標籤:觀測儀器

放射性勘探又稱放射性測量或「伽瑪法」。藉助於地殼內天然放射性元素衰變放出的α、β、γ射線,穿過物質時,將產生遊離、熒光等特殊的物理現象,人們根據放射性射線的物理性質利用專門儀器(如輻射儀、射氣儀等),通過測量放射性元素的射線強度或射氣濃度來尋找放射性礦床以及解決有關地質問題的一種物探方法。也是尋找與放射性元素共生的稀有元素、稀土元素以及多金屬元素礦床的輔助手段。放射性物探方法有γ測量、輻射取樣、γ測井、射氣測量、徑跡測量和物理分析等。

1簡介

測量地殼內放射性元素放出的射線強度,以發現放射性元素礦床,探明礦體大小,確定放射性元素含量,並指導鈾、釷礦和鉀鹽礦的開採。此法還用來尋找與放射性元素共生的其他非放射性礦床,如磷塊岩礦、鋁土礦、稀土和稀有元素礦床等;解決各類有關的問題,如地質填圖,尋找同油氣、地下水等有關的構造,以及對環境污染的監測等。放射性勘探的主要缺點是探測深度不大,必須與其他地質工作配合進行。
放射性勘探

2簡史

1932年,加拿大的沃格特(W. Voget)首次採用裝有蓋革計數器的野外輻射儀。1949年,美國普林格爾(R.W.Pringle)和勞洛頓(K. I.Rouloton)試製成功了第一批閃爍式野外輻射儀,並在加拿大阿薩巴斯卡湖附近的鈾礦區試驗成功。
1944年航空放射性測量開始作實驗性飛行。1949年美國、加拿大和英國開始設計航空閃爍輻射儀,1950年開始大量生產。1962年美國研製了高靈敏度的航空γ能譜儀,並從1966年開始用於礦產資源調查。60年代後期美國、英國、加拿大、日本等國開始採用汽車γ能譜測量。70年代測氡技術有了新的發展。中國於1954年開始進行放射性普查工作。

3基本理論

自然界能產生放射性的核素已發現 230多種,其中80多種經過一次衰變就成為穩定的核素,稱為單衰變。還有50多種原子序數高於80的放射性同位素,是由幾個長壽元素衰變產生的。這些長壽元素經過一次衰變后,形成的產物仍然是放射性元素,再繼續發生衰變,如此一代一代衰變下去,直到成為一個穩定的核素為止。通常把衰變起始的那個元素稱為母元素,其衰變產物稱為子元素。由母元素和子元素組成一個族,叫做放射性系列。已知有3個天然放射性系列,即鈾系(或稱鈾-鐳系)、釷系和錒系,它們的衰變如圖1所示。還有一個用人工方法得到的鎿系。每個天然放射系列中都有一個氣態元素(An、Tn、Rn),是氡的同位素,通常稱之為射氣,都能逸散,其中以Rn的半衰期最長,故可擴散得較遠。因此作放射性測量可以發現由放射性元素組成的礦床。
實驗測定結果表明,不同的放射性衰變具有特定的能譜,稱為射線能譜。各種天然放射性元素衰變時,放出的α 粒子能量為 4~10兆電子伏。一定的放射性元素所放出的α 粒子的能量是一定的。β射線的能量可自零到某一最大值(一般低於15兆電子伏)之間變化。γ射線有幾種能量的γ光子。某種原子核發射出的各種能量的γ光子的集合,稱為該核的γ能譜。各種天然放射性元素的γ射線能量一般為幾十千電子伏到幾兆電子伏。一定的放射性元素所放出的γ射線能量是一定的。故測定放射性能譜,特別是γ射線能譜,可以區分不同的放射性元素。例如40鉀、鈾系和釷系放射的 γ射線儀器譜上各在1.46、1.76、2.62兆電子伏處有一特徵峰(圖2),故分別測定1.3~1.6、1.6~2.2和2.2~2.9兆電子伏 3個能量間隔內γ射線的放射性強度,就可能區分放射性元素是屬於40鉀、鈾系或釷系。  各种放射性元素都按指數規律衰變,即: Nt=N0e-λt
式中N0為衰變起始時的原子數;Nt為經過t時間后保留的原子數;λ為衰變常數,和原子核的性質有關。不同的放射性元素λ值不同,但不隨元素的化學或物理狀態而改變。放射性元素衰變完一半所需的時間稱為半衰期(T),T=0.693/λ。一种放射性元素經過10個半衰期,實際上可以認為衰變完了。表示衰變速度還可用原子平均壽命ττ=1/λ=1.44T。  如果從某一時刻起,放射性系列中各放射性元素的衰變率(單位時間內衰變的原子數)都相等,則這個狀態叫做系列放射性平衡。這時,有以下關係: λ1N1 = λ2N2 =…= λiNi
利用上式,可由子元素原子數Ni推算母元素原子數N1。這就是根據γ能譜測量估算鈾的含量的理論基礎。
α、β及γ3種射線,以γ射線的穿透能力為最強。測定結果,γ射線的穿透能力比β射線大100倍,比α 射線大10000倍。在空中γ射線的射程可達200~300米,而β和α 射線分別僅達幾米和幾厘米。在岩石中,γ射線的射程約50~60厘米,β射線約0.5~0.6厘米,α 射線只有幾十微米,一層灰塵就可把它全部擋住。因此,測定γ射線的強度是尋找放射性礦床的主要方法之一。

