Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Применение ядерно -физических методов определения золота в геологических объектах 10
1.1. Прямые методы определения золота в рудных пробах 12
1.1.1. Гамма-активационный анализ 14
1.1.2. Нейтронно-активационный анализ 16
1.2. Радионуклидные источники нейтронов 20
1.2.1. Источники типа 21
1.2.2. Фотонейтронные источники 22
1.2.3. Нейтронные источники спонтанного деления 25
ГЛАВА 2. Оптимизация условий облучения и конструкция установки инструментального нейтронно-активащонного анализа 31
2.1." Общие закономерности пространственного распределения нейтронов в различных замедляющих материалах 31
2.2. Исследование пространственного распределения нейтронов от радионуклидного калифорниевого источника 38
2.2.1. Пространственное распределение нейтронов в однородных средах 38
2.2.2. Пространственное распределение нейтронов при внесении большой массы образцов 42
2.2.3. Возмущение нейтронных полей пробами различных золоторудных месторождений 44
2.3. Конструкция установки ИНАА 47
ГЛАВА 3. Изучение эффектов экранирования золота в пробах золоторудных месторовдений 53
3.1. Процессы взаимодействия нейтронов с веществом 54
3.1.1. Основные закономерности активации нуклидов нейтронами 55
3.1.2. Коэффициент экранирования нуклида в образце 58
3.2. Оценка эффекта самоэкранирования золота 63
3.3. Эффект экранирования золота в пробах золото-серебряно-полиметаллического месторождения 65
3.3.1. Физическая сущность появления систематических погрешностей 65
3.3.2. Расчет активации золота с учетом эффекта экранирования 72
3.4. Трансформация энергетического спектра нейтронов 77
3.4.1. Возможность применения фильтров 79
3.4.2. Экспериментальная проверка применения фильтра нейтронов из серебра 84
ГЛАВА 4. Разработка метода инструментального нейтронно-активащонного определения золота и других элементов 92
4.1. Измерение и обработка спектрометрической информации 92
4.1.1. Гамма-спектрометр и его характеристики 92
4.1.2. Источники погрешностей на этапе измерения 95
а) Интерференционные эффекты 95
б) Поглощение гамма-излучения породой образца 98
в) Неравномерная активация образца 99
4.1.3. Обработка спектрометрической информации 103
а) Первичная статистическая обработка спектров 103
б) Оптимизация времени измерения 107
4.2. Практическое применение метода инструментального нейтронно-активационного определения золота в геологических объектах НО
4.2.1. Оптимизация временного режима облучения III
4.2.2. Предел определения золота, ИЗ
4.2.3. Случайные погрешности этапов анализа 116
4.2.4. Метрологические характеристики определения золота методом ИНАА в объектах золоторудных месторождений Дальневосточного региона I20
4.2.5. Реализация разработок установки и метода ИНАА золота 125
а) Методики проведения инструментального нейтронно-активационного определения золота 125
б) Внедрение установок и метода ИНАА золота 128
в) Технико-экономические показатели метода 131
4.3. Возможности ИНАА с использованием радионуклидного калифорниевого источника нейтронов 132
4.3.1. Анализ геологических объектов 132
а) Многоэлементный анализ 132
б) Определение серебра в рудных пробах 136
в) Анализ вольфрамосодержащего сырья 137
г) Определение редкоземельных элементов 141
4.3.2. Анализ объектов морского происхождения 142
а) Анализ железо-марганцевых конкреций 142
б) Анализ органических объектов 144
Вывода 149
Литература
- Гамма-активационный анализ
- Исследование пространственного распределения нейтронов от радионуклидного калифорниевого источника
- Коэффициент экранирования нуклида в образце
- Поглощение гамма-излучения породой образца
Гамма-активационный анализ
При облучении пробы потоком гамма-квантов в результате ядерной реакции неупругого рассеяния (jf»]f ) образуется короткоживущий нуклид с периодом полураспада Тj/= 7,23 сек. Такой малый период полураспада образующегося радионуклида открывает возможность разработки методики экспрессного высокопроизводительного анализа проб на золото [ 19 J .
К преимуществам гамма-активационного анализа следует отнести высокую селективность (в результате порогового характера взаимодействия гамма-квантов), экспрессность, отсутствие эффекта самоэкранирования и высокую представительность анализа ata счет использования образцов большой массы [ 20 ] . Однако из-за малого сечения реакции (jft ) для достижения требуемого предела определения мощность дозы гамма-излучения должна быть высокой.
