2.2 Спектрометрия γ-излучения в ггм-с

Если в руде имеются примеси тяжелых элементов (Z>70), то в спектре рассеянного γ-излучения наблюдается провал (минимум), соответствующий К-скачку фотоэлектрического поглощения. Положение провала характерно для каждого элемента и может быть использовано для идентификации тяжелых элементов в рудах. Пример спектров γ-излучения ¹³⁷Cs в свинцовой руде (однородная смесь песка и измельченной руды) показан на рисунке 2.2. Спектры измерены при толщине слоя и совмещены в области фотопика первичного излучения, так что различия между спектрами зависят только от Z_эфф руды.

Рисунок 2.2 – Спектры рассеянного γ-излучения ¹³⁷Cs в однородной свинцовой руде

Чтобы исключить влияние плотности и повысить чувствительность измерений, М. М. Соколов предложил спектральную модификацию ГГМ-С: регистрация длинноволновой (Е < 150÷200 кэВ) и коротковолновой (Е > 150÷200 кэВ) составляющих γ-поля, из которых первая зависит от Z_эфф и плотности, а вторая – от плотности. Отношение будет зависеть от вещественного состава. Вместо можно регистрировать интегральную интенсивность γ-излучения, но при этом чувствительность метода к Z_эфф несколько снижается.

Более подробная характеристика возможностей спектрометрии при анализе руд тяжелых элементов дана в таблице 2.1, где приведен параметр

,

(2.1)

где N₀ – скорость счета в породе; N – скорость счета в свинцовой руде. Значение η пропорционально чувствительности измерений к содержанию тяжелого элемента.

Таблица - 2.1

Относительная скорость счета η в различных интервалах спектров ¹³⁷Cs, кэВ в свинцовой руде

Содержание, % Pb	50-200	200-400	400-600	50-600
0	1,00	1,00	1,00	1,00
0,2	1,16	1,09	1,00	1,14
4,0	2,28	1,28	1,06	1,86
8,0	3,26	1,58	1,10	2,44
100	14,80	5,40	2,35	8,86

В породах, состоящих из элементов с Z < 20 (например, угли различной зольности), характерным изменением спектра является смещение максимума многократного рассеяния в сторону более высокой энергии при увеличении Z_эфф. Например, максимум в спектре рассеянного γ-излучения (точнее, тормозного рентгеновского излучения) ²⁰⁴Tl смещается от 45 кэВ в углях с нулевой зольностью до 95 кэВ в породе (зольность 100%). В этом случае определение Z_эфф возможно двумя путями: измерением небольшого участка спектра и по отношению скоростей счета в двух энергетических интервалах в районе пика многократного рассеяния (40–70 кэВ и Е > 120 кэВ). Предпочтения заслуживает метод спектральных отношений.

По сравнению с регистрацией интегральной интенсивности спектрометрия дает следующие преимущества: значительное уменьшение плотностного эффекта и влияния каверн, улучшение дифференциации разреза и увеличение точности определения Z_эфф (в интервале 6 – 12) примерно в 3,5 раза.

В Казахском филиале ВИРГа разработана методика спектрометрического ГГК-С на свинец при наличии в рудах бария, железа и других элементов с высоким атомным номером (М. М. Шварцман, И. П. Кошелев и др.). Каротаж выполняют прижимным 2π-зондом ГГК-С длиной 5–7 см с источником ⁷⁵Se и детектором NaI(Tl). Регистрируют спектральную интенсивность γ-излучения в трех энергетических интервалах 75–85 кэВ (N₁), 95–105 кэВ (N₂) и 150–165 кэВ (N₃). Для интерпретации используют два параметра:

(2.2)

которые по-разному зависят от содержания в руде свинца, с одной стороны, и прочих элементов – с другой. Это легко понять, если обратиться к спектрам, изображенным на рисунке 2.2. Параметр η₁ соответствует области характеристического рентгеновского излучения свинца, параметр η₂ – области фотопоглощения. Для бария и других, более легких элементов оба параметра лежат в области фотопоглощения рассеянного γ-излучения. N₃ служит внутренним стандартом для исключения влияния помех (переменной плотности, кавернозности стенок) аналогично рассмотренному выше способу отношений . Содержание свинца рассчитывают по измеренным значениям η₁ и η₂ с помощью построенной по экспериментальным данным номограммы.

Рисунок 2.3 – Спектры рассеянного γ-излучения ¹³⁷Cs в песчаной среде (ρ = 1,6 г/см³) в доинверсионной (а) и заинверсионной (б) областях зависимости (длина зонда R = 22 см; h – мощность воздушного промежутка между зондом и поверхностью среды)

В заключение рассмотрим особенности спектров рассеянного γ-излучения, регистрируемых инверсионными зондами. Во-первых, небольшая толщина поглощающего слоя (порядка длины свободного пробега) не обеспечивает накопления многократно рассеянных квантов и в спектре преобладают γ-кванты, рассеянные до трех раз, что влияет на характер спектра. Во-вторых, при малой энергии первичного γ-излучения (Е₀ < 100÷150 кэВ) даже в хорошо рассеивающих средах наблюдается почти только однократно рассеянное γ-излучение. В-третьих, на спектр влияют геометрические условия измерений: если инверсия достигается за счет увеличения воздушного промежутка между зондом и поверхностью среды, то в спектре даже при большой энергии первичного излучения начинают преобладать γ-кванты, испытавшие однократное рассеяние на углы 45–180⁰ (рисунок 2.3).