Упражнение № 6

ПОЛЕВА ГАМА-СПЕКТРОМЕТРИЯ

 

            Средното съдържание на естествени радиоактивни елементи в почвите в Европа и Северна Америка е следното: уран 1.6´10^-4 %, торий - 6´10^-4 %, калий - 1.4%. Съдържанието (по тегло) на уран, торий и калии в различните видове скали е дадено в Таблица 1.

 

Таблица 1

 

            Картирането по уран, торий и калий се извършва с помощта на полевата гама-спектрометрия. Зоните с аномално ниски и високи концентрации могат да бъдат отнесени към потенциално рудоносните зони.

В природните системи уранът, торият и калият се асоциират с редица редки елементи. Урановата руда често е комплексна - в нея освен уран могат да се съдържат такива елементи,като Аu, Ве, Та, Li и т.н. от друга страна, уранът и торият се оказват елементи-спътници на редките метали. В този случай, радиоактивните елементи играят ролята на индикатори и отделната регистрация на урана и тория, както и на тяхното отношение придобиват особено значение.

По резултати от гама-спектрометрия са открити редица местонахождения на редки и цветни метали. Търсенето и локализирането на уранови находища само по себе си е много важна задача. Гама-спектрометрични изследвания се провеждат също така и в космонавтиката -- например такова изследване е проведено на Венера с помощта на 6о-канален анализатор.

Естествените радиоактивни елементи могат да бъдат обединени в няколко групи (наречени радиоактивни семейства или редове), във всяка от които в природни условия обикновено се запазва радиоактивното равновесие .Тези групи са: ред на уран-238, ред на уран-235 и ред на торий-232 (Фиг.1).

Фигура 1. Радиактивни семейства

 

            Родоначалниците на трите радиоактивни семейства (²³⁸U ,²³⁵U, ²³²Th) заедно с техните дъщерни продукти, както и ⁴⁰K са основните a-, b- и g-излъчватели в литосферата.

Разпределението на изотопите на урана в естествената изотопна смес е следното. ²³⁸U - 99,2739%  и ²³⁵U - 0,7234% .

Периодите на полуразпадане за процесите на a-разпадането (Т_½^a) и на делене ( Т_½^f ) са съответно: Т_½^a = 4.5´10⁹г. и Т_½^f  = 4.0´10¹⁶г. за ²³⁸U, а за ²³⁵U - Т_½^a = 7.13´10⁸г. и Т_½^f = 3.0´10⁷г. Специфичните активности са съответно: А=12,3 Bq/mg = 3.32´10^-7 Ci/g за U²³⁸, а за U²³⁵ - А=79 Bq/mg = 2.14´10^-6 Ci/g .

Енергиите и интензитетите на основните линии на гама-излъчващите нуклиди от урановия ред са показани в Табл. 5а . Трябва да се отбележи, че уранът изпуска гама-кванти, енергията на които не превишава 5% от енергията на гама-квантите на нуклидите от целия уранов ред. Около 80% от гама-квантите се дължат на два дъщерни изотопа: ²¹⁴Pb(RaB) и ²¹⁴Bi(RaC). Енергетичният спектър на гама-излъчването на уран-238 и дъщерните му продукти може да се групира по следния начин (виж Таблица 2).

 

Таблица 2

 

            Гама-излъчването на уран-235 е практически неизползваемо при полевата гама-спектрометрия по следните причини: интензитетът на гама-лъчите на уран-238 към интензитета на гама-лъчите на уран-235 е приблизително 25:1, освен това уран-235 дава нискоенергетични линии.

Енергиите и интензитетите на основните гама-линии от ториевия ред са показани в Таблица 5б. Енергетичният спектър на гама-излъчването на торий-232 и дъщерните му продукти може да се групира по следния начин (виж Таблица 3).

 

Таблица 3

 

            Гама-излъчването на калий-40 има енергия 1.461 MeV и добив 0,11 кванта/разпад, което отговаря на 3,31±0.04 гама-кванта в секунда от 1g калий с природно съотношение на изотопите.

