CC BY
30
ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
Том 206
1973
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙТРОННО-АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЛЮОРИТА В НАЗЕМНЫХ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТКАХ
Р. П. МЕЩЕРЯКОВ, Ю. А. ПАНОВ (Представлена семинаром сектора радиоактивационного анализа НИИ ЯФЭА)
В процессе освоения месторождения одной из наиболее длительных и трудоемких операций является оконтуривание и оценка запасов, связанная с многократным отбором проб. Одним из методов, позволяющим исключить предварительный отбор, является радиоак-тивационный, сущность которого сводится к облучению объектов потоком частиц с последующим измерением во времени образующейся радиоактивности. Данный метод по сравнению с химическим, который используется в настоящее время, имеет следующие преимущества: экспрессность и относительно простую методику анализа, возможность определять в породах весьма малые количества отдельных элементов и возможность поэлементного анализа состава горных пород в их естественном залегании.
Первоначально метод нейтронно-активационного анализа на флюорит был использован В. Я. Бардовским [1] при каротаже скважин. Методика анализа в лабораторных условиях рассмотрена в литературе [2, 3]. Его сущность сводится к облучению пород, содержащих СаР2, потоком нейтронов от полоний-бериллиевого источника с последующим измерением наведенной активности по коротко-живущим изотопам №6 и Р20.
Наиболее распространенными ядерными реакциями под воздействием нейтронов являются реакции радиационного захвата (п, у), идущие на тепловых нейтронах. По мере увеличения энергии нейтронов начинает увеличиваться в начале вероятность неупругого рассеяния (п, /г')» а ПРИ энергиях Е = 0,5 ч- 10 Мэв также и реакций с вылетом заряженных частиц (п, р) и (п, а) и при еще более высоких энергиях реакция типа (п, 2 п). При взаимодействии нейтронов различных энергий с ядром стабильного изотопа Р19 возможно осуществление следующих реакций: Р19 (п, у) Р20, Р19 (п, р) О19, Р19 (п, а) №5, Р19 (п, 2п) Р18. Активационный анализ флюоритовых руд в условиях их естественного залегания основан на использовании двух реакций Р19 (п, т ) Р20, идущих на медленных нейтронах, и Р19 (п, а) №6 — на быстрых, причем последняя реакция является предпочтительной, т. к. число быстрых нейтронов значительно больше тепловых. Реакция (п, р) малосущественна из-за довольно значительного порога реакции, а (п, 2п) из-за малого сечения активации для нейтронов с энергией 2 -н 5 Мэв при использовании полоний-бериллиевого источника облучения.
6. Заказ 3321.
8)
Во флюоритовых рудах основными компонентами являются фтористый кальций и кремнезем, содержание которых может колебаться от 0 до 98%- Кроме того, в рудах присутствует значительное количество примесей СаСо3, АЬОз, А^О, Э и др., содержание которых колеблется в широких пределах — от тысячных долей до десятков процентов. Анализ ядернофизических характеристик изотопов, влияющих на определение фтора, показывает, что одни не являются мешающими за счет незначительных кларковых содержаний, другие из-за того, что эффективные сечения возникающих ядерных реакций на 1,5 -ь-2 порядка ниже эффективного сечения реакции др19 (п, а)7М16. Рассмотрение вопросов активации флюорита и примесей позволяет сделать вывод о возможности определения СаР2 путем измерения активности изотопов Ы16 и Р20. Благодаря достаточно коротким периодам полураспада эти изотопы не требуют при своем получении длительного облучения, что позволяет избежать активации побочных примесей. Большая энергия излучения, сопровождающая распад радиоактивных ядер №6 и Р20 позволяет практически освободиться от влияния на результаты анализа всех изотопов, энергия излучения которых ниже 1,3 + 1,5 Мэв, путем введения высокого порога дискриминации. Основной мешающий изотоп А128, образующийся по двум реакциям Б!28 (п, р) А128, А127 (п, у) А128. Он имеет малый период полураспада и испускает ^-кванты большой жесткости. Кроме алюминия и кремния на результаты анализа может влиять О16, из которого в результате реакции (п, р) образуется определяемый изотоп ]МК\ Но так как порог данной реакции равен 9,5 Мэв, то, учитывая незначительное число нейтронов данной энергии в спектре источника и малое сечение данной реакции вблизи порога, этим источником ошибок при определении фтора по (м,а) реакции можно практически пренебречь.
