практикум по ягф (готовое)1

1

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................	3
ГЛАВА 1. МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ РЕНТГЕНОФЛЮОРЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ОБРАЗЦОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ...................................................	5
1.1. Физические основы ........................................................................................................................................	5
1.2. Источники излучения .................................................................................................................................	10
1.3. Детекторы излучения ..................................................................................................................................	12
1.4. Методики многоэлементного рентгенофлюоресцентного анализа .....................................................	15
1.4.1. Методика анализа в тонких слоях.............................................................................................................	16
1.4.2. Методика анализа в насыщенных слоях....................................................................................................	16
1.5. Многоэлементный анализ геоэкологических объектов с применением спектрометров ................	18
Лабораторная работа №1. Качественный анализ вторичных рентгеновских спектров жидких
геоэкологических образцов, полученных с применением спектрометра "РесПЕКТ"	22
Лабораторная работа №2. Обработка результатов многоэлементного анализа жидких
геоэкологических образцов с помощью программы "SIMPLE"	27
ГЛАВА 2.ОСНОВЫ МЕТОДА МОНТЕКАРЛО..................................................................................................	38
2.1. Моделирование случайных величин ........................................................................................................	38
2.2. Получение случайных чисел на ЭВМ .......................................................................................................	40
2.3. Разыгрывание дискретных случайных величин....................................................................................	42
2.4. Разыгрывание непрерывной случайной величины...............................................................................	43
2.5. Моделирование похождения нейтронов через вещество ......................................................................	43
Лабораторная работа №3. Расчет прохождения нейтронов через пласт бесконечного простирания
методом Монте-Карло	49
Список литературы.............................................................................................................................................	53

2

ВВЕДЕНИЕ

Ядерная геофизика составляют неотъемлемую часть разведочной геофи-

зики. Широко применяются в комплексе методов при поисках, разведке и экс-

плуатации месторождений, а также при геологическом картировании и эколо-

гических исследованиях. Особая роль ядерной геофизики связана с возможно-

стью изучения вещественного состава, а также физических свойств горных пород и руд. Целью изучения дисциплины является получение знаний о тео-

ретических и физических основах методов, методиках и технических средст-

вах проведения работ, обоснованных подходах к учету влияния различных геологических и физических факторов при применении разных способов об-

работки и интерпретации получаемых результатов

«Лабораторный практикум по ядерной геофизике» является дополнитель-

ной литературой к курсу «Ядерная геофизика». В результате изучения дисцип-

лины студент должен знать теорию и практику применения ядерно-

радиометрических методов метода разведки при решении геологических, и

экологических задач современную ядерно –радиометрическую аппаратуру и особенности ее применения, основы интерпретации получаемых данных в комплексе с данными других геофизических методов, уметь обосновывать и составлять проекты проведения комплекса ядерно-радиометрических методов оперативно оценивать качество геофизических результатов, составлять отчеты и делать презентации результатов проведенных геофизических работ, владеть теоретическими и физическими основами ядерно-радиометрических методов разведки, геологическими знаниями о происхождении полезных ископаемых и об их физических свойствах, навыками и практикой проведения работ по изу-

чаемой специализации.

Данное учебно-методическое пособие призвано скомпенсировать отсутст-

вие современной литературы по данному курсу. Кроме того, в связи с перехо-

дом на ФГОС 3-го поколения изменились требования к учебно-методическим пособиям.

3

Практикум содержит описания трех работ по ядерной геофизике. Первые две работы посвящены широко применяемому в ядерной геофизике рентге-

нофлюоресцентному анализу. Приводятся описания физических основ метода,

методика анализа, сведения о современной литературе, примеры применения РФА для анализа различных объектов. Поскольку современная аппаратура имеет высокую стоимость, практическая часть работы не включает непосред-

ственных измерений, а содержит важный этап, связанный с обработкой и ана-

лизом результатов измерений реальных геоэкологических образцов на ЭВМ.

Третья лабораторная работа знакомит студентов с основами метода Мон-

те-Карло и его практической реализацией на примере прохождения нейтронов через поглощающий пласт.

Практикум предназначен для студентов геофизической и геологической специальностей различных форм обучения.

4

ГЛАВА 1. МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ РЕНТГЕНОФЛЮОРЕСЦЕНТНЫЙ

АНАЛИЗ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ

1.1. Физические основы

Многоэлементный рентгенофлюоресцентный анализ (РФА) основан на возбуждении атомов элементов, содержащихся в анализируемом образце и измерении возникающего характеристического рентгеновского излучения возбужденных атомов с помощью многоканальной спектрометрической ап-

паратуры. В качестве первичного возбуждающего излучения наиболее часто используют рентгеновское излучение радионуклидных источников и рентге-

новских трубок.

