6.3. Методы, основанные на спектрометрии гамма-излучения, возникающего при различных ядерных реакциях нейтронов с веществом

Методы, основанные на спектрометрии гамма-излучения, возни­кающего при различных ядерных реакциях нейтронов с веществом называют нейтронными гамма-спектрометрическими метода­ми. Они занимают важное место среди радиометрических методов опробования минерального сырья. Большая проникающая способ­ность нейтронного и -излучения обеспечивает нейтронным гамма-спектрометрическим методам высокую глубинность анализа, пре­вышающую глубинность рентгено-радиометрического метода на два - три порядка, обусловливает относительно слабое влияние неравно­мерности оруденения и «ближней зоны» на аналитический сигнал и позволяет осуществлять дистанционный анализ объектов большого объема без непосредственного контакта с ними, в том числе через стенку технологического оборудования.

Нейтронные гамма-спектрометрические методы можно условно разделить на две группы: нейтронно-активационный метод, при реализации которого регистрируется запаздывающее относительно момента реакции с нейтронами гамма-излучение, и нейтронно-радиационный метод с регистрацией «мгновенного» гамма-излуче­ния, испускаемого за время менее 10^-7- 10^-9 с.

Нейтронно-активаиионный метод (НАМ)

Метод основан на регист­рации интенсивности излучений радиоактивных изотопов, образую­щихся в результате ядерных реакций при облучении вещества пото­ком нейтронов. Сечения активации элементов под воздействием теп­ловых нейтронов за счет реакции (n, ) значительно выше, чем при облучении их потоком быстрых нейтронов, поэтому, как правило, наи­большая чувствительность анализа достигается при облучении по­род и руд тепловыми нейтронами. Активацию быстрыми нейтронами наиболее выгодно использовать при определении легких элемен­тов.

Для некоторых элементов сечение реакции резко возрастает в области энергий резонансных нейтронов. Большими резонансными активационными способностями обладают такие элементы, как медь, цинк, марганец, серебро, золото и др.

Анализ основных ядерно-физических констант, используемых в ,. нейтроном активационном анализе (сечений активаций для нейтро­нов различных энергий и характеристики изотопов-продуктов активации), показывает, что НАМ наиболее целесообразен при опробовании руд, содержащих фтор, алюминий, магний, натрий, ванадий.

Нейтронно-активационный метод используют при опробовании руд в массиве и для предварительного обогащения полезных ископае­мых при активации их тепловыми и быстрыми нейтронами; последний наиболее широко применяется на месторождениях флюоритов, фосфоритов и некоторых других фторсодержащих руд. С помощью НАМ возможно прямое определение золота в породах в усло­виях естественного залегания. Использование высокоразрешающе­го Ge(Li)- спектрометра позволяет снизить порог обнаружения золо­та до 0,5-1 г/т. При опробовании руд в массиве НАМ наиболее широко используют на месторождениях бокситов для геометриза­ции рудных тел, определения их мощности, распределения в них кон­центраций полезных компонентов. НАМ возможно использовать для опробования и крупнопорционной сортировки флюоритовых, фос­форитовых, апатитовых руд, бокситов.

Нейтронный гамма (нейтронно-радиационный) метод

Метод осно­ван на регистрации гамма-излучения радиационного захвата нейтро­нов, испускаемого ядрами элементов, слагающих вещество, при облучении его потоком нейтронов. Спектр этого -излучения - линей­чатый и индивидуален для каждого нуклида, что позволяет иденти­фицировать нуклид, а по интенсивности-линий захватного излучения определять содержание искомого элемента. Ядерная реакция радиационного захвата нейтронов протекает наиболее интенсивно при энергиях нейтронов, близких к тепловым. Нейтронно-радиационный метод используют при опробовании полезных ископаемых в есте­ственном залегании как в спектрометрическом, так и в интеграль­ном режимах измерений.

Интегральный нейтронный -каротаж применяют для выделения в разрезе скважин интервалов пород, содержащих элементы с ано­мально большим сечением захвата нейтронов: бора, кадмия, лития, ртути, некоторых редкоземельных элементов, а также на месторож­дениях калийных и каменных солей для дифференциации полезных ископаемых по минеральному составу. Так как величина захватного гамма-излучения зависит от объемной влажности пород, то для од­нозначного определения анализируемого элемента нейтронно-радиационные измерения целесообразно комплексировать с нейтрон-нейт­ронным методом. При правильно подобранной длине зондов отноше­ние показаний этих методов зависит только от содержания опреде­ляемого элемента.

Спектрометрический нейтронный -каротаж может использоваться для определения содержания элементов, испускающих интенсивные

линии гамма-излучения радиационного захвата в жесткой (> 5 МэВ) области спектра (Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Си, S, C1), а также для оценки содержания элементов с меньшей энергией захватного гамма-излу­чения, но характеризующихся большими сечениями захвата тепло­вых нейтронов (Cd, Hg, Dy, Gd, Yb и др.).

Для опробования и крупнопорционной сортировки минерального сырья нейтронно-радиационный метод, нашел применение только при опробовании и сортировке на конвейерной ленте железных руд и угля. Метод возможно использовать для опробования и крупнопорционной сортировки железных, марганцевых, хромитовых, титановых, мед­ных, никелевых, никель-кобальтовых, медно-мышьяковых, ртутных, вольфрамовых, серных, кальцийсодержащих, а также руд, содержа­щих редкоземельные элементы. Немаловажно, что нейтрон но-радиационный метод может быть успешно использован для опро­бования борных руд в широких диапазонах концентраций бора при высоком содержании других элементов с большим сечением захвата нейтронов (например, лития, хлора), когда затруднено применение наиболее широко используемого для его определения нейтронно-абсорбционного метода. Исследована возможность нейтрон но-радиационного опробования силикатной никелевой руды в вагонах и опробования и сортировки на конвейерной ленте железных руд и угля.

Основное число публикаций по применению нейтронно-радиационного метода для опробования минерального сырья на потоке отно­сится к опробованию на ленте транспортера. Рассматри­вают и апробируют две геометрии измерений: при расположении ис­точника нейтронов и детектора гамма-излучения по одну сторону от исследуемого вещества и по разные стороны. Это так называемые при нейтронно-радиационных измерениях геометрии «на отражение» и «на просвет». По данным отечественных и зарубежных авторов, на конвейерной ленте с использованием полупроводникового детек­тора в сульфидных медно-никелевых рудах могут быть установлены основные компоненты: Ni, Cu, Co, Fe, S, Si, определяющие их цен­ность и технологичность.

Для опробования и сортировки руд, содержащих элементы с атом­ной массой менее 40, перспективно использование нейтронного гам­ма-метода с регистрацией -излучения неупругого рассеяния бы­стрых нейтронов по реакции. Однако в связи со сложным ха­рактером спектра, наличием допплеровского уширения и смещения-линии в реакции, необходимости вследствие этого использо­вания при детектировании-излучения полупроводниковых детекто­ров этот метод пока не нашел применения. Апробирована возмож­ность определения никеля спектрометрическим нейтронным гамма-методом в скважинах на месторождениях силикатных никелевых руд (Кемпирсайском и Буруктальском), сульфидном медно-никелевом месторождении Мончегорского района и медно-никелевых место­рождениях Печенгского рудного поля и Норильского района.

Комплексирование нейтронно-радиационного и нейтронно-активационного методов опробования минерального сырья в технологичес­ком потоке позволяет на единой базе оборудования расширить круг эффективно определяемых элементов.