1. Физические основы ГГМ-С

1.1 Сущность и физические основы метода

Если создать такие условия, при которых основным процессом взаимодействия γ-излучения с веществом является фотоэффект, то γ-поле точечного источника будет зависеть преимущественно от Z_эфф породы или руды. В частности, в указанных условиях интенсивность γ-излучения меняется при добавлении в породу с малым Z_эфф небольших примесей (доли процентов и несколько процентов) элементов с большими Z, поэтому метод условно назван селективным (ГГМ-С).

Теоретические расчеты и эксперименты, выполненные Г. М. Воскобойниковым, М. М. Соколовым и другие, показали, что ГГМ-С можно осуществить, наблюдая рассеяние и поглощение γ-излучения в области энергий Е < 100÷200 кэВ. Создание и использование поля длинноволнового γ-излучения возможны двумя путями: либо применением источников длинноволнового γ-излучения (Е₀ < 200 кэВ), либо регистрацией низкоэнергетической области спектра многократно рассеянного γ-излучения на достаточно больших расстояниях от источника (4—7 длин свободного пробега первичных γ-квантов). В последнем случае для ГГМ-С можно использовать источники коротковолнового γ-излучения (Е₀ = 0,5÷2,0 МэВ).

1.2 Связь между γ-полем и Zэфф среды

Основной в ГГМ-С является зависимость между интенсивностью γ-излучения I^γ и Z_эфф среды:

(1.1)

Ее можно найти методом однократно рассеянного γ-излучения, который является хорошим приближением для длинноволновой области спектра. В однородной среде интенсивность рассеянного γ-излучения для частично коллимированных зондов равна:

,

(1.2)

где ρ — плотность среды; R — длина зонда; k_0s = k₀ + k_s — сумма массовых коэффициентов ослабления первичного и рассеянного γ-излучений; φ — угол наклона коллиматоров к поверхности среды; С — константа.

В рассматриваемой области спектра массовый коэффициент k_0s практически совпа­дает с коэффициентом фотоэлектрического поглощения γ-квантов и поэтому

(1.3)

и зависимость (1.1) выражается

(1.4)

где — константа; E₀ — энергия первичного γ-излучения источника.

Как видно, зависимость I^γ от Z_эфф в общем случае экспоненциальная, а в ограниченных интервалах Z_эфф она близка к линейной (рисунок-1.1).

Рисунок-1.1 – Основная зависимость ГГМ-С при различной энергии регистрируемого γ-излучения

Чувствительность метода к изменению Z_эфф равна

(1.5)

то есть пропорциональна , существенно возрастает при уменьшении Е₀ и уменьшается с уменьшением массовой длины ρR зонда.

1.3 Оптимальные условия применения ггм-с

Выбор энергии γ-излучения для анализа на элементы с повышенным Z определяется стремлением обеспечить максимальную чувствительность и линейность зависимости (1.1) во всем диапазоне изменения содержания тяжелого элемента. Иногда приходится выбирать два источника γ-излучения для анализа бедных и богатых руд. Например, при изучении руд железа (Z = 26) оптимальная энергия источника равна 50—100 кэВ, бедные руды свинца (Z = 82) целесообразно анализировать с помощью источника ⁷⁵Se (Е₀ = 76÷405 кэВ), а для богатых руд свинца наиболее целесообразно использовать источники ¹³⁷Cs (Е₀ = 0,66 МэВ).

При регистрации наряду с однократно рассеянными квантами многократно рассеянного γ-излучения (довольно частый случай в ГГМ-С) характер функции (1.1) зависит не только от типа источника (энергии γ-излучения) и интервала изменения Z_эфф, но и от других условий, влияющих на формирование спектра рассеянного γ-излучения. В частности, спектр меняется при изменении расстояния между источником и детектором и других геометрических размеров. Выбрав источник, энергия γ-излучения которого Е₀ > 200 кэВ, то есть находится за пределами области ГГМ-С, можно увеличить чувствительность измерений за счет увеличения длины зонда R и наоборот.

Зависимость (1.1) устанавливают экспериментально для тех или иных руд, учитывая тем самым вещественный состав, плотность и другие особенности вмещающих пород и руд. При этом следует пользоваться всеми перечисленными выше способами воздействия на характер зависимости (1.1), чтобы изменить ее в нужном направлении, добиваясь максимальной чувствительности и линейности.

Кроме перечисленных факторов при использовании ГГМ-С необходимо учитывать помехи, уровень которых может быть очень высоким. Выбор оптимальных условий требует специального рассмотрения.

В ГГМ-С, как и в ГГМ-П, возможны три варианта измерений — два метода просвечивания (узким и широким пучками) и метод рассеянного γ-излучения. Широкое практическое применение находит только метод рассеянного γ-излучения, поэтому все дальнейшее изложение относится именно к этой модификации ГГМ-С.

1.4 Помехи и борьба с ними

1.5 Влияние плотности и неровностей поверхности среды

В ГГМ-С применяют такие же зонды, как в плотностной модификации ГГМ, с некоторыми отличиями, которые будут рассматриваться ниже. Естественно, сходство в конструкциях зондов не распространяется на типы и характеристики источников и детекторов.

Если в ГГМ-П влияние вещественного состава в большинстве случаев уменьшено до пренебрежимого значения, то этого нельзя сказать о влиянии плотности в ГГМ-С. В энергетическом интервале, характерном для ГГМ-С (Е < 100 ÷ 200 кэВ), зависимость рассеянного γ-излучения от плотности нисколько не меньше, чем в области более высокой энергии. Поэтому все закономерности изменения рассеянного γ-излучения как функции плотности, установленные в ГГМ-П, относятся и к ГГМ-С. В частности, влияние промежуточной зоны и, следовательно, неровностей поверхности среды при использовании ГГМ-С такие же, как ГГМ-П.

Лишь в наиболее благоприятных условиях (когда плотность пород и руд меняется незначительно — не более чем на ±5%) стенки скважины или исследуемая поверхность пород в горной выработке ровные и, следовательно, сохраняются постоянными мощность и свойства про­межуточной зоны, зависимость рассеянного γ-излучения от Z_эфф однозначна. Во многих случаях изменения плотности, состава и мощности промежуточной зоны создают эффект, соизмеримый с эффектом изменения Z_эфф. Для выделения влияния вещественного состава при наличии плотностного эффекта (или эффекта промежуточной зоны) применяют два способа.

Первый способ — одновременная регистрация двух энергетических составляющих γ-поля, одна из которых зависит только от плотности, а вторая—от плотности и Z_эфф, с последующим расчетом Z_эфф. Способ основан на спектрометрии рассеянного γ-излучения (рассматривается нише).

Второй способ — использование инверсии, наблюдаемой при изменении плотности среды ρ или мощности промежуточной зоны h. Очевидно, что инверсионный зонд, рабочая точка которого лежит в области максимума зависимости I^γ от ρ или h, не будет реагировать на изменения плотности среды и свойств промежуточной зоны.

Применение инверсионных зондов при опробовании руд оказалось настолько эффективным и простым способом устранения помех, что эти зонды заслуживают более подробного рассмотрения.