При взаимодействии первичного гамма излучения с электроном К –

оболочки (Е > k ) происходит фотоэффект (вырывание электрона с К обо-

лочки) и атом переходит в возбужденное состояние. Это состояние атома не-

устойчиво и через короткое время (10-8 - 10-16 с) происходит заполнение об-

разовавшейся вакансии электронами с более удаленных уровней (L и М). В

процессе таких переходов атом испускает характеристическое рентгеновское излучение, (ХРИ) которое имеет линейчатый спектр (рис.1).

В соответствии с квантовой теорией, каждая электронная оболочка

(кроме K – оболочки) разделена на подуровни; таким образом, спектр ХРИ носит сложный характер - состоит из нескольких линий. При переходе элек-

тронов на K – оболочку возникает К – cерия (L K) и Ксерия (М K).

Энергия возникающих фотонов равна разности энергий соответствующих уровней.

При возбуждении K – серии атомов возникает фотоны всех линий этой серии, однако потоки фотонов этих линий различны. Соотношение потоков квантов ХРИ K – серии примерно равно:

N 1 : N 2 : N 1 : N 2 = 100 : 50 : 25 : 5

5

К серия

K

n

1

2

1

1

2

L

серия

LI

LIII

n

2

4

3

1

1

2

1

2

M I

n

3

MV

NI

n

4

NVII

Рис.1.

Схема основных переходов K и L серий ХРИ

Поскольку

энергии квантов К 1

и К

2 и

К

1

и К

2 отличаются незначи-

тельно, то обычно измеряется скорость счета:

N

= N

1+

2

и N = N

1+

2;

N

: N

= 5:1

Если обозначить энергии фотонов характеристического излучения К –

серии Е

и Е

, то очевидно, что Е > Е .

Спектр характеристического излучения L серии является

более слож-

ным, так как L уровень состоит из трех подуровней.

Энергия квантов ХРИ связана с атомным номером элемента законом

Мозли,

согласно которому квадратный корень из энергии фотонов линейно

возрастает с увеличением атомного номера элемента:

(1)

E

a (z b),

где а и b константы.

Наиболее

часто РФА проводится по более интенсивным линиям К – се-

рии ХРИ.

В ряде случаев, при определении

содержания тяжелых элемен-

тов анализ проводится по линиям L – серии.

6

В таблице 1 приведены значения энергий связи и характеристического излу-

чения для К и L – серий.

											Таблица 1
	Значения энергий связи и ХРИ для К и L – cерий
			K – серия (кэВ)					L – серия (кэВ)
Z	Элемент
		k					L11
				1		1			1		1
1	2	3		4		5	6		7		8
13	Al	1.6		1.5		1.49	_		_		_
14	Si	1.8		1.8		1.74	_		_		_
15	P	2.1		2.1		2.02	_		_		_
16	S	2.5		2.5		2.31	_		_		_
17	Cl	2.8		2.8		2.62	_		_		_
18	Ar	3.2		3.2		2.96	_		_		_
19	K	3.6		3.6		3.31	_		_		_
20	Ca	4.0		4.0		3.69	_		_		_
21	Sc	4.5		4.5		4.09	_		_		_
22	Ti	5.0		4.9		4.51	_		_		_
23	V	5.5		5.4		4.95	_		_		_
24	Сr	6.0		5.9		5.41	_		_		_
25	Mn	6.5		6.5		5.9	_		_		_
26	Fe	7.1		7.1		6.4	_		_		_
27	Co	7.7		7.6		6.93	_		_		_
28	Ni	8.3		8.3		7.48	_		_		_
29	Cu	9.0		8.9		8.03	_		_		_
30	Zn	9.7		9.6		8.64	_		_		_
31	Ga	10.4		10.3		9.25	_		_		_
32	Ge	11.1		11.0		9.88	_		_		_
33	As	11.9		11.7		10.54	_		_		_
34	Se	12.6		12.5		11.2	_		_		_
35	Br	13.5		13.3		11.9	_		_		_
36	Kr	14.3		14.1		12.6	_		_		_
37	Rb	15.2		15.0		13.4	_		_		_
38	Sr	16.1		15.8		14.2	_		_		_
			7

