Способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению

 

Использование: при опробовании радиоактивных горных пород и руд в обнажениях, в горных выработках, а также при опробовании отбитой горной массы на транспортных потоках. Сущность изобретения: локализуют участок опробования с помощью экрана, проводят измерения обоих интенсивностей излучения с экраном и без экрана в присутствии дополнительного экрана, помещаемого на поверхности исследуемой горной породы или руды. При этом размеры экрана в плане равны размерам локализованного участка опробования, а толщина экрана в любой его точке определяется по формуле: d(x_i,y_i) = lnP(x_iy_i,h,m)P(x_i,y_i,h,m)/μρ где x_i и y_i - текущие координаты точки, для которой ведется расчет толщины экрана; - координаты границы информативной области в i-м сечении перпендикулярном плоскости X Y; P(x_i, y_i, h, m) - весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами x_i и y_i, стер. м; P(, h, m) - весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами на границе информативной области в сечении, проходящем через точку с координатами x_i, y_i, стер. м; μ - массовый коэффициент поглощения гамма-излучения, испускаемого радиоактивными источниками в исследуемой горной породе или руде, кг/м²; r - плотность материала экрана, кг/м³; h - высота расположения центра детектора над излучающей поверхностью, м; m - половина длины детектора, м. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области прикладной геофизики и может быть использовано при опробовании радиоактивных горных пород и руд как в обнажениях, так и в горных выработках. Кроме того, оно может использоваться при опробовании отбитой горной массы на транспортных потоках обогатительных фабрик.

Известны способы опробования, основанные на измерениях гамма-излучения локализованных участков опробуемых горных пород и руд. Локализация необходима для устранения влияния гамма-излучения пород и руд, окружающих место опробования.

Известен способ опробования радиоактивных руд с направленным приемом излучения (Разведочная ядерная геофизика. Справочник геофизика. М. Недра, 1986, с.271 272). Этот способ предлагает локализацию опробуемого участка породы или руды с помощью детектора с направленной чувствительностью, состоящего из двух счетчиков, основного и компенсационного, разделенных экраном. Сигналы от обоих счетчиков поступают на счетное устройство и там вычитаются. По величине разности сигналов судят о содержании радиоактивного элемента в горной породе или руде. Этот способ имеет существенное ограничение области применения, а именно, он эффективно используется лишь в слабодифференцированных гамма-полях.

К недостаткам следует отнести также невысокую точность по сравнению с другими способами опробования радиоактивных руд по гамма-излучению.

Известен способ опробования (прототип), основанный на измерениях гамма-излучения с экранами и без экранов (способ разностного эффекта). Наиболее полное обоснование и описание способа (Граммаков А.Г. Шашкин В.Д. Ширяева М. В. Руководство по гамма-опробованию радиоактивных руд в естественном залегании, Госатомиздат, 1959, с. 10 23).

Сущность этого способа заключается в том, что для локализации опробуемого участка производится два измерения без экрана и с экраном, помещаемым между исследуемой радиоактивной горной породой или рудой и детектором излучений. Оценку содержания радиоактивного элемента в руде или породе производят по разности зарегистрированных значений интенсивностей излучения (по разностному эффекту). При этом влияния пород, окружающих опробуемый участок, исключается, т.к. интенсивность этого излучения входит слагаемым в обе зарегистрированные интенсивности и следовательно, при вычитании сокращается. Опробуемый участок или область, для которой получают информацию о содержании радиоактивного элемента, ограничена на глубине длиной пробега гамма-квантов с данной энергией излучения в горной породе или руде, а в плане ограничена контуром на поверхности руды, из пределов которого излучаемые породой или рудой гамма-кванты могут поглощаться экраном. Плановые размеры этой информативной области определяются взаимным расположением экрана относительно детектора излучения, а также размерами и формой экрана.

