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

пробы становятся радиоактивными. Измеряя наведенную радио­ активность этих объектов, можно судить о содержании в них различных химических элементов, вступающих в реакции, и ре­ шать разнообразные геологические задачи.

Методика, основанная на возбуждении радиоактивных ядер в облучаемом веществе под действием нейтронов, получила на­ звание нейтронного активационного анализа (НА).

Другие активационные методы также называются в соответ­ ствии с возбуждающим излучением. В настоящей главе рассмат­ риваются лишь возможности метода НА. Однако методика про­ ведения анализа для этого метода и других в общих чертах схожа. На примере проведения измерений по НА можно ознако­ мится с методикой активационного анализа вообще.

Весь процесс изучения содержания определяемых элементов в веществе сводится, во-первых, к облучению его потоком ней­ тронов в течении времени t0, выбираемого не свыше пяти перио­ дов полураспада (57’); во-вторых, к перемещению проактнвированной пробы к месту измерения за время t„ (пауза или пере­ рыв) и, в-третьих, к измерению наведенной активности за время ta, выбираемого также не свыше 57.

Определение природы элементов, вступающих в ядерную реакцию, осуществляется по измерению периодов полураспада, по измерению энергии гамма-излучения или других частиц, или по комбинации того и другого. Каждый радиоактивный изотоп обычно имеет только для него характерный период полураспада и характерную энергию излучаемых частиц. Эти отличительные особенности изотопов и используются для установления их при­ роды.

Методика нейтронного активационного анализа широко при­ меняется в практике ядерно-физпческих исследований геологиче­ ских проб. Для этой цели применяются радиоизотопные нейтрон­ ные источники, а также используется излучение ядерных реакто­ ров и нейтронных размножителей. Помимо этого радиоизотопные нейтронные источники достаточно широко применяются в ней­ тронном активационном методе для изучения горных пород и руд, пройденных скважинами, и начинают применятся для изуче­ ния горных пород в стенках горных выработок и пород, выходя­ щих на дневную поверхность

§ 2. ВОЗБУЖДЕНИЕ ПРОБ НЕЙТРОНАМИ ОТ РАДИОИЗОТОПНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Нейтронный активационный анализ для определения в геоло­ гических пробах отдельных химических элементов с применением радиоизотопных источников нейтронов впервые использовал в 1957 г. Ирвинг (США). Однако наиболее интенсивные исследо­ вания в этом направлении с 1957 г. начала проводить Д. И. Лей-

36

При облучении иадкадмиевыми нейтронами кассета с пробой размещается в специальном кадмиевом чехле.

Измерение наведенной активности проб в рассматриваемой установке осуществляется с помощью сцинтплляционного счет­ чика. В других аналогичных установках измерения наведенной активности проб часто осуществляются с помощью газоразряд­

ных счетчиков.

Устройство трехканального активатора, выпускаемого се­ рийно для анализа геологиче­ ских образцов, показано на рис. 3.2. Парафиновый замедлитель выполнен в виде шаровидного блока. В центре блока распола­ гается второй меньший блок в виде куба. Источник нейтронов располагается в центре куба, он окружен слоем рассеивателя из свинца. Внутри куба распо­ лагаются три канала для акти­ вации проб в плоских кассетах: К — для активации проб надкадмиевыми (быстрыми) ней­ тронами; Т — для активации тепловыми нейтронами и С — для активации смешанным по­ током нейтронов. Каналы К и С располагаются, вплотную к свинцовому рассеивателю. Об­ лучение проб иадкадмиевыми

37

нейтронами в канале К осуществляется путем размещения кас­ сеты с пробой в кадмиевом чехле. Канал Т размещен на расстоя­ нии около 2 см от свинцового рассеивателя.

Регистрирующий блок (на рис. 3.2 он не изображен) обору­ дован двумя сменными детекторами для измерения бета- и гам­ ма-излучения. При измерениях счетчики и проба помещаются в свинцовых домиках. Для измерения бета-активности проб при­ меняются газоразрядные счетчики, а для измерения гамма-актив­ ности — сцинтилляционные.

С помощью ампульных нейтронных источников определяются 10 химических элементов с порогом чувствительности от — 0,01

до 1%.