4儀器

一般由探測器、放大器和記錄裝置等電子元器件組成。

5探測器

當射線射入探測器後轉換為電脈衝輸出,經放大器放大后,送到甄別器把不需要的脈衝剔除,然後經過整形器變成大小相等、形狀一致的脈衝送到脈衝計數器電路進行記錄。由於核輻射粒子的性質,決定了人們不能直接對其進行觀測,而只能通過它們與物質作用的某些物理、化學效應間接地進行觀測。最常用的是利用電離作用和熒光作用製成的電離型探測器和閃爍計數器。
電離型探測器包括氣體電離室、蓋革計數器、正比計數器、半導體探測器等。其工作原理是,當射線通過電離室、計數器等內部的氣體時,使氣體分子電離產生電子和正離子,在外加電場的作用下,電子和正離子分別向陽極和陰極移動而形成一瞬時的電離電流,陽極電位相應下降,而形成一電壓脈衝輸出。半導體探測器與射線作用的電離效應與此相似,只不過發生在固體內,所產生的電子及空穴分別移向正、負極形成電流脈衝輸出。測量這些電荷的電量或其形成的電離電流、電壓脈衝,就可確定射線強度。
閃爍計數器是由閃爍體(熒光體)、光電倍增管和相應的電子線路組成。當射線穿入熒光體被吸收后,熒光體產生閃爍現象,放出光子。光子透過熒光體照射在光電倍增管的光陰極上,從光陰極上打出光電子,電子在管內得到倍增放大后被陰極收集,形成電脈衝輸出,被電子儀器記錄下來。入射線強,閃爍次數多,單位時間內的脈衝數就多;射線能量大,閃爍時光子多,脈衝幅度就大。從而就可以知道待測射線的強度和能量。常用的無機熒光體有NaI(T1)、ZnS(Ag)、CsI(T1)、LiI(T1)。有機熒光體蒽、三聯苯、塑料閃爍體等多用於測量β射線的儀器中。由NaI(T1)晶體組成的儀器應用最廣。
閃爍計數器與充氣計數器相比,靈敏度較高,分辨能力強,不但可以測量射線強度,而且還能區分射線能量。因此,帶閃爍計數器的輻射儀現在幾乎全部取代了充氣計數管型的輻射儀。

6野外觀測儀器

根據找礦方法的不同,野外觀測所用的儀器有α射線測量儀及γ(β)輻射儀兩類。
α 射線測量儀根據探測器的不同可分為幾類:①用氣體電離室作為探測元件的,如電離室型射氣儀和各類驗電器、靜電計等;②以ZnS(Ag)組成的閃爍計數器為探測元件的,如閃爍室型射氣儀和氡、釷分析儀等;③探測元件是金硅面壘型探測器的,如α 硅探測器、α 輻射探測儀、α 能譜等;④利用α 粒子對絕緣固體材料的輻射損傷留下的痕迹,經化學溶液蝕刻后能顯示微米量級蝕坑的塑料徑跡探測器。
γ(β)輻射儀是測量γ、β射線的,根據探測元件分為兩種。一種是利用γ、β射線對氬、氖等一些惰性氣體的電離作用,其探測元件為各類充氣計數器,並由它組成各種蓋革式輻射儀。還有用正比計數器(如 BF3計數器和3He計數器)組成的中子測量儀。另一種探測元件是閃爍計數器,由它組成了各式各樣的地面、井下、航空閃爍輻射儀和室內外能譜測量儀。  測量方法  有γ測量、射氣測量、α 徑跡測量等幾種。

