Радиометрические методы для определения концентрации. Радиометрические методы. Анализ внешней и внутренней среды организации, SWOT-анализ

Атомы химических элементов состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов оболочки. Ядро состоит из нуклонов, к которым относятся нейтроны и протоны (рис. 57). Число протонов определяет номер элемента, а сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Элементы, атомы которых имеют одинаковое число протонов, но различные массовые числа называются изотопами данного химического элемента.

Рис. 57.

Явление естественной радиоактивности представляет собой процесс самопроизвольного превращения неустойчивых ядер атомов некоторых элементов земной коры в ядра других элементов. Процесс самопроизвольного распада сопровождается испусканием альфа -, бета-частиц, гамма-квантов. Известно более 230 радиоактивных изотопов различных элементов, называемых радиоактивными нуклидами (радионуклидами), но наиболее важное значение для радиометрических исследований имеют изотопы калия, тория и урана.

Большинство радиоактивных элементов образуют семейства, в которых каждый элемент возникает из предыдущего, в результате б - и в - распада, цепочка распадов продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивое атомное ядро. Так в процессе превращения 238 U в стабильный свинец образуется 14 промежуточных элементов (рис. 58).

При работе с естественными и искусственными радионуклидами определяется их масса, концентрация, доза и мощность дозы излучения. Массу долгоживущих радиоактивных нуклидов определяют в кг, г, мг .

Рис. 58. Радиоактивный рад 238 U (Кунщиков Б.К., Кунщикова М.К., 1976)

В СИ единицей для определения активности радионуклидов является беккерель (Бк) - это активность любого нуклида, в котором за 1 секунду распадается 1 ядро. Единица названа в честь французского физика, лауреата Нобелевской премии Антуана Анри Беккереля.

Очень часто на практике используют несистемную единицу активности - Кюри (Ки) - 3,7x10 10 Бк (расп/сек). Эта единица возникла исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской премии французские учёные супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Мощность дозы, т.е. облучение за единицу времени, в радиометрии выражают в амперах на килограмм (А/кг), микрорентгенах в час (мкР/ч).

Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше концентрация в них естественных радиоактивных элементов. Породообразующие минералы можно разделить на четыре группы в зависимости от радиоактивности:

• 1. Группа минералов очень высокой радиоактивности - это минералы урана (первичные - уранит, настуран, вторичные - карбонаты, фосфаты, сульфаты уранила и др,) тория (торианит, торит, монацит и др.);
• 2. Группа минералов высокой радиоактивности - минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные соли);
• 3. Группа минералов средней радиоактивности - магнетит, лимонит, сульфиды и др.;
• 4. Группа минералов низкой радиоактивности - кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др.

Соответственно радиоактивность горных пород определяется радиоактивностью породообразующих минералов и изменяется в очень широких пределах в зависимости от качественного и количественного состава минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма. Концентрация радиоактивных элементов в магматических породах возрастает от ультраосновных к кислым породам.

Основой радиометрических методов является выявление и изучение естественной радиоактивности минералов и горных пород. Радиометрические методы можно разделить на полевые и лабораторные методы.

Все полевые поисковые радиометрические методы являются геохимическими, так как изучают геохимические поля радиоактивных элементов с целью выявления их ореолов рассеяния. В лабораторных условиях радиометрические методы применяются для определения содержания радиоактивных элементов в минералах, горных породах, воде и газах.

С помощью радиометрических методов можно решить следующие задачи:

• - геологическое картирование, которое основано на различии радиоактивности разных типов пород, а также повышение радиоактивности пород в зоне тектонических нарушений;
• - литологическое расчленение горных пород. В данном случае очень важен г-метод исследования скважин в комплексе с другими геофизическими методами в случае, когда бурение скважин осуществляется без отбора керна или выход керна мал;
• - радиометрические методы широко применяются во всех видах поисков и разведки полезных ископаемых генетически и парагенетически связанных с ураном и торием. Например, к месторождениям редкоземельных элементов, боксита, олова, бериллия приурочено повышенное содержание тория; к месторождениям ниобия, тантала, вольфрама, молибдена - урана; к некоторым полиметаллическим месторождениям - калия;
• - разведка, определение глубины и мощности рудных тел, а также оконтуривание границ залегания. Максимальное значение радиоактивности элементов в земной коре приурочено к верхней части гранитной геосферы, мощностью 25-30 км;
• - определение абсолютного возраста горных пород, основанного на том, что процесс радиоактивного распада протекает с постоянной скоростью, не зависящей от окружающих физико-химических условий.