Рассматриваемый способ нашел широкое применение в практике гамма-опробования, причем его используют не только при регистрации интегральной интенсивности излучения, но и при работе в спектрометрическом режиме. Способ прост как в практической реализации, так и интерпретации результатов, достаточно оперативен, что имеет важное значение при решении производственных задач.

Однако данный способ, равно как и способ направленного приема излучения не учитывают, что интенсивность регистрируемого излучения зависит не только от содержания радиоактивного элемента в руде, но и от положения излучателей в информационной области относительно детектора излучения (Попов Э.П. Вишняков Э. Х. О влиянии интегрирующего действия детектора при измерении гамма-полей. М. Геология и разведка, изв.ВУЗов, 1973, N 11, с. 90-94). Это является одним из основных факторов, определяющих погрешность оценки данными способами содержания радиоактивных элементов в горных породах и рудах.

Изобретение решает задачу снижения погрешности определения содержания радиоактивных элементов.

На фиг. 1 изображена схема измерения (1 исследуемая среда; 2 детектор излучения; 3 экран для создания разностного эффекта; 4 дополнительный экран, -x' x' точки, ограничивающие информативную область в плоскости чертежа; h высота расположения детектора над исследуемой горной породой или рудой); на фиг. 2 график весовой функции R(x, h, m) для условий: детектор_NaI(Tl) диаметром 0.10 м и длиной 0.1 м помещен над излучающей поверхностью на высоте h 0.23 м (ось детектора перпендикулярна к излучающей поверхности); на фиг.3 разрез через центр дополнительного экрана, выравнивающего вклад в измеренную интенсивность излучения, связанный с расположением получателей относительно детектора излучения на уровне значений, соответствующих этому показателю в точке с координатой x' 0,2 м и для случая, когда центр сцинтилляционного детектора Na1 (Tl) размером 0,1х0,1 м расположен на высоте 0,23 м от излучающей поверхности; на фиг.4 слоистая модель излучающей среды, где Д-детектор излучения с размерами 100х100 мм, расположенный над исследуемой средой на высоте h 0,23 м; мощности слоев, м; С-содержание калия в слое, цифры в кружках средние значения весовой функции детектора для каждого слоя, умноженные на 10², цифры в прямоугольниках значения содержания калия, которые соответствуют интенсивностям излучения после выравнивания вклада в ее величину, обусловленного расположением излучателей слоя относительно детектора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что измерения интенсивности как с экраном для создания разностного эффекта, так и без экрана производят в присутствии дополнительного экрана, выравнивающего вклад в измеряемую интенсивность излучения, обусловленный различным положением излучателей относительно детектора излучения. При этом экран помещают на исследуемой поверхности горной породы или руды, причем, размеры экрана в плане равны размерам информативной области, а толщина экрана в любой точке определяется по формуле: где x_i, y_i текущие координаты точки, для которой ведется расчет толщины экрана; координаты границы информативной области в i-ом сечении перпендикулярном плоскости xy; P(x_i, y_i, h, m) весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами x_i, y_i, стер. м; весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами на границе информативной области в сечении, проходящем через точку с координатами x_i, y_i, стер. м; μ массовый коэффициент гамма-излучения, испускаемого радиоактивными источниками в исследуемой горной породе или руде, кг/м²; r плотность материала экрана, кг/м³.

Сущность изобретения может быть пояснена следующим образом.

Известно, что интенсивность излучения источника мощностью Q определяется выражением: где P(x, h, m) весовая функция детектора, представляющая собой телесный угол, под которым детектор, ось которого ориентирована параллельно излучающей поверхности, виден из точки расположения источника, стер. м;
h высота расположения центра цилиндрического детектора над излучающей поверхность, м;
m половина длины детектора, м;
x координата точки расположения источника по оси, проходящей по поверхности излучающей среды.

Величину P(x, h, m) можно определить из выражения:

где R радиус сцинтилляционного детектора, м.

Из (1) видно, что интенсивность излучения определяется не только мощностью источников радиоактивного излучения на поверхности среды, но и расположением источников относительно детектора.