7γ測量

用蓋革式輻射儀或閃爍輻射儀在地面步行作放射性總量測量,是鈾礦普查工作中最有成效、最廣泛採用的方法。它是以測量岩礦石的γ(或β+γ)射線總強度來發現放射性異常的。該法的優點是幾乎能在任何地區、任何地質條件下進行最詳細的測量。缺點是不能區分放射源的性質(鈾、釷、鉀),探測深度有限。
步行測量還可利用γ能譜儀在野外直接測定(點測)浮土及岩礦石中鈾、釷、鉀的等效含量。本法適用於各種地質、地形條件,即使在覆土掩蓋區,只要存在放射性元素的分散暈就可採用。但效率較低,不適於大面積測量。
為了提高γ測量的效率,目前多將γ能譜儀裝在飛機上或越野性能良好的汽車上進行測量,尋找放射性異常,也可以做成特殊的γ能譜儀,進行湖底或海底放射性測量。航空放射性測量,主要用於地質填圖,推斷鈾、釷成礦區的位置,尋找與放射性元素分佈有關的某些非放射性礦產資源(見航空地球物理勘探)。車載放射性測量,主要用於踏勘性的調查,或作為航空放射性測量的初步檢查。
γ測量還可以在鑽孔中進行,即用輻射儀在鑽孔中測量岩礦石的天然γ射線強度,以尋找地下深處放射性礦床。有γ測井(總量)和能譜測井兩種(見地球物理測井)。

8射氣測量

利用射氣儀測量土壤空氣中放射性氣體的濃度,以推斷浮土覆蓋下可能存在的放射性礦床,也可用來圈定破碎帶等地質構造。射氣測量主要是測量氡(部分釷)衰變時放出的α 射線。該法探測深度較大,一般可以發現 6~10米厚的浮土覆蓋下的盲鈾礦體。在岩石裂隙和構造破碎帶有利於射氣遷移的條件下,還可發現埋藏更深的礦體,因而廣泛應用於浮土覆蓋地區。可在現場用抽氣泵自土壤中抽氣取樣,利用閃爍室型或電離室型射氣儀直接進行測量;也可用活性炭吸附土壤空氣中的氡,經過一定時間,在實驗室測定活性炭中氡子體 RnC的β或γ放射性。土壤空氣中的射氣濃度受氣候條件變化等許多因素的影響,使得射氣異常的解釋十分困難和複雜。

9 α 徑跡測量

利用塑料徑跡探測器記錄地下放射性元素衰變時放出的α 粒子的徑跡,以此尋找深部放射性礦床。探測器記錄的α 徑跡密度(徑跡數平方毫米)主要取決於積累於埋在土壤中杯子里的氡及其子體放出的α 粒子。由於它是長時間(約20~30天)積累取樣,即為時間上氡濃度的積分測量,因而比瞬時抽氣取樣的射氣測量(為「時間上氡濃度的微分測量」)具有較大的探測深度,而且可在很大程度上消除氣候和取樣條件的變化影響,使所得結果比較可靠。此法操作簡便,成本低,可發現來自深部的微弱信息。實際資料表明,找礦深度可達100~200米。其探深機制目前在理論上的解釋尚不完善。缺點是埋片時間長,不能及時取得結果。
最近採用「釷過濾器」以消除釷的干擾。即在探杯口上蓋一塑料薄膜,使釷射氣通過它時已衰變掉,而氡減少甚微進入杯子。塑料探測器固定在探杯中。

10 α 硅探測器法

用硅半導體探測器記錄地殼內放射性元素衰變時所放出的α 粒子。其找礦原理大致與α 徑跡測量相似。探測器埋在土壤中,累計的α 粒子數也主要是氡及其子體放出的。但埋的時間較短,為數天或數小時,甚至更短。故能及時取得結果並進行現場評價。其探測深度原則上應與α 徑跡測量差不多。因計數時間短,受氣候變化的影響仍然較大。
近年來,還出現了人工熱釋光測量,α 卡、氡管法等多種射氣測量技術,它們大都採用了累積測量原理,探測深度較大。
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