Способ направленного детектирования гамма-излучения горных пород

Способ направленного детектирования гамма-излучения горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД с применение экранированного спектрометрического детектора гаммаизлучения , отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и расширения возможностей применения, детектор экранируют в направлении детектирования, регистрируют интенсивность гамма-излучения в двух энергетических интервалах, первый из которых включает низкоэнергетическое гамма-излучение, а второй - высокоэнергетическое гамма-излучение , и по разности интенсивности гамма-излучения в указанных интервалах судят об интенсивности гамма-из (О лучения определяемых элементов в направлении детектирования.

СООЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБ ЛИН (19) (1!) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3605783/18-25 (22) 15.06.83 (46) 07.11.86. Бюл. М - 41 (71) Свердловский ордена Трудового

Красного Знамени горный институт им. В.В. Вахрушева (72) А.В. Давыдов и И.Г. Сковородников (53) 550.85(088.8) (56) Нагля В.В., Овчинников Л.И.

Радиометрические и ядерно-геофизические методы разведки. М., "Недра", 1982, с. 238-243, Шашкин В.Я. Опробование ралиоактивных руд по гамма-излучению,М, Атомиздат, 1972, с. 140-265.

y!) 4 G 01 V 5/00, С 01 N 23/00 (54) (57) СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД с применение экранированного спектрометрического детектора гаммаизлучения, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и расширения возмошностей применения, детектор экранируют в направлении детектирования, регистрируют интенсивность гамма-излучения в двух энергетических интервалах, первый из которых включает низкоэнергетическое гамма-излучение, а второй — высокоэнергетическое гамма-излучение, и по разности интенсивности гамма-излучения в указанных интерва- g

O лах судят об интенсивности гамма-излучения определяемых элементов в направлении детектирования..

11221

В этом способе для отделения гамма-излучения исследуемого участка породы от мешающего излучения сдседних пород используют либо радиометры направленного приема, либо обычные полевые радиометры, детектор которых помещают в свинцовый экран, имеющий прорезь со стороны исследуемой породы.

В этом случае для выделения гаммаизлучения исследуемого участка к нему прикладывают открытой стороной

55

Изобретение относится к области ядерно-геофизических и радиометрических методов опробования горных пород и может быть использовано в геолого-разведочной практике при поисках и разведке месторождений радиоактивных элементов, а также в комплексе с другими ядерно-геофизическими методами разведки.

Известен способ детектирования 10 гамма-излучения горных пород,. в частности, в шпурах и скважинах, заключающийся в измерениях интенсивности гамма-излучения радиометром с неэкранированным детектором. Недостаток 15 этого способа состоит в том, что на детектор попадает излучение от довольно большого объема горной породы, на фоне которого невозможно выделить излучение отдельных исследуемых участ-20 ков.

В частности, невозможно выделить излучение призабойной области шпура, изучение которой представляет наибольший интерес, т.к. излучение при- 25 забойной области шпура несет информацию о содержании радиоактивных элементов в породах, которые еще не пересечены шпуром и залегают ниже (или дальше) его забоя. Невозможность направленного измерения интенсивности гамма-.излучения от приэа1 бойной части шпура приводит к разубоживанию руды при опробовании взрывных шпуров на месторождениях руд (эа счет отпалки пустых пород при черезмерном заглублении шпуров) или к пропуску первичных ореолов рассеяния радиоактивных элементов в коренных породах при поисках месторождений. . 40

Наиболее близок к изобретению способ направленного детектирования гамма-излучения горных пород с применением экранированного спектрометрического детектора гамма-излучения.

26 j экран с детектором радиометра и производят два намерения интенсицностн излучения: первое — с открытой прорезью в экране, а при втором измерении про1 езь закрывают специальным свинцовым вкладышем. Разница между первым и вторым измеряемыми и характеризует излучение исследуемого участка.