Основными методами радиометрии являются гамма-съемка, при которой регистрируют интенсивность гамма-излучения, и в меньшей степени используется эманационная съемка, основанная на измерении концентрации эманации в почве и воздухе (т.е. измеряется излучение радиоактивных газов).

Радиоактивные излучения могут быть зарегистрированы двумя методами: ионизационными и импульсными. В ионизационном методе в качестве регистрирующих приборов используются ионизационные камеры, а в импульсном - счетчики излучения.

В ионизационных камерах измеряют интенсивность б - излучения, имеющего большую ионизационную способность, реже в - излучение. С помощью счетчиков регистрируют все виды излучения.

В ионизационной камере (рис. 59) находятся газ и два электрода, к которым подводят напряжение в несколько сот вольт. Под действием альфа-, бета-лучей или вторичных заряженных частиц, возникающих при поглощении нейтронов, газ ионизируется, а получающиеся свободные электроны и ионы движутся к электродам. В результате в цепи возникает ток. Измеряя его или разность потенциалов, можно определить интенсивность излучений, вызывающих ионизацию.

Рис. 59. Схема ионизационной камеры: 1 - внутренняя поверхность и сердечник камеры (положительный электрод); 2 - металлическое кольцо (отрицательный электрод); 3 - днище камеры; 4 - янтарный изолятор; 5 - охранное кольцо

В газоразрядных счетчиках (счетчик Гейгера - Мюллера), в баллоне под пониженным давлением находится инертный газ (обычно аргон для измерения гамма-лучей или гелий для определения потока нейтронов) и два электрода под высоким напряжением (до 1000 В) (рис. 60).

Рис. 60. Схема стеклянного счётчика Гейгера - Мюллера(http://bse.sci-lib.com): 1 - герметически запаянная стеклянная трубка; 2 - катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали); 3 - вывод катода; 4 - анод (тонкая натянутая нить)

При появлении хотя бы одной пары ионов возникает краткий разряд. При облучении баллона гамма-квантами возникают вторичные заряженные частицы (ионы и электроны) и в нем наблюдается система разрядов в виде импульсов тока, которые можно зафиксировать.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора (неорганические или органические кристаллы, жидкие и газообразные), способного под действием гамма-квантов испускать вспышки света (рис. 61). Кванты света, попадая на фотокатод фотоумножителя, выбивают из него электроны. За счет вторичной эмиссии и наличия ряда электродов, находящихся под все большим напряжением, в фотоумножителе возникает лавинообразный, увеличивающийся поток электронов. В результате на аноде собирается в 10 5- 10 10 раз больше электронов, чем было выбито из фотокатода, а в цепи возникает электрический ток. Сцинтилляционный счетчик обеспечивает гораздо большую эффективность регистрации г-квантов (до 30-50 % и более), чем газоразрядные, и даёт возможность изучения спектрального состава излучения. У сцинтилляционных счётчиков более низкий уровень их собственного и космического фона.

Рис. 61.

Полевая радиометрическая аппаратура предназначена для измерения б -, в - и г- активности пород в процессе пешеходной, автомобильной и воздушной съемок, для обнаружения и определения концентраций радиоактивных эманаций в горных выработках, почвенном воздухе и воде. По типу применяемых счетчиков приборы подразделяются на газоразрядные и сцинтилляционные. спектральный радиометрический элементный минерал

Для гамма-съемки используют разного рода полевые радиометры со стрелочным индикатором на выходе. С помощью наушников можно осуществлять звуковую индикацию импульсов. Прибор состоит из выносного зонда, пульта управления и питания от сухих анодных батарей. Для того, чтобы по шкале измерительного микроамперметра можно было определить интенсивность гамма-излучения, радиометры градуируют. С этой целью используют образцовый излучатель радия, помещаемый в коллиматор для создания узкого пучка гамма-излучения. В этих приборах, кроме сцинтилляционных счетчиков, имеются дискриминаторы, с помощью которых определяют интенсивности гамма-лучей разного энергетического уровня.

Для изучения концентрации радона в подпочвенном воздухе используют эманометры, которые состоят из пробоотборника, поршневого насоса, сцинтилляционной камеры, измерительного пульта и соединительных резиновых трубок.

Определение концентраций эманации основано на регистрации б - частиц, излучаемых радиоактивными элементами пробы с помощью открытого сцинтилляционного детектора. Прибор питается от сухих анодных батарей.

Радиометрические методы по виду используемых излучений разделяют на б-, в-, г-методы.

