практикум по ягф (готовое)1
.pdf1
Оглавление |
|
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................................................. |
3 |
ГЛАВА 1. МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ РЕНТГЕНОФЛЮОРЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ |
|
ОБРАЗЦОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ................................................... |
5 |
1.1. Физические основы ........................................................................................................................................ |
5 |
1.2. Источники излучения ................................................................................................................................. |
10 |
1.3. Детекторы излучения .................................................................................................................................. |
12 |
1.4. Методики многоэлементного рентгенофлюоресцентного анализа ..................................................... |
15 |
1.4.1. Методика анализа в тонких слоях............................................................................................................. |
16 |
1.4.2. Методика анализа в насыщенных слоях.................................................................................................... |
16 |
1.5. Многоэлементный анализ геоэкологических объектов с применением спектрометров ................ |
18 |
Лабораторная работа №1. Качественный анализ вторичных рентгеновских спектров жидких |
|
геоэкологических образцов, полученных с применением спектрометра "РесПЕКТ" |
22 |
Лабораторная работа №2. Обработка результатов многоэлементного анализа жидких |
|
геоэкологических образцов с помощью программы "SIMPLE" |
27 |
ГЛАВА 2.ОСНОВЫ МЕТОДА МОНТЕКАРЛО.................................................................................................. |
38 |
2.1. Моделирование случайных величин ........................................................................................................ |
38 |
2.2. Получение случайных чисел на ЭВМ ....................................................................................................... |
40 |
2.3. Разыгрывание дискретных случайных величин.................................................................................... |
42 |
2.4. Разыгрывание непрерывной случайной величины............................................................................... |
43 |
2.5. Моделирование похождения нейтронов через вещество ...................................................................... |
43 |
Лабораторная работа №3. Расчет прохождения нейтронов через пласт бесконечного простирания |
|
методом Монте-Карло |
49 |
Список литературы............................................................................................................................................. |
53 |
2
ВВЕДЕНИЕ
Ядерная геофизика составляют неотъемлемую часть разведочной геофи-
зики. Широко применяются в комплексе методов при поисках, разведке и экс-
плуатации месторождений, а также при геологическом картировании и эколо-
гических исследованиях. Особая роль ядерной геофизики связана с возможно-
стью изучения вещественного состава, а также физических свойств горных пород и руд. Целью изучения дисциплины является получение знаний о тео-
ретических и физических основах методов, методиках и технических средст-
вах проведения работ, обоснованных подходах к учету влияния различных геологических и физических факторов при применении разных способов об-
работки и интерпретации получаемых результатов
«Лабораторный практикум по ядерной геофизике» является дополнитель-
ной литературой к курсу «Ядерная геофизика». В результате изучения дисцип-
лины студент должен знать теорию и практику применения ядерно-
радиометрических методов метода разведки при решении геологических, и
экологических задач современную ядерно –радиометрическую аппаратуру и особенности ее применения, основы интерпретации получаемых данных в комплексе с данными других геофизических методов, уметь обосновывать и составлять проекты проведения комплекса ядерно-радиометрических методов оперативно оценивать качество геофизических результатов, составлять отчеты и делать презентации результатов проведенных геофизических работ, владеть теоретическими и физическими основами ядерно-радиометрических методов разведки, геологическими знаниями о происхождении полезных ископаемых и об их физических свойствах, навыками и практикой проведения работ по изу-
чаемой специализации.
Данное учебно-методическое пособие призвано скомпенсировать отсутст-
вие современной литературы по данному курсу. Кроме того, в связи с перехо-
дом на ФГОС 3-го поколения изменились требования к учебно-методическим пособиям.
3
Практикум содержит описания трех работ по ядерной геофизике. Первые две работы посвящены широко применяемому в ядерной геофизике рентге-
нофлюоресцентному анализу. Приводятся описания физических основ метода,
методика анализа, сведения о современной литературе, примеры применения РФА для анализа различных объектов. Поскольку современная аппаратура имеет высокую стоимость, практическая часть работы не включает непосред-
ственных измерений, а содержит важный этап, связанный с обработкой и ана-
лизом результатов измерений реальных геоэкологических образцов на ЭВМ.