Остановимся на выборе времени облучения и измерения наведенной активности. Относительная величина зарегистрированной активности согласно закону радиоактивного распада будет выражаться:
— время активации пробы;
/2 — время, необходимое для переноса пробы из канала активатора в измерительное устройство;
/3 — время регистрации наведенной активности. Например, значение относительной Величины зарегистрированной активности по временной схеме (¿1 = 15 сек, ¿2 = 5 сек, ¿3 = 15 сек), обусловленной наличием фтора в анализируемой пробе, составит 36,4% от максимальной активности (здесь и tъ порядка двух периодов полураспада И16), а для изотопов, имеющих периоды полураспада более 1 минуты, составит 2,3%. Рассмотрение целого ряда временных схем (15 сек <¿.<30 сек> 5 сек^^ 10 сек, 15 сек^:^г< 30 сек) показывает, что влияние мешающих элементов все еще остается значительным. Для более полного его исключения необходимо во временную схему ввести второй отсчет наведенной активности, равный по времени первому и следующий непосредственно за ним (/4). Используя разностную величину первого и второго отсчетов, выражение зарегистрированной активности будет иметь вид:
0,693^ Тт
0,693 (¿2 +
ГТ/2
(1)
где
/V
1 ¥ рег
Подсчет по уравнению (2) показывает, что использование разностного измерения между первым и вторым отсчетами позволяет уменьшить вклад от изотопов с периодами полураспада более Т\,г =60 сек в 2,0 н- 2,5 раза при всех вышеуказанных значениях tu t2 и /3. Кроме того, применение временной схемы со вторым отсчетом позволяет (с определенной степенью точности) исключить из первого отсчета фон регистрирующей системы и активность, обусловленную присутствием в пробе естественных радиоактивных изотопов.
Из уравнения (2) очевидно, что непременным условием правильности определения CaF2 по короткоживущей активности радиоизотопа N16 является точная выдержка временных интервалов и особенно при первом отсчете. Так, при времени облучения, равном 30 сек, неточность в 1 сек дает ошибку в измерении активности 0,75%, тогда как подобная неточность времени при первом отсчете — 9,9%.
Таким образом, благодаря введению порога дискриминации, выбора времени облучения и измерения активности, учета величины фона, от влияния мешающих элементов при определении фтора в полевых условиях можно практически избавиться.
На основании вышеприведенных данных авторами был разработан и изготовлен прибор для проведения нейтронно-активационного анализа, имеющий следующие технические характеристики:
1. Прибор является 7-спектрометром и настраивается с помощью дискриминатора на счет у-квантов с энергией выше 1,33 Мэв.
2. Относительная ошибка пересчетного прибора не превышает 0,25% при 150 статистически распределенных импульсах в секунду на входе.
3. Прибор имеет электронное времязадающее устройство со следующими временными циклами работы: 10 сек — блокировка, 20 сек— счет при измерении активности, 10 сек — блокировка, 20 сек — счет в реверсивном режиме.
4. Основная погрешность отсчета времени времязадающим устройством не более 2%.
5. Предусмотрен режим реверсивного счетчика с заданием времени измерения активности по секундомеру.
6. Чувствительность прибора на уровне За приблизительно равна 0,7%.
7. Точность определения в точке при классе содержания 0 -f- 5%> 5-^50% или 50100% составляет относительно среднего 14%, 5,5% или 1,5% соответственно. Точность определения среднего содержания запасов в месторождении (сравнение с результатами химического анализа) 0,4 ч- 2% относительных и 0,3 ~ 0,6% абсолютных.