Первые исследования возможности применения реакции неупругого рассеяния гамма-квантов проводились с помощью пучка электронных ускорителей с энергией до б МэВ [21,22 ] . Так как с увеличением энергии тормозного излучения сечение реакции неупругого рассеяния (у,)( )на золоте возрастает [15] , то повышение энергии ускоренных электронов приводит к снижению предела определения золота. Основные направления исследований возможностей гамма-активационного анализа связаны с применением микротронов и линейных ускорителей электронов. Возможность применения микротрона Института физических проблем АН СССР (ИФП АН СССР) как источника тормозного излучения для анализа золота исследовалась при энергии электронов 9 МэВ [ 23 J . Пробы массой 100-200 г облучались в течение 18 сек при среднем токе электронов 30 мкА. При этом получен предел определения золота ЗІО" 4 . На активационно-измери-тельном комплексе "Луч" [ 24 ] пробы облучались в циклическом ре 15 жиме (t06A 12 секДыдд,» 4 секДцзм 12 сек) при максимальной энергии тормозного излучения 8,5 МэВ и токе ускоренных электронов 30-45 мкА. Показана возможность достижения предела определения золота 0,1 г/т (10-).
В Центральной лаборатории Северо-Восточного производственного геологического объединения (СВПГО) в г. Магадане совместно со Всесоюзным НИИ ядерной геологии и геофизики (ВНИИЯГТ) и ИФП АН СССР на основе микротрона организована производственная лаборатория гамма-активационного анализа [25 ] . Активационно-измерите-льный комплекс включает микротрон, гамма-спектрометры, систему мониторирования, транспортирующее устройство и центральный пульт управления. Исследование метрологических параметров гамма-активационного метода определения золота показало, что воспроизводимость и правильность удовлетворяют требованиям ГКЗ [26] . Технико-экономические показатели гамма-активационного метода определения золота с использованием микротрона говорят о том, что целесообразно применять его при достаточно большом объеме работ.
Линейные ускорители электронов в качестве источников жесткого тормозного гамма-излучения также позволяют обеспечить достаточный предел и точность определения золота [ 27 ] . Для разработки метода гамма-активационного анализа золота в рудных пробах с использованием ускорителей электронов были проведены исследования 28,29 по учету влияния других элементов, определена оптимальная энергия тормозного излучения (около 8 МэВ), средний ток электронов ( 700 мкА) и временной режим (10&л = сек» ьыд. = 3 сек, t M = 15 сек). Предел определения золота составил 0,4г/т.
Для обеспечения потребности в анализах крупного горнорудного предприятия совместно Всесоюзным НИИ радиационной техники (ВНИИРТ) и НИИ электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) им. Д.В.Ефремова разработан и изготовлен ядерно-аналитический комплекс [30, ЗІ ] для проведения гамма-активационного анализа рудных проб на золото и сопутствующие элементы. Комплекс состоит из источника активации (линейный ускоритель электронов ЛУЭ-8-5), системы транспортировки образцов, сцинтилляционного гамма-спектрометра,блоков управления и обработки информации, устройства ввода и вывода информации. Основные метрологические характеристики комплекса: навеска пробы (500+100)г, предел обнаружения золота (0,4+0,1)г/т, погрешность анализа при концентрации 2г/т - не более 1056, производительность установки - не менее 400 анализов в смену. Такой ядерно-аналитический комплекс экономически целесообразно устанавливать не только на горнорудных предприятиях, но и в крупных геологоразведочных экспедициях [32] .
Нейтронно-активационный метод. В соответствии с применяемым источником активации методы нейтронно-активационного анализа можно условно разделить на две группы:
1. Методы с использованием стационарного оборудования (ядерные реакторы) и специально оборудованных помещений;
2. Методы с компактным оборудованием (радионуклидные источники) не требующие специально оборудованных помещений, для применения их практически в любых, в том числе и экспедиционных ус ловиях.
К достоинствам методов первой группы относится низкий предел определения золота, недостижимый другими методами, возможность одновременного определения большого числа элементов при малой навеске пробы. Анализу золота с применением ядерных реакторов посвящено множество работ, обширная библиография которых приведена в работе [I ] .
Исследование пространственного распределения нейтронов от радионуклидного калифорниевого источника
Распределения тепловых и резонансных нейтронов от калифорниевого источника, помещавшегося в центре блока замедления и окруженного со всех сторон защитой из парафина, были исследованы традиционным методом активации золотых фольг (толщина 10 мг-см ) с применением кадмиевых фильтров.
