во всех лабораторных методах используется относительный метод измерений, заключающийся в сравнении показаний прибора для исследуемого образца и эталона. Если измерения излучения пробы Iп и эталона Iэ проводятся в идеентичных условиях, масса пробы и эталона одинакова, то измерения будут пропорциональны концентрациям радиоактивного изотопа Iп /Iэ = Cп/Cэ отсюда концентрация изотопа в пробе:

Cп = IпСэ/Iэ Бета-метод используется при определении суммарной радиоактивности в единицах равновесного урана, без разделения по составу радиоактивных изотопов.

Гамма-метод используется для определения общей г-активности проб, определения содержания радия в урановых рудах и определения коэффициента эманации пробы. Суть метода заключается в том, что в урановом ряде 98% г-активности обусловлено содержанием радия (Т? 1600 лет) и продуктами его распада. Исходя из этого, гамма-метод, в качестве самостоятельного используется редко, преимущественно для исследования проб, содержащих один радий.

Комплексный бета-гамма-метод. Этим методом определяется:

Содержание урана и радия в образцах пород и руд с нарушенным радиоактивным равновесием. Основой для раздельного определения урана и радия является то, что в-излучатели в ряду урана распространены равномерно по всему ряду, а почти вся г-активность ряда урана обусловлена содержанием радия и продуктами его распада. Проводя раздельные измерения ви г-активности пробы, получаем два уравнения с двумя неизвестными (концентрации урана и радия), решается система этих уравнений и находятся искомые концентрации.

Содержание урана и тория в равновесной уран-ториевой руде. Основой для раздельного определения урана и тория является различная г-активность ряда урана и ряда тория: 1 г равновесного урана излучает примерно 12 300 г-квантов в секунду, а 1 г равновесного тория около 4300. По в-активности эти ряды примерно одинаковы. Методика измерения и расчетов концентраций урана и тория аналогична вышеописанной.

Все эти методы (бета-, гаммаи бета-гамма) широко использовались в 60 — 70-е годы прошлого века, когда аппаратурная база и методы обработки информации были недостаточно развиты. В настоящее время для определения содержания естественных радиоактивных элементов пород используется метод гаммаспектрометрии.

Гамма-спектрометрический метод. С помощью гамма-спектрометрического метода проводят экспрессные дистанционные измерения содержаний естественных радиоактивных элементов в горных породах. Чувствительность определения достаточно высока — концентрации, близкие к кларковым, измеряются с удовлетворительной погрешностью в условиях естественного залегания пород (в полевой модификации).

Метод основан на том, что излучение любого радиоактивного элемента прямо пропорционально его содержанию в объекте. Гамма-кванты, испускаемые атомными ядрами, обладают дискретным линейчатым спектром, у каждого изотопа свой спектр г-излучения. Возможность надежной идентификации и определения содержания радиоактивных элементов по спектру г-излучения является важнейшим достоинством гамма-спектрометрического анализа. Другое преимущество этого анализа связано с большой проникающей способностью г-квантов.

В полевых, и в некоторых лабораторных, г-спектрометрах датчиками служат сцинтилляционные детекторы на основе кристалла NaJ (Tl). Проблема использования сцинтилляционного детектора заключается в том, что:

В рядах урана и тория присутствует примерно по 50 г-квантов различной энергии, при этом значительная часть их приходится в область энергий до 1 Мэв.

Особенности применения сцинтилляционного детектора для гамма-спектрометрии приводит к образованию в спектрах «искусственного» комптоновского шлейфа, существенного в области энергий до 0.6 Мэв, а также дополнительных пиков за счет РЭП.

Сравнительно низкое энергетическое разрешение сцинтилляционного детектора приводит к тому, что энергетически близко расположенные пики сливаются в один. Например, в ряде тория изотоп Ac228 испускает г-кванты с энергией 0.911 и 0.967 Мэв, на долю которых приходится 14.5% и 11.5% г-активности всего ряда. Так вот, при разрешении 10% сцинтилляционного детектора, полуширина пика составит для каждого пика около 90 Кэв, а разница энергий между ними — всего 56 Кэв. Следовательно, сцинтилляционный детектор вместо двух пиков зарегистрирует один суммарный пик.

На рисунке показаны спектры г-излучения калия-40 и рядов урана и тория, зарегистрированных сцинтилляционным детектором.

Для определения содержания естественных радиоактивных элементов, в спектрометрах начала 80-х годов (СП-4, РКП-305 и др.) в спектре урана выделялся энергетический интервал 1,65 — 1,85 Мэв, связанный с излучением Bi214 (1,76 Мэв), в спектре тория — интервал 2,5 — 2,7 Мэв (излучение Tl208 2,615 Мэв), г-излучение К40 содержит пик 1,46 Мэв, — интервал измерений 1,30 — 1,55 Мэв. Выбор интервалов измерений осуществлялся по критериям: пики г-излучения должны быть достаточно интенсивными; выбранные интервалы энергий для различных элементов должны хорошо разрешаться сцинтилляционным детектором.