Описанный способ прост и достаточно точен, что обеспечивает его широкое распространение при поисках и разведке месторсакдения радиоактивных руд.

Однако этот способ имеет ограниченную производительность иэ-за необходимости двух измерений в одной точке и не применим при гамма-опробовании горных пород в шпурах ограниченного диаметра,где невозможно поместить детектор радиометра с экраном, а бурение шпуров большего диаметра экономически невыгодно.

Цель изобретения — повышение производительности и расширение возможности применения способа направленного детектирования гамма-излучения горных пород.

Цель достигается тем, что в способе направленного детектирования гамма-йзлучения горных пород с применением экранированного спектрометрического детектора гамма-излучения, детектор экранируют в направлении детектирования, регистрируют интенсивность гамма-излучения в двух энергетических интервалах, первый из которых включает низкоэнергетическое гамма-излучение, а второй — высокоэнергетическое гамма-излучение, и по разности интенсивностей гаммаизлучения в указанных интервалах судят об интенсивности гамма-излучения определяемых элементов в направлении детектирования.

При регистрации интенсивности гамма-излучения в каждом из энергетических интервалов учитывают чувствительность детектора к излучению данной энергии и ослабление излучения при прохождении его через экран.

В предложенном техническом решении в отличие от известных для выделения излучения исследуемой области на фоне мешающего излучения соседних участков детектор экранируют не со стороны мешающего излучения, а наоборот, со стороны исследуемой области.

3 1122

Экранирование детектора от исследуемой области приводит к тому, что с этой стороны экраном поглощается низкоэнергетическая составляющая гаммаизлучения и на детектор попадает толь. 5 кб гамма-излучение достаточно высокой энергии, прошедшее через экран, тогда как от вмещающих пород на детектор попадает все гамма-излучение, как низких, так и высоких энергий. Это 10 создает необходимое различие в энергии излучения исследуемой. области и соседних участков, что и выявляют по разности интенсивностей гаммаизлучения в двух энергетических ин- 15 тервалах: низкоэнергетическом, интенсивность в котором характеризует вклад окружающих пород, и высокоэнергетическом, интенсивность в котором определяет, преимущественно, 2п вклад исследуемой области.

На фиг. 1 изображен датчик для шпурового гамма-опробования по предложенному способу и геометрия измере-. ний излучения исследуемой области 25 и окружающих пород; на фиг. 2 — энергетическое распределение гамма-излучения исследуемой (призабойной) области шпура и окружающих пород на фиг. 3 — диаграмма направленности приема излучения датчика шпурового, гамма-опробования в предложенном способе; на фиг. 4 — результаты применения предложенного способа гаммаопробования при картировании контакта горных пород с различным содержа1 нием радиоактивных элементов под слоем наносов.

Датчик шпурового гамма-опробования согласно предложенному способу .,щ (см.фиг.1) содержит так же, как и в способе — прототипе, металлический защитный корпус 1, в котором размещены сцинтилляционный детектор гаммаизлучения 2 и фотоэлектрический умно-45 житель,(ФЭУ) 3. В отличие от прототипа, здесь же располагается экран 4, поглощающий низкоэнергетическое излучение со стороны забоя шпура. Экран 4 имеет форму круглой пластины

-и изготовлен из материала с большой плотностью, например, свинца.

Полный дифференциальный спектр естественного гамма-излучения горных пород при его непосредственной регистрации открытым детектором в диапазоне энергий до 500 кэВ приведен на фиг. 2 — кривая КДО„) . Максимум

126 4 спектра располагается в диапазоне энергии порядка 100 кэВ и соответствует многократно рассеянным в горных породах гамма-квантам. Интенсивность рассеянного излучения зависит от эффективного атомного номера горных пород Z . Для исключения влияния Z на определение содержания радиоактивных элементов применяют либо дискриминацию рассеянного гамма-излучения, т.е. регистрацию гамма-квантов с энергетическим порогом

200-250 кэВ, либо поглощение рассеянного излучения специальным экраном, роль которого играет металлический корпус 1 датчика (сталь плюс небольшой, до 1,5 мм, слой свинца).