Третья лабораторная работа знакомит студентов с основами метода Мон-
те-Карло и его практической реализацией на примере прохождения нейтронов через поглощающий пласт.
Практикум предназначен для студентов геофизической и геологической специальностей различных форм обучения.
4
ГЛАВА 1. МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ РЕНТГЕНОФЛЮОРЕСЦЕНТНЫЙ
АНАЛИЗ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ
1.1. Физические основы
Многоэлементный рентгенофлюоресцентный анализ (РФА) основан на возбуждении атомов элементов, содержащихся в анализируемом образце и измерении возникающего характеристического рентгеновского излучения возбужденных атомов с помощью многоканальной спектрометрической ап-
паратуры. В качестве первичного возбуждающего излучения наиболее часто используют рентгеновское излучение радионуклидных источников и рентге-
новских трубок.
При взаимодействии первичного гамма излучения с электроном К –
оболочки (Е > k ) происходит фотоэффект (вырывание электрона с К обо-
лочки) и атом переходит в возбужденное состояние. Это состояние атома не-
устойчиво и через короткое время (10-8 - 10-16 с) происходит заполнение об-
разовавшейся вакансии электронами с более удаленных уровней (L и М). В
процессе таких переходов атом испускает характеристическое рентгеновское излучение, (ХРИ) которое имеет линейчатый спектр (рис.1).
В соответствии с квантовой теорией, каждая электронная оболочка
(кроме K – оболочки) разделена на подуровни; таким образом, спектр ХРИ носит сложный характер - состоит из нескольких линий. При переходе элек-
тронов на K – оболочку возникает К – cерия (L K) и Ксерия (М K).
Энергия возникающих фотонов равна разности энергий соответствующих уровней.
При возбуждении K – серии атомов возникает фотоны всех линий этой серии, однако потоки фотонов этих линий различны. Соотношение потоков квантов ХРИ K – серии примерно равно:
N 1 : N 2 : N 1 : N 2 = 100 : 50 : 25 : 5
5
К серия
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
1 |
|
|
|
2 |
1 |
1 |
2 |
|
|
|
L |
серия |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
LI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
LIII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
4 |
3 |
|
1 |
1 |
2 |
1 |
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
M I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
MV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
NI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NVII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1. |
Схема основных переходов K и L серий ХРИ |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Поскольку |
энергии квантов К 1 |
и К |
2 и |
К |
1 |
и К |
2 отличаются незначи- |
|||||||||||
тельно, то обычно измеряется скорость счета: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
N |
|
= N |
1+ |
2 |
и N = N |
1+ |
2; |
N |
: N |
= 5:1 |
|
|
|
|||||
Если обозначить энергии фотонов характеристического излучения К – |
||||||||||||||||||
серии Е |
|
и Е |
, то очевидно, что Е > Е . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Спектр характеристического излучения L серии является |
более слож- |
|||||||||||||||||
ным, так как L уровень состоит из трех подуровней. |
|
|
|
|
||||||||||||||
Энергия квантов ХРИ связана с атомным номером элемента законом |
||||||||||||||||||
Мозли, |
согласно которому квадратный корень из энергии фотонов линейно |
|||||||||||||||||
возрастает с увеличением атомного номера элемента: |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
a (z b), |
|
|
|
|||||
где а и b константы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Наиболее |
часто РФА проводится по более интенсивным линиям К – се- |
|||||||||||||||||
рии ХРИ. |
В ряде случаев, при определении |
содержания тяжелых элемен- |
тов анализ проводится по линиям L – серии.