Альфа - излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), энергия которых на длине пути около 10 см в воздухе и долей миллиметров в породах тратится на ионизацию и нагревание окружающей среды, поэтому проникающая способность у них очень мала. Т.е. б -распад - это выбрасывание (испускание) из ядра атома a-частицы, а б -частица - это 2 протона и 2 нейтрона, то есть ядро атома гелия с массой 4 единицы и зарядом +2. Скорость б - частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек. Так, например, при б -распаде урана всегда образуется торий, при a-распаде тория - радий, при распаде радия - радон, затем полоний и наконец - свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234 (рис. 62), затем радий-230, радон-226 и т. д.

Рис. 62.

б-метод используется с целью измерения б-излучения и определения концентрации радиоактивных элементов (U, 222 Rn, 226 Ra и др.) в радиоактивных рудах и породах. Использование б-метода является сложной задачей из-за специфики б-частиц.

Для измерения б-излучения используются ячеистые сцинтилляционные системы, пропорциональные газопроточные счетчики и сцинтилляционные жидкостные счетчики в совокупности с предусилителем, усилителем, источником высокого напряжения, счетными и записывающими устройствами.

Бета-излучение представляет собой поток электронов (в - - излучение, или, чаще всего, просто в - излучение) или позитронов (в + - излучение), возникающих при радиоактивном распаде (рис. 63). В настоящее время известно около 900 в - радиоактивных изотопов. Масса б-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы б-частиц. В зависимости от природы источника в - излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3-0,99 скорости света. Максимальное значение для в - излучения равно 4 миллиона электрон-вольт (МэВ). В - частицы вызывают в основном ионизацию окружающей среды, т.е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов.

Рис. 63.

Полевые методы с использованием - метода предназначены для оконтуривания ореолов рассеяния радиоактивных элементов в поверхностном слое горных пород или почв. Измерение в - излучения производятся ионизационными методами, однако чаще всего его измеряют импульсным методом на лабораторных радиометрах. В лабораторной условиях - метод является основным методом установления содержания урана в урановых рудах. Радиоактивность пробы руды по - лучам сравнивается с радиоактивностью эталона в одинаковых условиях измерения.

в - метод может использоваться в комплексе с г - методом. Комплексный в - г - метод основан на различии вкладов каждого компонента в измеряемую активность пробы.

Гамма-излучение представляет собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (рис. 64). Хоть они рассеиваются и поглощаются окружающей средой, но благодаря своей электрической нейтральности отличаются более высокой проникающей способностью (сотни метров в воздухе и до метра в горных породах). Количество и концентрация долгоживущих элементов (U, Th, 40К) в горной породе определяются их массой и процентным содержанием (или эквивалентным содержанием урана).

Рис. 64.

Существуют различные приборы с разной чувствительностью к г - излучению. Выбор оптимального прибора зависит от условий проведения г - съемки и требований, предъявляемых к ее результатам. Основная масса приборов производит измерения мощности экспозиционной дозы гамма излучения от 0,1 до 10000 мкр./ч в энергетическом диапазоне от 80 кэВ до 2,6 МэВ. Лабораторный г - метод применяется для установления содержания в пробах г - излучающих радиоактивных элементов. Измерения г - излучения проб производятся импульсным методом или со сцинтилляционными счетчиками. Применение этих счетчиков дает возможность производить г - измерения с высоким уровнем чувствительности. Далее следует сравнение активности исследуемой пробы с активностью эталона при одинаковых геометрических условиях c вытекающими расчетами.

Эти методы основаны на различии в интенсивности излучения, поглощения или отражения рентгеновского и радиоактивного излучений компонентами анализируемого вещества. Определение состава и концентрации производится по спектрам собственного излучения вещества, по поглощению радиоактивного излучения, по спектрам вторичного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов, г - и в -излучений с веществом. Радиоактивные методы широко применяются для экспертного анализа многокомпонентных сред, для анализа бинарных жидкостей, для определения концентраций тяжелых элементов в растворах, а также для измерения влажности продуктов, грунтов, торфов, строительных материалов, для измерения примесей в сверхчистых веществах.

В настоящее время существуют следующие методы регистрации ионизирующих излучений: ионизационный; сцинтиляционный; люминесцентный; фотографический; химический.

Ионизационный метод

Ионизационный метод основан на измерении ионизации в газе, заполняющем регистрационный прибор. Ионизация газа вызывается электронами, освобождающимися под действием фотонного излучения.

В ионизационной бесстеночной камере объемом V образуется q пар ионов на единицу объема, и если они все достигнут измерительных электродов, на которые подана разность потенциалов, то возникает ток насыщения (i):

где е - заряд иона.