39	Y	17.0	16.7	15.0	_	_	_
40	Zr	18.0	17.7	15.8	_	_	_
41	Nb	19.0	18.6	16.6	_	_	_
42	Mo	20	19.6	17.5	_	_	_
43	Tc	21.1	20.6	18.4	_	_	_
44	Ru	22.1	21.6	19.3	_	_	_
45	Rh	23.2	22.7	20.2	_	_	_
46	Pd	24.3	23.8	21.2	_	_	_
47	Ag	25.5	24.9	22.2	3.53	3.15	2.98
48	Cd	26.7	26.1	23.2	3.73	3.32	3.15
49	In	2.79	27.3	24.2	3.94	3.49	3.29
50	Sn	29.2	28.5	25.3	4.16	3.66	3.44
51	Sb	30.5	29.7	26.4	4.38	3.84	3.60
52	Te	31.8	31.0	27.5	4.61	4.03	3.77
53	I	33.2	32.3	28.6	4.86	4.21	3.9
54	Xe	34.6	33.6	29.8	5.1	4.4	4.11
55	Cs	36.0	35.0	31.0	5.36	4.62	4.29
56	Ba	37.4	36.4	32.2	5.62	5.25	4.47
57	La	38.9	37.8	33.4	5.89	5.04	4.65
73	Ta	67.4	65.2	57.6	11.1	9.3	8.1
74	W	69.5	67.2	59.3	11.6	9.7	8.4
78	Pt	78.4	75.7	66.8	13.3	11.1	9.4
79	Au	80.7	78.0	68.8	13.7	11.4	9.7
80	Hg	83.1	80.3	70.8	14.2	11.8	10.9
81	Tl	85.5	82.6	72.9	14.7	12.2	10.3
82	Pb	88.0	84.9	75.0	15.2	12.6	10.5
83	Bi	90.5	87.3	77.2	15.7	13.4	10.8
88	Ra	103.9	100.1	88.5	18.5	15.2	12.3
90	Th	109.6	105.6	93.3	19.7	16.2	13.0
92	U	115.6	111.3	98.4	20.9	17.2	13.6
93	Np	118.6	114.2	101.0	21.6	17.7	13.8
94	Pu	121.7	117.1	103.7	22.3	18.3	14.3

8

При реализации РФА, помимо фотоэлектрического поглощения имеет место рассеяние квантов первичного излучения. Различают рассеяние двух видов: когерентное, когда энергия первичного кванта не меняется и некоге-

рентное (комптоновское), когда в результате рассеяния энергия первичного кванта уменьшается. Связь между энергией первичных квантов Е и рассе-

янных квантов определяется соотношениями:

Eк	E – когерентное рассеяние;				(2)
Eнк		E		– некогерентное (комптоновское рассеяние)	(3)
		E (1	cos )

1 mc2

здесь – угол рассеяния; mc2 = 511 кэВ – масса покоя электрона.

Таким образом, при облучении пробы первичным рентгеновским излу-

чением, спектр вторичного рентгеновского излучения будет представлен ха-

рактеристическим излучением элементов, входящих в еѐ состав, а также ко-

герентно и некогерентно рассеянного излучения источника. На практике угол рассеяния выбирают обычно равным 90 , так как вероятность рассеяния

γ – квантов под этим углом минимальна.

На рисунке 2 представлен теоретический спектр вторичного рентгенов-

ского излучения пробы, содержащий железо и медь. Содержание железа (%)

больше содержания меди (%).

Рис. 2. Теоретический спектр вторичного рентгеновского излучения пробы

9

1.2. Источники излучения

Для возбуждения характеристического излучения при проведении РФА широко используются радионуклидные источники. При проведении анали-

за по K – серии, энергия испускаемых квантов должна быть больше энергии связи электрона на K – оболочке (Е > К). Однако при слишком высоком значении энергии возбуждающего излучения выход ХРИ уменьшается. Для получения достаточно интенсивного потока квантов ХРИ энергия источника должна быть максимально близкой к энергии связи определяемого элемента с наибольшим атомным номером, при условии, что детектор обеспечивает разрешение аналитического пика и рассеянного излучения. Источник дол-

жен иметь большой период полураспада (не менее 6 месяцев) и высокий вы-

ход возбуждающего излучения. В таблице 2 приведены радионуклидные ис-

точники, применяемые при реализации РФА.

Таблица 2

Радионуклидные источники, применяемые в РФА

		Период	Энергия	Атомный номер
	Источник			определяемых
		полураспада	излучения, кэВ
				элементов
	55Fe	2,9 года	5,9	13-24
	109Cd	1,25года	22,1	24-44
	241Am	458 лет	60	45-69
	57Co	270суток	122	69-92

В последние годы для проведения РФА в качестве источников излучения широко применяются рентгеновские трубки. Рентгеновские трубки пред-

ставляют собой вакуумированный баллон с катодом и анодом, изготовлен-

ным из тяжелых металлов (Cu, Mo, Ag, W). На рентгеновскую трубку подает-

ся высокое напряжение. Схематически процесс генерации рентгеновского излучения показан на рис. 3. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются электрическим полем с напряжением U и бомбардируют массивный метал-

10