6
В таблице 1 приведены значения энергий связи и характеристического излу-
чения для К и L – серий.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
Значения энергий связи и ХРИ для К и L – cерий |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K – серия (кэВ) |
|
|
L – серия (кэВ) |
|
|
||||
Z |
Элемент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
L11 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 |
|
1 |
1 |
|
1 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
5 |
6 |
|
7 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
Al |
1.6 |
|
1.5 |
|
1.49 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
Si |
1.8 |
|
1.8 |
|
1.74 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
P |
2.1 |
|
2.1 |
|
2.02 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
S |
2.5 |
|
2.5 |
|
2.31 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17 |
Cl |
2.8 |
|
2.8 |
|
2.62 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18 |
Ar |
3.2 |
|
3.2 |
|
2.96 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19 |
K |
3.6 |
|
3.6 |
|
3.31 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
Ca |
4.0 |
|
4.0 |
|
3.69 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
21 |
Sc |
4.5 |
|
4.5 |
|
4.09 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22 |
Ti |
5.0 |
|
4.9 |
|
4.51 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23 |
V |
5.5 |
|
5.4 |
|
4.95 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24 |
Сr |
6.0 |
|
5.9 |
|
5.41 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
25 |
Mn |
6.5 |
|
6.5 |
|
5.9 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
26 |
Fe |
7.1 |
|
7.1 |
|
6.4 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
27 |
Co |
7.7 |
|
7.6 |
|
6.93 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
28 |
Ni |
8.3 |
|
8.3 |
|
7.48 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
29 |
Cu |
9.0 |
|
8.9 |
|
8.03 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
Zn |
9.7 |
|
9.6 |
|
8.64 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
31 |
Ga |
10.4 |
|
10.3 |
|
9.25 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
32 |
Ge |
11.1 |
|
11.0 |
|
9.88 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
33 |
As |
11.9 |
|
11.7 |
|
10.54 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
34 |
Se |
12.6 |
|
12.5 |
|
11.2 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
35 |
Br |
13.5 |
|
13.3 |
|
11.9 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
36 |
Kr |
14.3 |
|
14.1 |
|
12.6 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
37 |
Rb |
15.2 |
|
15.0 |
|
13.4 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
38 |
Sr |
16.1 |
|
15.8 |
|
14.2 |
_ |
|
_ |
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
39 |
Y |
17.0 |
16.7 |
15.0 |
_ |
_ |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
Zr |
18.0 |
17.7 |
15.8 |
_ |
_ |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
41 |
Nb |
19.0 |
18.6 |
16.6 |
_ |
_ |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
42 |
Mo |
20 |
19.6 |
17.5 |
_ |
_ |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
43 |
Tc |
21.1 |
20.6 |
18.4 |
_ |
_ |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
44 |
Ru |
22.1 |
21.6 |
19.3 |
_ |
_ |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
45 |
Rh |
23.2 |
22.7 |
20.2 |
_ |
_ |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
46 |
Pd |
24.3 |
23.8 |
21.2 |
_ |
_ |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
47 |
Ag |
25.5 |
24.9 |
22.2 |
3.53 |
3.15 |
2.98 |
|
|
|
|
|
|
|
|
48 |
Cd |
26.7 |
26.1 |
23.2 |
3.73 |
3.32 |
3.15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
49 |
In |
2.79 |
27.3 |
24.2 |
3.94 |
3.49 |
3.29 |
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
Sn |
29.2 |
28.5 |
25.3 |
4.16 |
3.66 |
3.44 |
|
|
|
|
|
|
|
|
51 |
Sb |
30.5 |
29.7 |
26.4 |
4.38 |
3.84 |
3.60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
52 |
Te |
31.8 |
31.0 |
27.5 |
4.61 |
4.03 |
3.77 |
|
|
|
|
|
|
|
|
53 |
I |
33.2 |
32.3 |
28.6 |
4.86 |
4.21 |
3.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
54 |
Xe |
34.6 |
33.6 |
29.8 |
5.1 |
4.4 |
4.11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
55 |
Cs |
36.0 |
35.0 |
31.0 |
5.36 |
4.62 |
4.29 |
|
|
|
|
|
|
|
|
56 |
Ba |
37.4 |
36.4 |
32.2 |
5.62 |
5.25 |