Блок-схема прибора приведена на рис. 1. Рассмотрим назначение отдельных ее узлов. Детектором наведенной активности является кристалл Nal размером 40X40 мм и ФЭУ-13. Импульсы отрицательной полярности, снимаемые с анодной нагрузки ФЭУ через эмиттерный повторитель, поступают по соединительному кабелю на усилитель, имеющий два каскада усиления по напряжению и один по току. Усиленные по напряжению импульсы формируются на дискриминаторе, собранном на туннельном диоде типа АИ-301А. Порог срабатывания выставляется регулировкой усиления. После формирования по амплитуде импульсы поступают на быстродействующую бинарную ячейку, что позволяет уменьшить просчеты при средней частоте их поступления 150 гц с 6,5% до 0,25%.
Для развязки счетного устройства на декатронах с бинарной ячейкой поставлен блокинг-генератор в ждущем режиме. Схема счетного устройства имеет режим реверсивного запуска, что позволяет автоматически регистрировать наведенную активность с одновременным вычитанием фона и долгоживущих активностей. Имеется время-
время - нпапан
зяд ающяо заряда
цепочка ОС, ЙС1
хпяпдн разряда
ГЕНЕРДТОР
импульсов
ДЕ шифратор
1
к пап ян зарода (?С2
ВРЕМЯ -
задающая
цЕпочкаРС?
к папан разряда ЯСг
СЧЕТНОЕ дискри - исиаитЕль
устройство минатор
ДЕТЕКТОР
Рис. 1. Блок-схема прибора
N импульсоб 500
1400 300 2 00
00
задающее устройство, назначение которого определяется формированием определенных временных интервалов для временной селекции. Блок питания состоит из комплекта батарей и преобразователя напряжения, необходимого для питания ФЭУ, декатронов и радиосхем.
Калибровка прибора производится перед началом и после окончания работы с ним. Она позволяет избежать ошибок, связанных с монотонным изменением параметров установки, обусловленных старением полупроводниковых элементов и ФЭУ, потерей сцинтил-лятором светового выхода, полимеризации материала оптического контакта и т. д. Кроме этого калибровка учитывает изменение активности источника за счет постоянного распада. Для калибровки должны использоваться образцы флюоритовой руды с содержанием, приблизительно равным максимальному и среднему содержанию флюорита в исследуемом месторождении. Размеры калибровочного образца должны быть не менее 250 X 250 X МО мм. После завершения работ на месторождении производится химический анализ данных образцов. По данным измерения наведенной активности эталонов и содержанию СаР2 строится график эталонирования, по которому показания прибора переводятся в процентное содержание СаР2 в данной точке (рис. 2).
Полевые испытания прибора [4] были проведены совместно с сотрудниками Читинского геологического управления. Результаты опре-
СаГ2,%
Рис. 2. Градуировочная кривая перевода показаний прибора в % содержании СаРг
деления по предложенному методу показали хорошую сходимость с химическим анализом, что лишний раз подтвердило практическую возможность количественного определения флюорита методом активации нейтронами с последующей регистрацией 7 -излучения. Рассмотрим более подробно некоторые результаты.
Применение дискриминатора с порогом 1,33 Мае позволяет избавиться от влияния излучения большинства мешающих элементов— примесей, присутствующих во флюоритовых рудах. Исключение составляет лишь AI28, который образуется из AI27 и Si28. Содержание обоих элементов, особенно последнего, может достигать значительных величин. Энергия у-квантов изотопа AI28 равна 1,8 Мэв, поэтому дискриминатор не избавляет анализ от его влияния. Исключение этого влияния достигается выбором временной схемы анализа, основанной на различиях периодов полураспада F20 (Г'/2 = 11,3 сек), N'6 (7у2 = 7,3 сек) и AI28 (7У2 = 2,31 мин). Выбрана следующая временная схема анализа: 40 сек — активация, 10 сек—выдержка для распада короткоживущих изотопов, 20 сек — снятие первого отсчета (общей величины активности), 10 сек — снятие показаний и сброс при работе счетного устройства без реверсивного режима, 20 сек — измерение величины активности фона (естественного, космического, наведенного).