Результаты распределений тепловых и резонансных нейтронов (рис. Z.Z) в однородных блоках замедления из различных материалов (вода, парафин, оргстекло, графит и пустой блок) находятся в полном согласии с теорией. Как и ожидалось наибольшая плотность тепловых и резонансных нейтронов наблюдается в водородосодержащих материалах, но с удалением от источника плотность становится больше в графите. Максимумы распределения резонансных и тепловых нейтронов, а также расстояния между ними тоже соответствуют теории замедления и диффузии в водородосодержащих материалах. Для графита наблюдается отклонение экспериментальных результатов от теории Такое согласие теории с экспериментальными данными для водородосодержащих материалов и отклонение для графита можно объяснить тем, что для водородосодержащих материалов размеры блока замедления (25 х 30 х 50 см) были достаточными, чтобы пренебречь граничными эффектами, а для графита недостаточными.
Так согласно работе [ 73 ] активация золотой фольги вблизи различных радионуклидных источников нейтронов в воде возрастает с увеличением геометрических размеров замедляющего блока. Но после достижения размеров примерно двух длин замедления от источника дальнейшее увеличение размеров блока практически не приводит к увеличению активности фольги вблизи источника. Так как в водородосодержащих материалах длина замедления нейтронов спонтанного деления порядка 10 см, а в графите порядка 20 см, то ясно, что размеры применявшегося нами блока замедления достаточны лишь для водородосодержащих материалов. И хотя для точного совпадения теории с экспериментальными данными размеры графитового блока были недостаточными, однако полученные результаты не противоречат теории и находятся с ней в качественном согласии. большую массу образцов компактно, т.е. непосредственно в месте максимальной плотности нейтронов, например, в активной зоне реактора или бериллиевом блоке сурьмяно-бериллиевого источника, оптимальным замедляющим материалом будет графит. G точки зрения же достижения максимальной плотности нейтронного потока вблизи ра-дионуклидного калифорниевого источника, активирующего большой объем образцов, оптимальным замедляющим материалом является водо-родосодержащий материал.
При облучении большого количества образцов в водородосодержа-щем материале и для максимального использования тепловых и резонансных нейтронов (и увеличения тем самым коэффициента использования радионуклидного источника) целесообразно размещать образцы до 15 см от источника, пока процесс образования тепловых и резонансных нейтронов в сферических слоях не достигнет резкого снижения за счет процесса поглощения нейтронов средой. В этом случае суммарная активация облучаемых проб, размещенных вокруг источника будет наибольшая.
Масса представительной навески, согласно широко применяемой в практике формуле Ричардса-Чечота равна [3 ] : где W - масса навески (кг), а - размер максимальных крупинок в пробе (мм). Коэффициент к для сульфидного золота, характерного для большинства исследованных месторождений Дальневосточного региона равен 0,2. Таким образом, проба массой 200 г будет представительной для анализа породы, измельченной до I мм и меньше. Такая масса представительной навески удовлетворяет и упоминавшимся ранее требованиям. Порода массой 200 г может разместиться в цилиндрической кассете диаметром 70 мм и высотой 50 мм. Как будет пока зано далее такие размеры кассеты являются оптимальными для проведения измерения облученных проб на гамма-спектрометре со стандартным детектором.
Влияние большой массы образцов было исследовано в блоках замедления из оргстекла, парафина и графита, имевших вертикальные каналы для нейтронного источника и загрузки образцов. Центральный вертикальный канал для радионуклидного источника имеет диаметр 20 мм. Вокруг него симметрично расположен первый ярус шести вертикальных каналов диаметром 70 мм, центры которых находятся на расстоянии 75 мм от центра канала с нейтронным источником. Далее расположен второй ярус из шести вертикальных каналов также диаметром 70 мм. Высота вертикальных каналов 300 мм. В третьем ярусе находятся еще 4 канала. Таким- бразом каналы позволяют загрузить более 90 проб в кассетах высотой 50 мм и с общей массой породы до 15 кг.
Были проведены измерения нейтронных потоков в блоках из различных замедляющих материалов, полностью загруженных геологическими образцами. Кроме того были проведены измерения в блоке без замедлителя с аналогичным расположением образцов. Результаты измерений распределений потоков тепловых и резонансных нейтронов по сферическим слоям от источника представлены на рисунке 2.3.