4.47 |
|
|
|
|
|
|
|
|
57 |
La |
38.9 |
37.8 |
33.4 |
5.89 |
5.04 |
4.65 |
|
|
|
|
|
|
|
|
73 |
Ta |
67.4 |
65.2 |
57.6 |
11.1 |
9.3 |
8.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
74 |
W |
69.5 |
67.2 |
59.3 |
11.6 |
9.7 |
8.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
78 |
Pt |
78.4 |
75.7 |
66.8 |
13.3 |
11.1 |
9.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
79 |
Au |
80.7 |
78.0 |
68.8 |
13.7 |
11.4 |
9.7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
80 |
Hg |
83.1 |
80.3 |
70.8 |
14.2 |
11.8 |
10.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
81 |
Tl |
85.5 |
82.6 |
72.9 |
14.7 |
12.2 |
10.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
82 |
Pb |
88.0 |
84.9 |
75.0 |
15.2 |
12.6 |
10.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
83 |
Bi |
90.5 |
87.3 |
77.2 |
15.7 |
13.4 |
10.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
88 |
Ra |
103.9 |
100.1 |
88.5 |
18.5 |
15.2 |
12.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
90 |
Th |
109.6 |
105.6 |
93.3 |
19.7 |
16.2 |
13.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
92 |
U |
115.6 |
111.3 |
98.4 |
20.9 |
17.2 |
13.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
93 |
Np |
118.6 |
114.2 |
101.0 |
21.6 |
17.7 |
13.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
94 |
Pu |
121.7 |
117.1 |
103.7 |
22.3 |
18.3 |
14.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
8
При реализации РФА, помимо фотоэлектрического поглощения имеет место рассеяние квантов первичного излучения. Различают рассеяние двух видов: когерентное, когда энергия первичного кванта не меняется и некоге-
рентное (комптоновское), когда в результате рассеяния энергия первичного кванта уменьшается. Связь между энергией первичных квантов Е и рассе-
янных квантов определяется соотношениями:
Eк |
E – когерентное рассеяние; |
(2) |
|||
Eнк |
|
E |
|
– некогерентное (комптоновское рассеяние) |
(3) |
|
|
|
|||
|
E (1 |
cos ) |
1 mc2
здесь – угол рассеяния; mc2 = 511 кэВ – масса покоя электрона.
Таким образом, при облучении пробы первичным рентгеновским излу-
чением, спектр вторичного рентгеновского излучения будет представлен ха-
рактеристическим излучением элементов, входящих в еѐ состав, а также ко-
герентно и некогерентно рассеянного излучения источника. На практике угол рассеяния выбирают обычно равным 90 , так как вероятность рассеяния
γ – квантов под этим углом минимальна.
На рисунке 2 представлен теоретический спектр вторичного рентгенов-
ского излучения пробы, содержащий железо и медь. Содержание железа (%)
больше содержания меди (%).
Рис. 2. Теоретический спектр вторичного рентгеновского излучения пробы
9
1.2. Источники излучения
Для возбуждения характеристического излучения при проведении РФА широко используются радионуклидные источники. При проведении анали-
за по K – серии, энергия испускаемых квантов должна быть больше энергии связи электрона на K – оболочке (Е > К). Однако при слишком высоком значении энергии возбуждающего излучения выход ХРИ уменьшается. Для получения достаточно интенсивного потока квантов ХРИ энергия источника должна быть максимально близкой к энергии связи определяемого элемента с наибольшим атомным номером, при условии, что детектор обеспечивает разрешение аналитического пика и рассеянного излучения. Источник дол-
жен иметь большой период полураспада (не менее 6 месяцев) и высокий вы-
ход возбуждающего излучения. В таблице 2 приведены радионуклидные ис-
точники, применяемые при реализации РФА.
Таблица 2
Радионуклидные источники, применяемые в РФА
|
Период |
Энергия |
Атомный номер |
|
Источник |
определяемых |
|||
полураспада |
излучения, кэВ |
|||
|
элементов |
|||
|
|
|
||
55Fe |
2,9 года |
5,9 |
13-24 |
|
109Cd |
1,25года |
22,1 |
24-44 |
|
241Am |
458 лет |
60 |
45-69 |
|
57Co |
270суток |
122 |
69-92 |
В последние годы для проведения РФА в качестве источников излучения широко применяются рентгеновские трубки. Рентгеновские трубки пред-
ставляют собой вакуумированный баллон с катодом и анодом, изготовлен-
ным из тяжелых металлов (Cu, Mo, Ag, W). На рентгеновскую трубку подает-
ся высокое напряжение. Схематически процесс генерации рентгеновского излучения показан на рис. 3. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются электрическим полем с напряжением U и бомбардируют массивный метал-
10