CC BY
26
Ф.В. Шапошников
Московский государственный горный университет
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В КВАРЦЕ В ПРИСУТСТВИИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОПОРОПА
Все геологические применения радиационных центров, образованных на собственных или примесных дефектах структуры кварца, можно разделить на две группы:
1. Случай повышенных естественных радиационных полей, соответствующих концентрациям урана и тория выше сотых долей процента и присутствию их в виде самостоятельных минералов; это случай так же радиоактивных аномалий и урановых и ториевых месторождений;
2. Случай слабых радиационных полей, соответствующих предельно малым содержаниям и рассеянному распределению радиоактивных элементов, полей, которые могут создаваться излучением не только урана и тория, но и калия и других элементов.
Теоретические и методические основы первого из этих направлений заложены в работах Б.М Моисеева, Л.Т. Ракова, П.О. Окунева (ВИМС), В.И. Ивченко, Э.И. Медведева, А.К. Соколова, М М. Соколова и др. (ВИРГ), А.М. Данилевич, В.В. Павшукова (ВСЕГЕИ). В результате этих работ минерал предстал в новом свойстве — палеодозиметра, т е. вещества, связывающую полученную- на протяжении геологических отрезков времени палеодозу радиоактивных излучений с содержанием радиоактивных элементов-излучателей, возрастом и концентрацией радиационных центров. Разработана методика, позволяющая с хорошей точностью устанавливать концентрацию урана и тория в горной породе по концентрации центров и возрастным данным [1-6]. Наиболее эффективным из геологических применений этого метода для радиацион-
ных дефектов является оценка оруденения на глубине по поверхностным выходам: если радиоактивные элементы были выщелочены из поверхностных частей жил (как это часто бывает), то радиометрическое опробование не дает результатов, но ЭПР зафиксирует повышенные концентрации центров, сохранившихся после выщелачивания рудных компонентов.
Применение центров в горных породах и рудных жилах нерадиоактивных месторождений до недавнего времени имели преимущественно характер эмпирического установления распределения центров по различным типам пород и месторождений. Однако эти исследования показали, что центры могут служить своеобразным индикатором в большим числе самых разнообразных случаев. Например, в региональных метаморфизированных комплексах Алданского щита и его юго-восточного обрамления отчетливо различается кварц гранули-товой, амфиболитовой и зеленосланцевой фаций по резко убывающей от первой к последней концентрации центро О'—А1 и Л3* [7].
Наиболее сложной задачей, которую необходимо решить для однозначного определения генезиса и параметров рудных месторождений, является задача по расшифровке структуры радиационных центров в минералах и и влияние этих центров на поведение минерала при различных р,Т-условиях.
Задачей данной работы является определение влияния молекулярного водорода растворенного в кварцевом образце на зависимости оптического пропускания на
длине волны 850 нм от величины поглощенной дозы гамма-излучения. Методика эксперимента подробно описана в работе [8]. Для того, чтобы освободиться от влияния примесных дефектов природного кварца и исследовать один из собственных дефектов кварца (ответственен за широкую
полосу поглощения на длине волны 630-640 нм) были использованы образцы чистого кварцевого стекла в виде волоконно-оптических световодов с различной концентрацией гидроксильных групп (см. табл.
о-
Таблица 1
Тип световода Синтез t,°C стенок Режим схлопывания Давление Диаметр сердцевины, мкм Отражающая оболочка ОН, ppm
КУ-1 Н2:02 горелка 2200 атм. 125 полимер 1200
С37 СВЧ плазма 1800 в атм. Н2:02 9:1 10 торр 75 Si02:F2 24
Ш19 ВЧ плазма 1200 в атм. Н2:С>2 9:1 атм. 50 Si02:F2 17
Насыщение световодов водородом проводилось при комнатной температуре и при давлении 20 атмосфер в течение месяца. Концентрация молекулярного между-узельного водорода в сердцевине световода, определенная по линии поглощения 1.24 мкм, составляла 56 ppm, т.е. 4-Ю19 молекул Нг/см3.