Внесение большой массы образцов снизило плотность тепловых нейтронов, сделало максимум распределения в сферических слоях более широким и сдвинутым по сравнению с однородным блоком. Это вполне можно объяснить тем, что порода имеет меньше сечение рассеяния и поглощения нейтронов, чем водородосодержащие материалы.
Коэффициент экранирования нуклида в образце
Отработка метода анализа, исследование особенностей и границ его применимости, достижение необходимых метрологических параметров возможно только при достаточно полном знании физической сущности явлений, лежащих в основе этого метода. В инструментальном нейтронно-активационном методе погрешности в результате анализа могут вноситься как на этапе активации нуклидов нейтронами, так и на этапе измерения наведенной активности.
На этапе облучения,.внесение образца в нейтронный поток/ вы ґґ --г зывает изменение характеристик нейтронного поля - энергетического спектра и плотности, что приводит к изменению удельной активности по сравнению с облучением в невозмущенном потоке. При этом необходимо рассматривать три процесса, обуславливающих общий эффект возмущения потока: 1. депрессию потока нейтронов вблизи образца, связанную с поглощением нейтронов внесенным образцом; 2. экранирование внутренних слоев образца из-за сильного поглощения нейтронов внешними слоями; 3. рассеяние нейтронов образцом.
Эффект возмущения может существенно влиять на точность результатов анализа, поэтому этой проблеме посвящено большое число исследований. Различными авторами были разработаны ряд методов, которые позволяли уменьшить эффект экранирования или учесть его экспериментально, развиваются также и расчетные методы. Например, в работах [76,77] предложено уменьшать массу образцов до такой величины, при которой ошибки из-за возмущения нейтронного потока малы. Даны расчеты навесок, при которых ошибка менее Ъ%. В рабо-те[78 ] предложен метод предварительного выделения золота из руды путем пробирной плавки. Для учета эффекта самоэкранирования резонансных нейтронов рекомендуется использовать двойное облучение образца резонансными нейтронами и полным потоком нейтронов, кроме того, можно использовать в качестве эталонов природные образцы золотосодержащих руд [ II ] .
Несколько полуэмпирических методов расчета коэффициента самоэкранирования тепловых нейтронов предложено в работах [60,79, 80 ] . В работе [ 81 ] предложен метод вычисления коэффициента экранирования примесного элемента матрицей, поглощающей тепловые и резонансные нейтроны, путем предварительного экспериментального определения коэффициента экранирования примесных элементов для резонансных нейтронов.
Однако, как показали результаты, приведенные в предыдущей главе, изменение эффекта возмущения нейтронного потока образцами породы изученных нами золоторудных месторождений мало. Только для золото-серебряно-полиметалического месторождения было отмечено существенное изменение удельной активности золота при облучении в потоке резонансных нейтронов. Этот факт несомненно связан с особенностями активации резонансными нейтронами, и необходимо более детальное рассмотрение этого процесса, чему и посвящена данная глава.
Процессы взаимодействия нейтронов с веществом.
Как отмечалось в предыдущей главе в процессе замедления нейтронов испытывают ряд последовательных столкновений с ядрами среды и теряют при этом свою энергию за счет упругого и неупругого рассеяния. Кроме рассеяния при столкновении с ядрами возможны и другие ядерные реакции - радиационный захват, деление ядра и другие. Еще в первых работах Э.Ферми с сотрудниками по исследованию замедления нейтронов были обнаружены резонансы [83] .
Для некоторых нуклидов резонансы в сечениях активации дости 55 гают десятков тысяч барн, что может приводить к эффектам экранирования нуклидов. Для более полного понимания физической сущности влияния эффектов экранирования, рассмотрим процесс активации нуклидов с учетом резонансов в сечениях взаимодействия.
Основные закономерности активации нуклидов нейтронами. Обычно поток нейтронов представляют как сумму потоков тепловых нейтронов с максвелловским распределением по энергиям и резонансных нейтронов, энергетическое распределение которых в замедляющих средах обратно пропорционально энергии нейтронов [60] : температура нейтронов, к - постоянная Больцмана, Ф ф. - постоянные величины, переходной области, равная нулю для тепловых нейтронов с и единице при В соответствие с этим различают сечения взаимодействия нуклидов с тепловыми и резонансными нейтронами. К настоящему времени накоплен большой объем информации о сечениях взаимодействия нейтронов с нуклидами при различной энергии нейтронов [18,84 J Для низких и средних энергий характерна резонансная структура сечений, которая наблюдается для тяжелых нуклидов до энергий 1КэВ, для легких ядер до энергий в несколько мегаэлектронвольт.