Как видно из рисунка, в интервалах измерения данного элемента, присутствует излучение в виде фона от другого элемента. Например, в канале урана (1,65 — 1,85 Мэв) присутствует фон от тория. Точный аналитический учет «фона» от других элементов практически невозможен. Эту проблему решают следующим образом.

При измерении породы, содержащей все три компоненты естественной радиоактивности, измерения в каждом канале можно представить так:

JU = a1CK + b1CU + c1CTh.

JTh = a2CK + b2CU + c2CTh.

JK = a3CK + b3CU + c3CTh.

где: JU, JTh, JK — измеренная интенсивность в каналах урана, тория и калия; CK, CU, CTh — содержания калия, урана и тория в измеряемой породе; ai, bi, ci — коэффициенты, учитывающие взаимовлияние каналов («фона»). Девять коэффициентов (ai, bi, ci) находят при измерении трех эталонов с известным содержанием радиоактивных элементов, причем содержания в эталонах должно различным. При таком способе измерений относительная погрешность определения составляла примерно 5 — 8%, а порог чувствительности оценивался для урана и тория (1,5 ч 3)* 10−4% равновесного урана, для калия — (1,5ч 3)* 10−1%.

В настоящее время, когда появилась возможность использовать ЭВМ не только в лабораторных, но и в полевых условиях, в современных г-спектрометрах анализ содержание урана и тория ведут не по одному энергетическому интервалу, а по нескольким, как правило по четырем — пяти пикам наиболее интенсивных г-излучателей. Учет влияния «фона» проводится при эталонировании и по известным справочным данным соотношения г-активностей изотопов рядов урана и тория. При такой методике удается понизить относительную ошибку измерения до (2 ч 3)% и снизить порог чувствительности для урана и тория до (1 ч 1,5)* 10−4% равновесного урана.

В лабораторных условиях для гамма-спектрометрии возможно применение полупроводниковых детекторов, которые работают при температуре жидкого азота (-1900С). У полупроводникового детектора (ППД) имеются преимущества относительно сцинтилляционного детектора (СД):

Великолепное энергетическое разрешение — 0.6% ППД против 10% СД.

В отличие от СД, у ППД не существенны дополнительные составляющие в г-спектре (комптоновское рассеяние, РЭП).

В результате г-спектр образцов, полученных с помощью ППД, существенно отличается от спектра СД тем, что в интервале энергий от 200 Кэв до 3 Мэв все пики разрешены, фон от рассеянного излучения практически отсутствует. Используя методику определения содержания урана и тория по нескольким пикам г-излучения в каждом ряде, получают хорошие результаты.

Однако порог чувствительности и относительная погрешность измерения содержания естественных радиоактивных элементов в породе в полевых и лабораторных условиях, как ни странно, примерно одинакова. Это обусловлено тем, что при лабораторных исследованиях уменьшается представительность анализа. Если в полевых условиях измеряется порода в объеме сферы радиусом 30 — 40 см (в геометрии 4р в шпурах или скважинах) или полусферы того же радиуса (в геометрии 2 р на поверхности), то в лабораторных условиях размер образца существенно (на порядок) меньше. Точность лабораторного анализа также зависит от уменьшения естественного фона, для чего применяют свинцовые экраны («домики»), которые уменьшают фон примерно на порядок.

Эманационный метод. Определение содержания радия и его изотопов по их эманациям (радон) основано на том, что содержание радиоактивных газообразных эманаций измеряется с высокой точностью и чувствительностью по их б-излучению. Весь радий и его изотопы, содержащиеся в образце, предварительно переводят в растворенное состояние с помощью химических операций. Для определения содержания радия приготовленный раствор пробы помещают в специальный сосуд — барботер, затем продувают его насосом в течение 15 минут для удаления содержащегося радона, после чего закрывают (герметизируют) систему. Количество накопившегося после герметизации радона определяют по формуле:

где QRa — содержание Ra в г, л — постоянная распада радона, t — время после герметизации.

Для накопления равновесного (максимального) с радием количества радона необходимо около 30 суток. Однако на практике длительность накопления обычно не превышает 7 суток, т.к. при этом накапливается 72% радона, равновесного с радием.

Для измерения б-активности накопившегося радона применяется сцинтилляционный детектор. Люминофор ZnS (Ag) нанесен на внутреннюю стенку металлической камеры, диаметр которой равен 8 см — длине пробега б-частицы в воздухе. Накопившийся в барботере радон вводится в сцинтиллятор через систему краников с помощью прокачки воздуха. Чтобы избежать попадания влаги из раствора, между барботером и камерой помещен эксикатор с CaCl2. Сцинтилляции, возникающие при бомбардировке люминофора б-частицами, воздействуют на фотокатод ФЭУ через прозрачное стекло. Определив содержание радона, определяют содержание радия в исходной пробе.