Если между детектором и излучающей средой поместить свинцовый экран толщиной d, то интенсивность прошедшего через экран излучения будет:

где r плотность материала экрана (для свинца r 11350 кг/м³)
m массовый коэффициент ослабления излучения источников материалом экрана, м²/кг;
d толщина экрана, см.

Для того, чтобы интенсивность регистрируемого детектором излучения не зависела от расположения источника на поверхности исследуемой среды, необходимо выполнять условие:
P(x,h,m)·e^-μρ^d== const = B, (4)
где B некоторая постоянная.

Перепишем (4) в виде:

где K(x) кратность ослабления излучения, обеспечиваемая дополнительным экраном для источника, расположенного в точке с координатой x;
μ массовый коэффициент поглощения для материала, из которого изготовлен экран для энергии излучения, определяемой радиоактивным элементом в горной породе или руде ²/кг;
r плотность материала экрана, кг/м³:
Таким образом, толщина экрана, с помощью которого обеспечивается выполнение условия (4), переменна и зависит от координаты X. Поскольку величина P(x, h, m) максимальна при X O (в точке пересечения нормали к излучающей поверхности, проходящей через центр детектора) в соответствии с уравнением (5) кратность ослабления, а следовательно, и толщина дополнительного экрана максимальны в точках его пересечения с указанной выше нормалью.

Размеры в плане дополнительного экрана, выравнивающего вклад в измеренную интенсивность излучения, обусловленный различием положения излучателей относительно детектора, должны быть равны размерам в плане информативной области, т.к. все гамма-кванты, вылетевшие из области участвуют в формировании разностного эффекта, по которому судят о содержании радиоактивного элемента в горной породе или руде. Вследствие этого в качестве величины B будем принимать значение весовой функции для излучателей, находящихся на границе информативной области.

Кратность ослабления, обеспечиваемую дополнительным экраном, в любой точке оси X можно определить из выражения:

где P(x, h m) значение весовой функции в точке с координатой X;
P(x', h, m) значение весовой функции в точке с координатой X x', соответствующей границе информативной области, стер. м;
Из (6) следует, что в точке с координатой x' кратность ослабления равняется единице, а следовательно, толщина экрана равняется нулю.

В общем виде зависимость d от X имеет следующий вид:

Очевидно, что весовая функция, являющаяся пространственной характеристикой измерительной установки, зависит не только от координаты X, но и от Y и Z. Если направить ось Z перпендикулярно оси X в плоскости чертежа (фиг.1), то зависимость от координаты заложена в выражении (2), определяющем весовую функцию это параметр h. Естественно, что весовая функция будет зависеть и от координаты Y (ось Y направлена перпендикулярно к плоскости чертежа (фиг.1), т.е. P P(x, y, h, m).

Тогда выражение (7) примет вид:

где x' и y' координаты границы информативной области в i-ом сечении, проходящем через точку с координатами x_i и y_i, и параллельном сечению, проходящему через ось детектора перпендикулярно к излучающей поверхности.

Зная распределение весовой функции по осям X и Y, воспользовавшись зависимостью (8), можно рассчитать толщину экрана в любой его точке.

Для цилиндрических детекторов, ось которых ориентирована параллельно излучающей поверхности, весовая функция, необходимая для расчета толщины экрана, может быть рассчитана как по формуле (2), так и определена экспериментально.

Для случая, когда ось детектора ориентирована перпендикулярно к излучающей поверхности (этот случай чаще всего встречается в практике опробования), теоретическая зависимость весовой функции от геометрических параметров измерительной установки пока не известна. Поэтому ее следует получать экспериментальным путем для сцинтиллятора конкретных размеров.

Для условий измерений способом-прототипом справедливы следующие выражения:

где I_б.э интенсивность излучения, зарегистрированная при отсутствии экрана, использующегося для создания разностного эффекта, усл. ед.

I_э то же в присутствии этого экрана, усл. ед.