Такая схема обеспечивает регистрацию активности в основном только N16 и F20, так как вклад активности AI28 даже при содержании его 100% составляет менее 2%. На практике этот вывод полностью подтвердился. В серии опытов со штуфом кварца (0,8% CaF2) величина наведенной активности фтора по данным 35 измерений не превышает 10 импульсов, в то время как в штуфах, богатых флюорито-выми рудами (-^-95% СаИг), она составляет ~ 550 импульсов. Воспроизводимость показаний прибора проверялась с помощью стандартного источника '¡'-излучения Со60, который удалялся на определенное расстояние от детектора. Положение источника и детектора строго фиксировались, затем снимались показания со счетного устройства при включенной временной селекции. Относительная ошибка воспроизводимости показаний в течение суток после вычислений составляет ± 3,4%, что близко к среднестатистической.
Анализ результатов полевых испытаний позволил решить следующие вопросы: оценить воспроизводимость активационного анализа, установить его погрешности, оценить сходимость активационного и химического анализов. Сравнение результатов активационного и химического анализов, вычисленное по отдельным выработкам для одного из месторождений, можно представить табл. 1.
В целом по данному месторождению для среднего содержания 36,2% CaF2 (по химическому анализу) относительная ошибка составляет 2,4%, а наиболее вероятная абсолютная ошибка 0,87%.
Таблица 1
№ выработки Относительная ошибка, % Наиболее вероятное абсолютное откл., %
Сечение № 11 30,0 8,4
Сечение № 12 6,6 2,6
Сечение № 13 9,2 2,9
Сечение № 14 8,2 2,4
Сечение № 15 8,5 2,8
Сечение № 16 10,3 2,3
Сечение № 17 8,7 2,6
Таким образом, сходимость результатов активационного и химического анализов значительно улучшается при переходе от отдельных проб к выработкам и особенно по месторождению в целом. Это свидетельствует о том, что метод активационного анализа лишен каких-либо систематических ошибок, а погрешности его являются случайными, нивелирующимися при усреднениях результатов по выработкам и, особенно, по месторождению в целом.
Этот вывод подтверждается расчетом результатов балансовой сходимости средних содержаний по месторождению и коэффициента корреляции:
Таблица 2
Баланс результатов Среднее содержание Коэффициент корреляции
по хим. анализу но актива и. анализу по хим. анализу по актива ц. анализу
3803 3739 36,2 35,6 + 0,935
Таким образом, отклонение баланса результатов активационного анализа от химического составляет 1,6%. Среднее содержание по месторождению, вычисленное по обоим методам, разнится очень незначительно (0,3 -г 0,6% СаРг). Необходимо иметь в виду, что полной сходимости результатов химического и активационного анализов достигнуть практически невозможно, так как все наши расчеты по оценке метода построены на сравнении данных активационного анализа с химическим, принятым за эталонный, хотя он сам может искажать результаты определений.
Из всего вышеизложенного можно сделать вывод о том, что данный метод опробования применим в полевых условиях для определения флюорита в рудах. Это несет экономический эффект, так как исключаются расходы на отбор, обработку и химический анализ проб и увеличивается экспрессность при оценке запасов данного месторождения и принятия его в эксплуатацию. В заключение авторы благодарят сотрудников Читинского геологического управления Кото-ву А. И. и Широкого И. И. за проведение полевых испытаний и за многочисленные замечания по методике работы с прибором.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. Я. Бардовский. Активацион.ный каротаж при разведке месторождений плавикового шпата. Сб.: Опыт применения радиоактивных методов при поисках и разведке нерадиаакти'вных руд. Госгеолтехиздат, стр. 112, 1962.
2. Е. М. Лобанов. Количественное определение фтора в флюоритовом сырье и продуктах его переработки активационным методом с применением полониево— бепнллиевого источника нейтронов. Изв. АН УзССР, серия физ.-мат., № 3, стр. 68, 1965.
3. В. И. П р о к о п ч и к, А. И. Субботина. Об активационном методе определения флюорита в пробах руд и продуктов обогащения. Атомная энергия, т. 21, вып. 5, стр. 414, 1966.
4. Л. И. Кото в а, И. И. Широкий. О применении метода нейтронно-активаци!-оиного анализа при опробовании флюоритовых жил в наземных горных выработках. Вопросы геологиш Прибайкалья м Забайкалья. Вып. 2(4), стр. Э22, Чита., 1967.