После прохождения металлического корпуса спектральное распределение гамма-квантов от горных пород имеет форму, пример которой приведен на

I фиг. 2 — кривая К (Д „ ) . При поглощении рассеянного излучения металлическим корпусом энергетический порог регистрации может быть установлен на уровне Е, порядка 20-40 кэВ (фиг.2), что повышает стабильность измерений, Пороги Е, и Е, по измеряемой интенсивности излучения для своих условий измерений являются эквивалентными.

Для создания различия в формах регистрируемых спектров гамма-излучения от окружающих пород К (J,„ ) или Й (3,„ ) и от пород призабойной области Й (Д„ ) или Й (3„ ) детек тор излучения спектрометрического типа, например, сцинтилляционный детектор 2 на фиг. 1, экранируют от излучения пород призабойной области экраном 4, толщину которого выбирают такой, чтобы в области низкоэнергетического гамма-излучения спектр гамма-квантов, проходящих. на детектор через экран от призабойной области, существенно отличался от спектра излучения окружающих пород.

Примеры спектров приведены на фиг.2;

Й(„) для открытого детектора и и (S„) для детектора в металлическом корпусе.

При выше сформулированных условиях измерений осуществляют регистрацию интенсивности гамма-излучения в двух энергетических интервалах спектра излучения. Энергетические интервалы регистрации выбирают таким образом, чтобы вклады излучения

3 11221 призабойной области 3„ и окружающих пород 3,„ в суммарную регистрируемую интенсивность в каждом энергетическом интервале существенно различались формы спектров (фиг.2), первый энергетический интервал устанавливают таким, чтобы он включал ниэкоэнергетическую часть излучения

J от окружающих пород, т.е. ту часть, которая для излучения 3„ в максималь- 1О ной степени поглощается экраном: интервал Е, — Е для спектра и (3 „ ) или интервал Е, — Е для М (3 „), Если

K пород имеет стабильный характер, то для спектра Н (3,„) в регистриру- 1S емую интенсивность может включаться интервал E — Е . Основное условие для установления нижней границы первого энергетического интервала регистрации — чтобы гамма-кванты ниже 20 пороговой энергии, приходящие со стороны пород забоя гапура, существенно поглощались экраном 4 (фиг.1), через который проходит их путь к детектору, т.е. коэффициент их поглощения в эк- 25 ране (вероятность поглощения) должен быть не менее 0,50, что обеспечивает достаточную для измерений .разницу в форме спектров. Верхняя граница энергий регистрируемых гамма- З0 квантов в первом интервале может включать либо все высокоэнергетическое естественное гамма-излучение (в том числе проходящее через экран), либо может быть ограничена по какойлибо величине, например, по значению порога E, где различие в форме спектра излучения от окружающих пород 11 (3 „ ) или 11 (3,„ ) и в форме спектра, проходящего через экран 4, 40

Н(3„) начинает сглаживаться. Принципиального значения для способа это не имеет.

Второй энергетический интервал измерений выбирают таким образом, что- 45 бы в нем регистрировалось, в основном, высокоэнергетическое излучение пород призабойной области, проходящее на детектор 2 через экран 4 с малой степенью ослабления, т.е. коэффици- б ент поглощения которого в экране су- . щественно ниже поглощения низкоэнергетического излучения, например — с порогом E, где форма спектра излучения N (J„), проходящего от забоя на детектор через экран, начинает приближаться к форме спектра излучения от окружающих пород.

i. 6 Ь

При таких условиях интенсивность (скорость счета) импульсов г1, в первом энергетическом интервале и n во втором энергетическом интервале будут определяться выражениями: 3оп >

2 20" оп где E Š— чувствительности детектора (в единицах скорости счета импульсов на единицу интенсивности гамма-излучения) соответственно в первом и во втором энергетических интервалах спектра к излучению от пород призабойной области, проходящему через экран, и к излучению от окружающих пород(Е,, g ); са — коэффициент ослабления экраном излучения от приэабойной области.

