Файл: Филиппов, Е. М. Ядерные разведчики земных и космических объектов.pdf

В настоящее время для регистрации излучений используют различные виды ионизационных, сциитилляционных и полупро­ водниковых детекторов.

Ионизационные детекторы действуют по принципу воздушного конденсатора, в котором центральный электрод служит одной из его обкладок, а стенка камеры — другой. Газ, заполняющий про­ странство в детекторе в обычных условиях, является изолятором, но под действием заряженных частиц становится проводником. В нем появляются свободные электроны, положительные и отри­ цательные ионы. Если к обкладкам такого прибора, в котором образуются ионы, приложить разность потенциалов, то электро­ ны и ионы устремятся к электродам, и в результате возникает электрический ток, который может быть зафиксирован чувстви­ тельным прибором, включенным в цепь между электродами. Ве­ личина ионизационного тока детектора зависит как от интенсив­ ности ионизирующей радиации, так и от разности потенциалов, приложенной к его электродам. В зависимости от разности прилагаемых потенциалов и некоторых других специфических

•особенностей ионизационные детекторы подразделяются на иони­ зационные камеры, пропорциональные и газоразрядные счет­ чики.

Ионизационные камеры могут работать в стационарном (ин­ тегрирующем) и импульсном режимах. Этот вид детекторов в основном применяется для регистрации заряженных альфа- н бета-частиц. Причем камеры, работающие в интегрирующем ре­ жиме, используются для измерения суммарных потоков излуче­ ния, а импульсные — для измерения отдельных частиц и их энер­ гии.

В пропорциональных счетчиках амплитуда импульса, прихо­ дящего на анод, пропорциональна числу ионов, образованных при начальной ионизации, и соответственно энергии излучения. Таким образом, этот вид детекторов используется для определения энергии излучений. В ядерной геофизике применяются два типа пропорциональных счетчиков: для регистрации мягкого рентге­ новского и гамма-излучения с энергией примерно в диапазоне 1—50 кэВ (1 кэВ =103 эВ = 1,6-10-9 эрг) и нейтронов. Заметим, что рентгеновское и гамма-излучение имеют одинаковую электро­ магнитную природу и отличаются длиной волны. В связи с этим в дальнейшем в ряде случаев под гамма-излучением будет одно­ временно пониматься то и другое. При этом, естественно, не сле­ дует забывать, что спектр рентгеновского излучения является спядш#>щ с отдельными характеристическими линиями, а спектр гамма’йгзлучения — линейчатым.

Пропорциональные счетчики для мягкого гамма-излучения за­ полняются инертными газами: гелием, неоном, аргоном, крипто­ ном и ксеноном (см. табл. 1). Обычно, чем меньше атомный но­ мер наполнителя счетчиков, тем с более высоким разрешением можно регистрировать указанное излучение. Так, счетчики с нео­ новым заполнителем используются для спектрометрии гамма-

36

в

а

4

Рис. 2.1. Схематический разрез цилиндрических гамма- п бетасчетчиков (а и б) и торцового бета-счетчнка (в):

диапозоне ~ 3,5 4-6,5 кэВ, а с ксеноновым заполнением — для спектрометрии гамма-излучения в диапазоне ~54-18 кэВ.

Пропорциональные детекторы для регистрации нейтронов заполняют газами со свойствами ядер атомов, интенсивно захва­ тывающих нейтроны. К таким газам относят атомарный изотоп гелий-3 и соединение бора с фтором (трехфтористый бор).

Газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера используются для регистрации альфа- и бета-частиц, а также гамма-квантов. С их помощью можно измерять только суммарные потоки перечислен­ ных излучении.

Газоразрядные счетчики по сравнению с другими ионизацион­ ными детекторами находят наибольшее применение. Поэтому на их схеме удобно ознакомиться с устройством ионизационных де­ текторов вообще. Схематические разрезы цилиндрических гамма- и бета-счетчиков и торцового бета-счетчика показаны на рис. 2. 1. Анодом счетчиков служит вольфрамовая нить, расположенная на оси счетчика, а катодом — тонкий слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность счетчика. Баллоны гамма-счетчиков и торцовых бета-счетчиков обычно изготавливаются из стекла;

баллон цилиндрических бета-счетчиков — из тонкого слоя алю­ миния, служащего одновременно катодом счетчика. Внутреннее пространство счетчика заполняется газом. При попадании заря­ женных частиц во внутреннее пространство счетчика газ ионизи­ руется. Под действием приложенной разности потенциалов между обкладками счетчика с ионизованным газом начинает течь ток. По величине этого тока, усиленного прибором, судят об интенсив­ ности воздействующего излучения.

Бета-частицы внутрь счетчика проникают либо через корпус счетчика, либо через окно в торце. Торцовые счетчики с очень

Рис. 2.2. Схематическое устройство и принцип действия фотоэлектронного' умножителя.

торы, которые бывают одноканальными и многоканальными с числом каналов до 4000 и более.

В зависимости от области применения радиометрические при­ боры подразделяются на лабораторные, полевые (переносные и перевозные) и скважинные, предназначенные для изучения буро­ вых скважин.

§ 4. ИЗУЧЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ

Изучением природной радиоактивности пород, вод и воздуха- в нашей стране начали заниматься с 1904 г. физики И. И. Боргман в Петрограде и А. П. Соколов в Москве. С 1915 г. в Мо­ скве этой проблемой начал заниматься В. И. Баранов, кото­ рый внес значительный вклад в развитие радиометрических и ядерно-геофизических методов в нашей стране.

Естественные радиоактивные элементы излучают альфа- и бета-частицы, а также гамма-кванты. На первом этапе изучениярадиоактивности природных объектов применялись в основном альфа- и бета-методы. С их помощью определялась суммарная радиоактивность проб. В настоящее время радиоактивность проб в основном определяется гамма- и бета-методами. Раздельное ^ определение в пробах урана, радия, тория и калия ведется при этом по измерению суммарной бета-активности и гамма-спектро­ метрии по отдельным реперным линиям. Если вначале гаммаспектрометрия осуществлялась с помощью сц-интилляционных счетчиков, то с 1970 г. для этих целей стали применять полупро­ водниковые германий-литиевые детекторы с высокой разрешаю­ щей способностью. В качестве примера измерения спектральногораспределения гамма-излучения проб, содержащих уран, могут служить графики, приведенные на рис. 2.3 и 2.4. Германиеволитиевый детектор имел объем, равный 20,5 см3, а сцинтилляционный детектор состоял из кристалла йодистого натрия, активиро­ ванного таллием, высотой 100 м и диаметром 150мм. Нарастание

рин-С11 или таллий-208). Определение калия ведут по линии

1,46 МэВ (калий-40).

В производственных условиях для анализа проб горных по­ род на радиоактивные элементы применяется в основном пяти­ канальная лабораторная сцинтилляционная установка типа ЛСУ-5к («Лаура»), фотография которой показана на рис. 2.5. В своем составе она имеет два приемника (бета- и гамма-датчи­ ки). В гамма-датчике в качестве люминофора используется крис­ талл йодистого натрия размером 40X50 мм ФЭУ-13; в бета-дат­ чике— слой порошка стильбена (50—60 мг/см2), нанесенный на плексигласовый диск. Порог чувствительности при измерении проб весом 150—200 г на ЛСУ-5к соответствует следующим со­ держаниям: (2 -г- 2,5) • 10-4% урана, (1 -4- 5) • 10-4% радия в экви­ валенте равновесного урана, (1 -4- 1,5) -10-4% тория и 0,2 4-0,3 калия. Точность измерения 30% (более высокие концентрации

20