Рис. 1. Кинетические кривые НП В световоде типа С37 при комнатной температуре (Каб» = 0,85 мкм)
На рисунках 1 и 3 представлены типичные картины роста (во время гамма-облучения) и спада уровня наведенного поглощения (НП) на длине волны 850 нм (крыло линии поглощения 640 нм) у световодов изготовленных из чистого кварцевого стекла с пониженным содержанием ОН групп (подробную расшифровку кривых см.
[8]). Ниже показаны кинетические кривые роста и спада НП у световодов насыщенных водородом (рис. 2 , 4 и 5).
Рис.2. Кинетические кривые НП в световоде типа С37 насыщенном водородом под давлением 20 атмосфер в течение месяца при комнатной температуре
Анализ данных, представленных на рис. 2, 4 и 5 выявляет следующие закономерности:
1. Рост радиационно оптической устойчивости (РОУ) (иными словами, отклик образца на различные мощности дозы облучения) от насыщения водородом незна-
чителен у “мокрых” световодов типа КУ-1 и велик у световодов с низкой концентрацией ОН-групп.
(21 Дб/КЧ
Рнс.З. Кинетические кривые НП в световоде типа Ш19 при комнатной температуре ((Каь* =
0,85 мкм)
Рис.4. Кинетические кривые НП в световоде типа III19 насыщенном водородом под давлением 20 атмосфер при комнатной температуре
ос, Дб/км
Рис.5. Кинетические кривые НП в световоде из стекла КУ-1: сплошная линия - необработанный световод,
пунктирная линия - световод, насыщенный водородом при 20 атмосферах и комнатной температуре в течение месяца
2. Рост РОУ от насыщения водородом у “сухих” световодов практически полностью вызван увеличением скорости распада радиационных центров окраски (640
нм) по сравнению с изменением скорости их создания [8].
Насыщение водородом “сухих” световодов резко изменяет картину влияния
предварительного высокодозного облучения на РОУ: сильная антизакалка [8] ненасыщенных световодов сменяется либо слабой закалкой (образец Ш19), либо отсутствие эффекта закалки (образец С37). В последнем случае наблюдается даже эффект радиационного просветления НП [8], типичный для “мокрых” световодов КУ-1.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Медведев Э.М. Е-центры в палеозойских кварцевых песчанниках, Геохимия, 1980, №6.
2. Моисеев Б.М., Раков Л.Т., Образование А1- и Б'-центров в кварцах под действием природного облучения — Докл. АН СССР, 1975, т. 223, с. 1215.
3. Данил ев ич Л.М., Кириков А. Д., Павшу-ков В.В., Закономерности накопления Е’-центров в кварцах горных пород — Геохимия, 1982, №5, с. 602-607.
4. Моисеев Б.М., Раков JI.T., Палеодози-метрические свойства Е’-центров в кварцах — Докл. АН СССР, 1977, т. 233, с. 679.
5. Данилевич А.М., Кириков А.Д„ Павшу-ков В.В Применение метода ЭПР для изучения миграции радиоактивных элементов и оценки возраста оруденения. В кн.: Распределение радиоактивных элементов в земной коре, М.; Недра, 1978, с. 121.
6. Медведев Э.М. Роль ионизирующих излучений при образовании дефектов и термические характеристики Е’-центров в природных кварцах. — Геохимия, 1979, №9, с. 1413-1415.
7. Бершов Л.В., Крылова М. Д., Сперанский А.В. Электронно-дырочные центры O'—А1 и Ti3+ в кварце как показатель температурных условий регионального метаморфизма. — Изв. АН СССР. Сер. геол., 1975, №10, с. 113-117.
8. Шапошников Ф.В. Проблемы использования волоконно-оптических световодов при проведении открытых работ. — Горный информационно-аналитический бюллетень, 1996, №6.
© Ф.В. Шапошников