Поглощение гамма-излучения породой образца
Систематические занижения результатов нейтронно-активацион-ного определения золота могут быть вызваны несколькими причинами, основные из которых самоэкранирование и экранирование золота. Как показали расчеты, приведенные в предыдущей разделе 3.2, эффект самоэкранирования золота в полном потоке на разработанной активационной установке не может вызвать такое уменьшение результатов анализа в исследованном диапазоне содержаний золота (до 250 г/т).
Экранирование золота возможно другими нуклидами, содержащимися в образце и имеющими большие сечения поглощения нейтронов РЗЭ и другие). Однако, полная загрузка облучательного блока пробами исследуемого месторождения, сказалась существенно лишь на изменение активации золота в потоке резонансных нейтронов, поэтому причина систематического занижения результатов заключается в экранировании золота именно в потоке резонансных нейтронов.
На основе рассмотренного выше в 3.1 процесса активации нуклида резонансными нейтронами можно сделать вывод о том, что уменьшение активации золотых фольг могло быть вызвано присутствием в породе нуклидов, имеющих резонанси в сечениях поглощения нейтронов полностью или частично перекрывающихся с резонансами активации золота.
Для определения в породе образцов золото-серебряно-полиметаллического месторождения нуклидов, имеющих большие резонансы в сечении поглощения нейтронов, были проведены специальные исследования по пропусканию пучка нейтронов через образцы этого месторождения. Исследования были проведены на селекторе скоростей нейтронов в НИИ атомных реакторов им. В.И.Ленина в г. Димитров-граде совместно с сотрудниками этого института.
Селектор скоростей нейтронов является весьма сложным прибором и представляет собой механический прерыватель реакторного пучка нейтронов [ 91 ] . Нейтронный пучок из мощного исследовательского реактора GM-2 проходит через коллиматор и направляется на три синхронно вращающихся ротора. Последний из роторов диаметром 500 мм имеет прямолинейную щель шириной 1,5 мм, которая и формирует импульсный пучок нейтронов длительностью 5 мкс, при скорости вращения ротора 7000 об-мин . Расположенные перед основным ротором два вращающихся коллиматора резко снижают уровень фона в установке и позволяют добиваться оптимальных условий для высокоточных измерений. Синхронность вращения трех прерывателей достигается подвешиванием роторов в магнитном поле и специальной системой синхронизации. Применение реактора СМ-2 работающего на промежуточных нейтронах, позволяет получать высокую интенсивность нейтронов в резонансной области энергий. Изменяя скорость вращения роторов можно получить монохроматические пучки нейтронов с энергией от нескольких электронвольт до сотен электронвольт и измерять таким образом дифференциальные характеристики взаимодействия нейтронов с веществом. Спектрометр нейтронов, состоящий из батареи гелиевых счетчиков и 4096-канального анализатора, имеет разрешение 70 мс-м""і при 92-метровой пролетной базе.
При прохождении пучка монохроматических нейтронов через образец наблюдается резкое уменьшение числа регистрируемых на выхо-де их образца нейтронов, если в образце присутствует нуклид имеющий резонанс в сечении поглощения нейтронов, соответствующий энергии падающих нейтронов. Таким образом, снимают спектр пропускания нейтронов через образец, который получается путем соотношения результатов измерения спектрометра в определенном энергетическом интервале нейтронов без внесения образца в пучок к результатам измерения спектрометра после внесения образца.
Типичный спектр пропускания нейтронов через образцы золото-серебряно-полиметаллического месторождения представлен на рисунке 3.5, На кривой пропускания видно, что имеется сильное поглощение нейтронов с энергией 16,6 эВ; 5,2 эВ и 4,9 эВ. Эти энергии соответствуют резонансам в сечениях активации нуклидов /ЛГ, І09 Л А97Л Ag4 и ALL (рис. 3.6). Отсутствие других пиков поглощения нейтронов на кривой пропускания говорит о том, что кроме серебра в образце нет других нуклидов, обладающих большими резонансами в сечении поглощения нейтронов в этой энергетической области и которые могли бы вызвать экранирование золота.
Из рисунка 3.6 видно, что лишь резонансы нуклидов Mg с L0 s 5,2 эВ и А\А с ь0= 4,9 эВ частично перекрываются. Перекрытие резонансов означает, что часть нейтронов, энергия которых совпадает с зоной перекрытия резонансов и которые могли бы активировать золото, поглощается серебром. При достаточном содержании серебра в образце эффект экранирования будет заметно снижать активацию золота.