Наведенную активность проб при отсутствии излучений ме­ шающих изотопов определяют, измеряя суммарное излучение. При наличии в пробах мешающих излучателей измерения про­ водят с помощью гамма-спектрометрпческой аппаратуры.

Анализ элементов с более высоким порогом чувствительности может вестись при их активации в каналах нейтронных размно­ жителей и ядерных реакторов.

§3. НЕПТРОННЫИ РАЗМНОЖИТЕЛЬ

ИЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПРОБ

ВСССР для проведения активационного анализа геологиче­ ских образцов, технологических проб и на основе нейтронного размножителя разработана и серийно выпускается активацион­ ная установка «Размножитель-1». Эта установка состоит из сле­

дующих основных узлов: нейтронного размножителя ПС-1 (под­ критическая система); пневматической системы, предназначенной для транспортировки образцов в зону облучения и на позиции измерения и хранения; пульта управления размножителем и пнев­ мопочтой и датчиков для измерения наведенной активности облу­ ченных образцов.

Схема устройства размножителя нейтронов с пультом управ­ ления его работой показаны на рис. 3.3. Нейтронный размножи­ тель относится, к классу малогабаритных ядерных реакторов. Реакция деления ядерного горючего в таких системах и поддер­ жание необходимого уровня потока нейтронов возможны только с помощью внешнего нейтронного источника. В качестве такого источника в рассматриваемой установке служит плутоний-238— бериллиевый препарат. Большой период полураспада используе­ мого изотопа (Г—86,9 года) позволяет поддерживать в активной зоне стабильный поток нейтронов в течение длительного времени его эксплуатации. Источник располагается в центральном канале размножителя. В рабочем состоянии источник размещается в центре активной зоны. Для прекращения работы размножителя источник с помощью сервопривода переводится в нижнее поло­ жение (в борсодержащий парафин). В области активной зоны

38

при этом располагается поглощающий стержень аз кадмия или бора.

Активная зона собирается из отдельных дисков, состоящих из порошкообразной двуокиси урана, равномерно распределенно­ го в полиэтилене и обогащенного до 36% изотопом уран-235. Вокруг этой зоны располагается комбинированный отражатель нейтронов, собранный из полиэтнленграфитовых стержней и дис­ ков. В этой зоне располагаются три вертикальных и один гори­ зонтальный каналы, предназначенные для размещения об­ разцов. Помимо этого в размножителе имеются еще два допол­ нительных вертикальных канала. Эти каналы предназначены для размещения в них ионизационных камер. С их по­ мощью осуществляется контроль за потоками нейтронов в раз­ множителе.

Биологическая защита размножителя состоит из отдельных разъемных цилиндрических и дисковых блоков из свинца, борсо­ держащего парафина и воды.

Наличие активной зоны в установке позволяет примерно в 1000 раз повышать поток нейтронов от помещенного в замедли­ тель радиоизотопного источника нейтронов. Поток тепловых ней­ тронов в каналах равен — 1,2-107 нейтр/см2-с. Потоки быстрых нейтронов в таких установках примерно в 3 раза выше потоков тепловых нейтронов.

Рассматриваемая установка «Размножитель-1» предназначена для размещения в стационарной лаборатории. Размножители

использованию больших количеств радиоизотопных препаратов. Так, активная зона в установке, созданной в США, состоит из изотопа кюрий-242 (Г=163 дня) активностью 4000 кюри, сме­ шанного с бериллием. Эта установка позволяет получать потоки быстрых нейтронов величиной 9-107 нейтр/см2-с. Активная зона в установке, созданной в Канаде, состоит из изотопа сурьма-124

нейтронов 2-108 нейтр/см2-с. В первой из этих установок нейт­ роны получаются путем реакции (а, п), а во второй — путем реакции (^, п) . Обе установки обладают существенным недостат­ ком по сравнению с ПС-1, а именно: использование в них короткоживущнх изотопов приводит к тому, что со временем количе­ ство радиоактивных изотопов в активной зоне уменьшается. Со­ ответственно падает и выход нейтронов. Установку ПС-1 с этих позиций можно считать практически вечной.

На установке «Размножитель-1» можно определять порядка 40 химических элементов с порогом чувствительности от 1■10-7

до Ы 0 -2%.

40