I(C, L)_инф интенсивность излучения, поступающего из информативной области, зависящая от содержания радиоактивного элемента в горной породе или руде (C) и геометрических параметров (L), определяющих положение источников излучения относительно детектора и размеры последнего, усл. ед.

I_ф интенсивность излучения от источников за пределами информационной области, усл. ед.

K кратность ослабления излучения, обеспечиваемая экраном;
ΔI разностный эффект, зависящий от C и L, усл. ед.

a постоянный коэффициент.

При использовании предлагаемого способа разностной эффект не зависит от L, а является только функцией содержания радиоактивного элемента в исследуемой породе или руде, т.е.

ΔI = f(C)
Поскольку при практической реализации способа-прототипа положение излучателей на поверхности информативной области относительно детектора не учитывается, то с этим фактором связана определенная погрешность в определении содержания радиоактивного элемента в горной породе или руде. При использовании предлагаемого способа эта составляющая погрешности исключается, поэтому суммарная погрешность определения содержания радиоактивных элементов значительно уменьшается.

Таким образом, реализация способа-прототипа обеспечивает решение поставленной задачи снижение погрешности определения содержания радиоактивного элемента в породе или руде.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Для сцинтиллятора с размерами R и m, использующегося при измерениях, рассчитывается весовая функция детектора, центр которого приподнят над излучающей поверхностью на заданную высоту h P(x, y, h, m). Эта же функция может быть получена экспериментально путем перемещения точечного источника на расстояниях от центра детектора по линии, проходящей либо параллельно оси детектора (в случае расположения оси детектора параллельно излучающей поверхности при измерениях содержаний радиоактивного элемента), либо вдоль линии, проходящей параллельно торцу детектора (в случае, когда ось детектора перпендикулярна к излучающей поверхности).

2. Определяются координаты проекции на оси X и Y границы информативной области для любого сечения и рассчитывается весовая функция для этого сечения P(x', y', h, m).

3. По формуле (8) рассчитывается зависимость толщины экрана в любой его точке d (x_i, y_i).

4. Экран (фиг.1, поз.4)с параметрами, полученными в результате расчетов, помещается на поверхности излучающей среды.

5. Производится два измерения интенсивности излучения с экраном (3) и без экрана.

6. Рассчитывается разность интенсивностей ΔI являющаяся функцией содержания радиоактивного элемента в излучающей породе или руде.

7. По величине ΔI определяется содержание радиоактивного элемента.

Рассмотрим конкретный пример выполнения способа.

На фиг.2 показана экспериментально полученная весовая функция детектора, центр которого расположен на высоте, 0,23 м от излучающей поверхности, а ось детектора ориентирована перпендикулярно к этой поверхности. Размеры сцинтилляционного детектора NaI(Tl) составляют: радиус R 0,05 м, длина 2m 0,1 м.

На фиг.3 в качестве примера приведены результаты расчетов толщины экрана в сечении, проходящем через плоскость XZ. Расчет проводился по формуле (7) при P(x', h, m) 1.72·10^-2 стер. м. Толщина экрана рассчитывалась для условий поглощения гамма-излучения изотопа K⁴⁰ с энергией 1,46 МэВ.

Были выполнены измерения в калийном руднике при опробовании сильвинита на стенке горной выработки. Сильвинит характеризуется неравномерным распределением содержания калия по площади обнажения, а следовательно, неравномерным распределением излучающего гамма-кванты изотопа K⁴⁰. Измерения выполнялись по предлагаемому способу с двумя экранами, а также с дополнительным, создающим разностный эффект (свинцовая пластинка толщиной 0,02 м), выравнивающим весовую функцию детектора. Результаты измерений сравнивались с результатами химического анализа проб сильвинита, отобранных с поверхности информационной области. Полученные данные приведены в таблице.

Анализ данных таблицы свидетельствует о вполне удовлетворительной сходимости результатов оценки содержания калия в сильвинитовой руде по данным измерений предлагаемым способом с данными химанализов.