Совместное проведение измерений п, и п позволяет определить значение интенсивности излучения 3„ от пород призабойной области;

1 (3=,, ь- — и, (2)

Е, Е

e(f E -Е,E )I

Для установленных значений порогов регистрации (энергетических интервалов регистрации) и конструкции датчика значения всех коэффициентов

E и аС в уравнении (2) являются постоянными, откуда:

Зх 11(" В где A и Ь вЂ” постоянные коэффициенты датчика опробования. Интенсивность гамма-излучения от приэабойной области зависит от содержания в ней ра" диоактивных элементов : (4)

З„=к, где K — - пересчетный коэфФициент в единицах. интенсивности излучения на единицу содержания радиоактивных элементов.

Отсюда:

g = „(n,-Вп,) = К,(п,-Sn,). О)

А

Значения постоянных коэффициентов

K и 4 определяют опытным путем при измерениях на моделях исследуемой среды с двумя известными содержаниями радиоактивных элементов и

11?2

В реальных условиях измерений (фиг.1) присутствуют не только иэлу1 чения 3,„и 3„, но и излучения ) ! и 3 „, гамма=кванты которых проходят

I через часть то щины экрана 4 (3 „—

1 в малой степени, 3 „ — в большей степени), поэтому фактические коэффициенты o(и Я будут несколько отличаться от чисто теоретических, рассчитанных по спектрам на фигуре 2, т.е. 10 иметь эффективные значения и определять соответствующую эффективную направленность приема гамма-излучения по формуле (3), которая, как и в датчиках направленного приема, харак- 1S териэуется угловой чувствительностью и пример которой приведен на фигуре

3. Эффективный угол направленности приема излучения датчика, определя-. ющий размеры зоны опробования в при- 20 забойной области, соответствует углу (относительно оси датчика) на половине максимума угловой чувствительности датчика опробования. Как видно из фиг.3, способ обеспечивает четкую направленность гамма-опробования на призабойную область. Эффективный угол направленности зависит от соотношения размеров (диаметров) детектора 2 и экрана 4, расстояния 30 между центрами детектора и экрана, и дополнительно может изменяться путем изменения энергетических интервалов регистрации интенсивностей

П, и п (через соответствующее изменение коэффициентов Е и, в первую

126 8 очередь, /Я, ) и изменением толщины экрана (через изменение коэффициента К ).

На фиг. 3 приведены результаты лабораторного измерения угловой чувствительности датчика, на фиг. 4— сравнительные результаты измерений при проведении профильной шпуровой гамма-съемки известным способом— кривая 5 и предложенным способом направленного детектирования гаммаизлучения — кривая 6.

Измерения проведены по чехлу рыхлых отложений 7, мощность которого по профилю изменяется от 0,2 до 1,5 метров, что вызывает существенные флюктуации измеряемой интенсивности гамма-излучения при использовании способа ненаправленного в сторону забоя измерения излучения и практическую невозможностью четкого выделения границы двух типов пород— габоро 8 и гранодиоритов 9 по данным обычной шпуровой гамма-съемки. Анализ данных предложенного способа направленного детектирования гаммаизлучения показывает, что его результаты имеют повышенную точность sa счет измерения гамма-излучения коренных пород, при этом мощность рыхлых отложений 8 и содержание в них радиоактивных элементов мало влияют на результаты измерений, а граница двух типов пород 9 и 10 разной радиоактивности выделяется с высокой точностью и достоверностью.

112? 126

Корректор В. Бутяга

Редактор Н. Коляда

Техред М.Ходанич

Подписное

Заказ 6054/1 Тираж 728

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делай изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4