Мощность экспозиционной дозы измеряют с помощью ионизационной камеры, ионизационный объем которой окружен твердой стенкой.

Соотношение между мощностью экспозиционной дозы и током насыщения в камере высчитывают следующим образом:

где р - мощность экспозиционной дозы, сГр/с;

а - коэффициент, определяемый по заряду, образующемуся в 1 см 3 камеры при р=1сГр/с;

и - массовый коэффициент поглощения фотонов в воздухе и стенках камеры; - средняя энергия ионообразования, необходимая для образования пары ионов в воздухе (=33,85эВ).

Чувствительность ионизационной камеры по мощности экспозиционной дозы определяют соотношением i/р.

Существенным недостатком ионизационных камер является их низкая чувствительность. Для повышения чувствительности камеры увеличивают ее объем, подбирают специальные материалы стенок и т.д. наиболее чувствительным детектором в дозиметрии фотонового излучения является газоразрядный счетчик. Число разрядов в счетчике N а за единицу времени и на единицу площади его поверхности составляет.

РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (а. radiometric analysis; н. Radioaktivitatsanalyse; ф. analyse radiometrique; и. analisis radiometriсоs) — измерение интенсивности и исследование спектрального состава гамма-, бета- и альфа-излучений, испускаемых ядрами природных радионуклидов. На измерении общей гамма-активности проб основана методика определения радия в пробах; при этом последовательно измеряют активность герметизированной пробы по мере накопления в ней радона и продуктов его распада — основных гамма-излучателей в урановом ряду. Раздельные измерения общей гамма- и бета-активности проб проводят для двухкомпонентного анализа — радия и урана в неравновесных рудах или урана и тория в рудах равновесных; при этом исходят из различия вкладов отдельных компонентов в измеряемые активности.

Гамма-спектрометрический метод основан на регистрации гамма-излучения проб в различных участках спектра, в которых преобладает излучение определяемых элементов; применяется главным образом для одновременного определения урана, радия, тория и калия в пробах. На избирательной регистрации излучений, связанных с последовательным распадом короткоживущих изотопов, основан способ временной селекции воспринимаемых излучений. Один из вариантов способа используется для определения в пробах изотопов радия (по измерениям RaC и ThC) путём регистрации запаздывающих бета-альфа совпадений. Селективные определения RaC и ThC, дополненные измерениями общей бета- и альфа-активности проб, позволяют определять в них содержание урана, радия, тория и калия.

При радиометрическом анализе помимо чисто инструментальных определений широко используют химическую подготовку проб; из пробы химическими методами выделяют интересующие радионуклиды, которые затем определяют радиометрическими приёмами. Радиохимический способ широко применяется для определения радия. Раствор с выделенным радием запаивается в барботер; после накопления в нём эманации (радона) её концентрацию определяют по измерению альфа-активности. При радиохимическом определении других радионуклидов (или их соотношений) для идентификации изотопов в приготовленных препаратах используются приёмы альфа-спектрометрии.

Для выяснения характера распределения радионуклидов на поверхности радиоактивного образца применяют радиографический метод. На полированную поверхность образца накладывают фотоплёнку, которая под воздействием ионизирующих частиц (преимущественно альфа-частиц) засвечивается. По плотности почернения фотоэмульсии (после проявления) судят о концентрации и распределении радионуклидов в образце.

Все указанные варианты радиометрического анализа основаны на относительном способе измерений, при котором содержание определяемого элемента в пробе сравнивается с его известным содержанием в препарате, принятым за эталонный.

метод анализа химического состава веществ, основанный на использовании радиоактивных изотопов и ядерных излучений. В Р. а. для качественного и количественного определения состава веществ используют радиометрические приборы (см. Детекторы ядерных излучений). Различают несколько способов Р. а. Прямое радиометрическое определение основано на осаждении определяемого иона в виде нерастворимого осадка избытком реагента известной концентрации, содержащего радиоактивный изотоп с известной удельной активностью. После осаждения устанавливают радиоактивность осадка или избытка реагента.

Радиометрическое титрование основано на том, что определяемый в растворе ион образует с реагентом малорастворимое или легкоэкстрагируемое соединение. Индикатором при титровании служит изменение, по мере введения реагента, радиоактивности раствора (в 1-м случае) и раствора или экстракта (во 2-м случае). Точка эквивалентности определяется по излому кривой титрования, выражающей зависимость между объёмом введённого реагента и радиоактивностью титруемого раствора (или осадка). Радиоактивный изотоп может быть введён в реагент или определяемое вещество, а также в реагент и определяемое вещество.