Оценку эффективности предлагаемого способа произведем путем сопоставления расчетного содержания хлористого калия, определяемого способом-прототипом и предлагаемым способом на слоистой модели (фиг.4).

Пусть детектор излучения (сцинтиллятор NaI(Tl) размером 0,1х0,1 м) расположен на высоте 0,23 м от излучающей поверхности над центром слоя с содержанием хлористого калия 19% По зависимости (фиг.2), найдем значения весовой функции для границ слоев. Для некоторого упрощения, охарактеризуем каждый слой средним значением весовой функции. Эти значения, умноженные на 10², показаны на фиг.4 цифрами в кружках.

Среднее содержание хлористоого калия в модели (истинное содержание хлористого калия составляет 22,14% При использовании способа-прототипа с учетом весовой функции детектора получаем содержание хлористого калия равное средневзвешенному значению содержания хлористого калия в модели (взвешивание производится по весовой функции):

При использовании предлагаемого способа дополнительный экран выравнивает дополнительную функцию до уровня, соответствующего значению этой функции на краевых слоях, т.е. до 1,9. В результате интенсивность регистрируемого излучения для каждого слоя будет понижаться в l_i/1,9 раз (где l_i среднее значение весовой функции для каждого слоя). Это равнозначно тому, что содержание калия в слое как бы уменьшается во столько же раз. На фиг.4 эти содержания приведены в прямоугольниках. Тогда среднее содержание хлористого калия в модели:

где K 1,3 средняя кратность ослабления излучения с энергией 1,46 МэВ экрана со средней толщиной 0,05 м.

Как видно из приведенных расчетов, при использовании способа-прототипа абсолютная погрешность определения содержания хлористого калия составляет:
C 24,39 22,14 + 2,25%
Тот же показатель для способа-прототипа составляет:
C 22,47 22,14 + 0,35%
Таким образом, абсолютная погрешность определения содержания хлористого калия предлагаемым способом значительно меньше того же показателя для способа-прототипа.

В настоящее время способа опробования с использованием двух экранов внедряется при опробовании калийных руд на Верхнекамском месторождении.

Опробование по заявленному способу по стенкам горных выработок позволит более точно оценивать содержание полезного компонента в руде, что, в конечном счете, повысит качество геотехнологического картирования калийных руд на участках предлагаемого отработки.

Опробование данным способом отбитой горной массе позволит повысить точность оценки содержания калия в руде, направляемой на переработку, что в итоге даст возможность экономить дорогостоящие материалы, используемые при флотационном обогащении руд или их галургической переработке.

Формула изобретения

Способ опробования радиоактивных горных пород и руд по их естественному гамма-излучению, включающий измерение интенсивностей излучения без экрана и с экраном с помощью сцинтилляционного детектора, расчет разности этих интенсивностей и оценку содержания радиоактивного элемента в пределах локализованного участка горной породы или руды, отличающийся тем, что оба измерения производят в присутствии дополнительного экрана, который помещают на исследуемой поверхности горной породы или руды, причем размеры экрана в плане равны размерам локализованного участка, а толщина экрана в любой его точке определяется по формуле

где x_i и y_i текущие координаты точки, для которой ведется расчет толщины экрана;
координаты границы информативной области в i-м сечении, перпендикулярном плоскости X и Y;
P(x_i, y_i, h, m) весовая функция детектора для излучателя, находящегося в точке с координатами x_i и y_i, стер.м;
весовая функция детектора для излучения, находящегося в точке с координатами x', y' на границе локализованного участка в сечении, проходящем через точку с координатами x_i, y_i, стер.м;
μ массовый коэффициент поглощения гамма-излучения, испускаемого радиоактивными источниками в исследуемой горной породе или руде, кг/м²;
r плотность материала экрана, кг/м³;
h высота расположения центра детектора над излучающей поверхностью, м;
m половина длины детектора, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5