Физические основы радиометрии

Методические указания по проведению

Лабораторной работы

Радиометрия. Интегральный радиометр.

Интерпретация результатов γ -съемки.»

Составил доц. каф. геофизики Ш.З.Ибрагимов

Казань, 2011

Содержание

1. Физические основы радиометрии ……………………………….. 3

2. Радиометр СРП-68 ………………..………………………………… 7

2.1. Блок-схема интегрального радиометра …………………….. 7

2.2. Технические характеристики радиометра ………………….. 9

2.3. Погрешности при радиометрических измерениях ………… 10

2.4. Измерения с радиометром СРП-68 …………………………. 12

3. Задания по прибору СРП-68 и интерпретации данных гамма - съемки ……………………………………………………………….. 14

4. Контрольные вопросы ……………………………………………… 15

5. Литература ………………………………………………………….. 16

Физические основы радиометрии

Ослабление (поглощение) γ - излучения в породах характеризуется ко­эф­­фициен­том поглощения μ, учитывающим как рассеяние γ -квантов, так и фотоэлектрическое поглощение их. Таким образом, коэффициент μ отражает взаимодействие гамма-квантов со средой.

Коэффициент поглощения μ может быть рассчитан для определенной энергии гамма - излучения на один атом веще­ства (μ _а) и на вещество в целом (μ);

где ρ - плотность поглощающего вещества; L - число Авогадро; А – атом­ный вес.

Ослабление γ - излучения в веществе и происходит по показа­те­ль­ному закону

где I₀ – первичная интенсивность γ - излучения,

μ – линейный коэффициент ослабления γ –излучения,

d – толщина поглощающего слоя.

Показательный закон поглощения достаточно хорошо соблю­дается для узкого пучка лучей, выделенного с помощью диафрагмы, при котором созда­ются условия для однократ­но­го рассеяния гамма-квантов в веществе.

В практике радиометричес­ких измерений в большинстве слу­чаев приходится иметь дело с излуче­ни­ем объемных источников, которые характеризуются не толь­ко пер­ви­ч­ными, но и рассеян­ными γ –ква­н­тами с различной энергией. Создание строгой теории прохождения такого излучения через вещес­тво встречает боль­шие математические труднос­ти. Для оценки поглощения γ –излучения в веществе чаще ис­пользуют функцию Кин­га, ко­то­рая рассчитана для широкого пучка с многократным рассея­нием и по­следующим погло­ще­­нием гамма - квантов. Многие задачи для расходя­щи­хся пучков γ - квантов решаются при помощи опытов на моделях.

Коэффициент μ возрастает с увеличением плотности вещества в боль­шинстве случаев по линейному закону, поэтому для вмещающих пород, где Z_эфф колеблется в узком диапазоне, соблюдается соотношение

Другой мерой, характеризующей взаимодействие радиоактивных излуче­ний с веществом, является поглощенная доза.. Чаще используется мощность поглощенной дозы Р, единица измерения которой – Рентген в час (Р/ч, мР/ч или мкР/ч). Мощность дозы Р, создаваемая источником γ -излучения в изотропной среде без учета поглощения, например в воздухе, описывается выражением:

,

где

Q – активность источника в Ки (кюри), 1 г Ra²²⁶ имеет активность 1 Ки и испускает 3, 7*10¹⁰ γ /сек.

r – расстояние от источника до точки наблюдения.

К – γ -постоянная радиоактивного источника, зависит от вещества исто­ч­ника: для Ra К=8, 4*10⁹; урана К=10⁷; для Co⁶⁰ К=1, 3*10⁷ .

Естественная радиоактивность пород обусловлена присутствием в них радиоактивных элементов рядов урана и тория и калия-40. Для упрощения расчетов, вводятся понятия уранового эквивалента ε: для равновесного ряда урана он равен ε _U = 1, для ряда тория ε _Th = 0, 43 и для калия-40 ε _K = 2*10^-4. Зная урановые эквиваленты, содержания радиоактивных элементов можно пересчитать в эквивалентное содержание равновесного урана.

Интенсивность γ -излучения на поверхности радиоактивного пласта бесконечного простирания (вертикального штока) описывается выражением:

где Q – содержание урана в пласте [ г(U) / г(породы) ];

μ _эфф / ρ – массовый коэффициент поглощения γ -излучения в самом рудном пласте, равный 0, 032 (см²/г);

К – постоянный коэффициент для урана, равный 2, 9*10³ (мкР/ч)*(см²/г).

Если радиоактивный пласт содержит не только уран, но и торий и калий-40, то все содержание пересчитывается в эквивалентное содержание урана через урановые эквиваленты.

Если радиоактивный пласт бесконечного простирания перекрыт неактив­ными наносами мощностью h_н и с поглощающими свойствами μ _н, то интенсив­ность γ -излучения на поверхности наносов будет определена как:

где I₀ - интенсивность γ -излучения на поверхности радиоактивного пласта бес­конечного простирания;

Ф(μ _н h_н) – функция Кинга, описывающая поглощение от радиоактивного пласта в неактивных наносах..

В таблице 1 приводятся значения функции Кинга для раз­личных μ h.

Табл.1

Необходимо учитывать, что глубинность гамма-съемки не превышает 0, 8 метра. Поэтому, при мощности радиоактивного пласта более 1 метра и размеров пласта по горизонтали более 2 метров, можно предполагать (в центре аномалии), что пласт имеет бесконечное простирание и бесконечную мощность

Интерпретация данных радиометрической съемки ведется в следующей последовательности.

Строится график наблюденных значений интенсивности гамма-поля по профилю (в мкР/ч). На каждом участке безаномального (нормального) поля вычисляются (минимум по 7 – 10 точкам) среднее арифметическое (Iср) и дис­персия (σ) по данной выборке. На рисунке безаномальным участкам соответ­ству­ют участки графика над вмещающими породами, выделенные пунктирными линиями.

где n – количество точек в выборке, I_i – интенсивность γ -излучения (мкР/ч) в i-точке. За уровень нормального поля принимается значение I_{с р}, которое также называется фоновым значением I_ф.

На фоне флуктуаций нормального поля проблема выделения аномальных участков решается, как и во всех геофизических методах, так: за нижний предел выделения аномалий принимается уровень, превышающий значение I_ф + 3σ («кри­терий 3σ»).

Границы аномальных зон отбиваются по значениям (I_max-I_ф)/2. Если фоно­вые значения справа и слева от аномалии различны, то границы аномального тела рассчитываются с каждой стороны раздельно, т.е. отдельно для фона спра­ва, и отдельно для фона слева.