Метод изотопного разбавления основан на тождественности химических реакций изотопов данного элемента. Для его осуществления к анализируемой смеси добавляют некоторое количество определяемого вещества m 0 , содержащего в своём составе радиоактивный изотоп с известной радиоактивностью I 0 . Затем выделяют любым доступным способом (например, осаждением, экстракцией, электролизом) часть определяемого вещества в чистом состоянии и измеряют массу m 1 и I 1 радиоактивность выделенной порции вещества. Общее содержание искомого элемента в анализируемом объекте находят из равенства отношений радиоактивности выделенной пробы к радиоактивности введённого вещества и массы выделенного вещества к сумме масс введённого вещества и находящегося в анализируемой смеси:

При активационном анализе (См. Активационный анализ) исследуемое вещество облучают (активируют) ядерными частицами или жёсткими γ-лучами, а затем определяют активность образующихся радиоактивных изотопов, которая пропорциональна числу атомов определяемого элемента, содержанию активируемого изотопа, интенсивности потока ядерных частиц или фотонов и сечению ядерной реакции образования радиоактивного изотопа.

Фотонейтронный метод основан на испускании нейтронов при действии фотонов высокой энергии (γ- квантов) на ядра атомов химических элементов. Количество нейтронов, определяемое нейтронными детекторами (См. Нейтронные детекторы), пропорционально содержанию анализируемого элемента. Эта энергия фотонов должна превышать энергию связи нуклонов в ядре, которая для большинства элементов составляет Радиометрический анализ 8 Мэв (лишь для бериллия и дейтерия она равна соответственно 1,666 Мэв и 2,226 Мэв ; при использовании в качестве источника γ-квантов изотопа 124 Sb, с E γ = 1,7 и 2,1 Мэв, можно определять бериллий на фоне всех др. элементов).

В Р. а. применяются также методы, основанные на поглощении нейтронов, γ-лучей, β-частиц и квантов характеристического рентгеновского излучения радиоактивных изотопов. В методе анализа, основанном на отражении электронов или позитронов, измеряется интенсивность отражённого потока. Энергия частиц, отражённых от лёгких элементов, во много раз меньше энергии частиц, отражённых от тяжёлых элементов, что позволяет определять содержание тяжёлых элементов в их сплавах с лёгкими элементами и в рудах. См. также Радиохимический анализ.

Лит.: Крешков А. П., Основы аналитической химии, книга 3 - Физико-химические (инструментальные) методы анализа, 3 изд., М., 1970; Несмеянов Ан. Н., Радиохимия, М., 1972.

• - прибор для измерения активности естественных или искусственных источников ионизирующих излучений...

  Большой медицинский словарь

• - комплекс организационных и технических мероприятий по определению интенсивности ионизирующего излучения радиоактивных веществ, содержащихся в окружающей среде, и/ или степени радиоактивного загрязнения людей,...

  Гражданская защита. Понятийно-терминологический словарь

• - метод определения качеств. и количеств. состава в-ва, основанный на использовании радионуклидов, обычно вводимых в реагенты или образующихся в анализируемом в-ве под действием ядерных частиц или жёстких гамма-лучей...
• - манометр, действие к-рого основано на радиометрич. эффекте. Две пластины, имеющие разные темп-ры, отталкиваются друг от друга...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - возраст минералов и горн. пород, а также органич. остатков, определяемый по накоплению в них продуктов распада природных радионуклидов...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - - измерение интенсивности и исследование спектрального состава гамма-, бета- и альфа-излучений, испускаемых ядрами природных радионуклидов...

  Геологическая энциклопедия

• - см. Радиологический возраст...

  Геологическая энциклопедия

• - метод анализа химического состава веществ, основанный на использовании радиоактивных изотопов и ядерных излучений...

  Большая Советская энциклопедия

• - метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на использовании радионуклидов, обычно вводмых в реагенты или образующихся в анализируемом веществе под действием ядерных частиц или...
• - манометр, действие которого основано на радиометрическом эффекте. Две пластины, имеющие разные температуры, отталкиваются друг от друга...

  Большой энциклопедический словарь

• - возраст минералов и горных пород, а также органических остатков, определяемый по накоплению в них продуктов распада природных радионуклидов...

  Большой энциклопедический словарь

• - ...
• - ...

  Орфографический словарь-справочник

• - радиометр"...

  Русский орфографический словарь

• - ...

  Формы слова

• - прил., кол-во синонимов: 1 рентгено...

  Словарь синонимов

"Радиометрический анализ" в книгах

107. Факторный анализ фондоотдачи. Анализ использования оборудования