В полевата гама-спектрометрия се използуват следните енергетични интервали:

 

1,30 - 1,55 МеV                     "калиев прозорец"

                                   (1.461 МеV, 0.11 Фотона/разпад)

1.65 - 1,85 МеV                     "уранов прозорец"

                                   (1.768 МеV, 0.16 Фотона/разпад)

2.50 - 2,70 МеV                     "ториев прозорец"

                                   (2.615 МеV, 0.36 Фотона/разпад)

 

            За количествени лабораторни измервания е удобно да се използува линията с енергия 609 keV на ²¹⁴Bi (с интензитет » 47% - виж Табл. 5а).

            В урановите обогатителни заводи (поради липсата на дъщерни продукти) за наличието и количеството на урана може да се съди само по нискоенергетичната гама-линия с енергия 41,9 keV на ²³⁵U.

В момента, за полева гама-спектрометрия, най-масово се използват сцинтилационни детектори NaI(Tl) с голям обем на кристала. Границата на откриваемост на естествените радиоактивни елементи практически е равна на най-ниските съществуващи концентрации (например за калия тя е 0.3%). Перспективни са опитните засега установки с кристали от бисмутов германат.

            В полевата гама-спектрометрия освен ръчно преносимите спектрометри могат да се използуват и варианти на спектрометри, монтирани на автомобили. За специални случаи се използува и аерогама-спектромерия.

 

            Упражнение

 

ИЗМЕРВАНЕ НА КОНЦЕНТРАЦИЯТА НА УРАН, ТОРИЙ И КАЛИЙ С ПРЕНОСИМ ГАМА-СПЕКТРОМЕТЪР

            Задача

            Да се определи концентрацията на уран, торий и калий в мястото на измерване.

 

            Апаратура

            Едноканален полеви гама-спектрометър с кристал NaI(Tl) с голям обем.

 

            Изпълнение

            1. Градуировка на прибора.

            Използува се изотоп ¹³⁷Cs (Т_½ = 30.174 г. , Е_g= 662 keV). В диференциален режим (с прозорец 1) се измерва зависимостта на броя регистрирани импулси в зависимост от номера на канала. От тази зависимост се намира в кой канал се намира максимума на гама-линията с енергия 662 keV и приемайки че енергия 0 keV отговаря на канал номер 0 се определя калибровъчната права по тези 2 точки.

            2. Полево измерване на скоростта на броене в трите прозореца.

            3. Определяне на специфичната активност.

            Известно е, че броят регистрирани за единица време импулси N от полубезкрайна сфера със специфична активност q и с масов коефициент на поглъщане m_i за съответната енергия Е_i се дава от израза:

 

           (1),

 

където q е масовата специфична активност в Вq/g , p_i е броят гама-кванти с енергия Е_i на един акт на разпадане, e_i е ефективността на детектора за съответната гама-линия (e < 1), m_i е масовият коефициент на поглъщане на съответната гама-линия от почвата или скалата в cm²/g, а s е ефективната площ на детектора в сm²

Тъй кат енергиите на урановия, ториевия и калиевия прозорец са високи, практически има само Комптьново взаимодействие, т.е. коефициентът на поглъщане не зависи от елементния състав на почвата или скалата, а само от нейната плътност. В случая работим с масовия коефициент на поглъщане, за който връзката с линейния коефициент е следната: m_i=m_i^лин/r. В числителя на формула 1. участвува масовата специфична активност q. която се получава от обемната активност q_о чрез зависимостта q=q_о/r. По този начин, направената калибровка не зависи от плътността на скалата.

Във формула (1) единствената неизвестна величина е e_i, която по принцип се определя по следния начин: На разстояние r от детектора се поставя източник с известна активност и се измерва скоростта на броене N в съответния прозорец. Oт зависимостта N=Ape_is/r², където А е активността на източника в Вq , p е броят гама-кванти на разпад, а s е площта на детектора , може да се определи e_i. В това упражнение стойностите на e_i за линиите на уран, торий и калий са дадени в Таблица 4.

 

Таблица 4

 

            От формула (1), измервайки скоростта на броене N, мoжем да oпределим масoвата специфична активнoст q:

 

Таблица 5

            a) зa ²³⁸U

 

            б) зa ²³²Th