[科普中國(guó)]-氡衰變產(chǎn)物

簡(jiǎn)介

在最近十年中鈾勘探技術(shù)已有了發(fā)展,包括用土壤樣品直接在野外和實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行氧的探測(cè)和測(cè)量。雖然氡的母體是鐳,不是鈾,但土壤中氡的分布常常能反映深部的鈾礦床。氡有三個(gè)有意義的天然同位素:219Rn、220Rn和222Rn。在這三個(gè)天然同位素中,僅222Rn在化探中是重要的。首先,它屬于238U衰變系列,其次,它有相對(duì)長(zhǎng)的3.8天半衰期。219Rn和220Rn有非常短的半衰期,它們分別屬于235U和232Th衰變系列。2

可以用各種方法在野外探測(cè)氡,包括土壤氣取樣方法3、徑跡蝕刻法和固體α粒子探測(cè)器方法。另外,浸飽法能用來(lái)間接地測(cè)量未固結(jié)物質(zhì)中的鐳。在本文中我們介紹一種鈾礦普查的新方法。我們認(rèn)為,與其它方法相比,它有優(yōu)越性。2

在評(píng)價(jià)探測(cè)氡的各種方法及其在鈾礦勘探中的應(yīng)用效果的過(guò)程中,我們注意到盧瑟福所做的一個(gè)特殊試驗(yàn)。盧瑟福把含有鐳溶液的一個(gè)小的開口容器放入一較大的密封容器里,然后將一些圓片置于這大容器的空氣中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),暴露于大容器中的圓片上收集了“鐳射氣”所形成的“放射性沉積物”。所謂的“鐳射氣”當(dāng)然是氛,而“放射性沉積物”則是氡的短壽命衰變產(chǎn)物。我們研究了這種現(xiàn)象是否能直接運(yùn)用于鈾礦普查。為此,我們進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)來(lái)確定它的應(yīng)用遠(yuǎn)景。2

實(shí)驗(yàn)室結(jié)果為研究氧衰變產(chǎn)物的收集效果,在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)4。用抽氣機(jī)使空氣通過(guò)0.5微居里““Ra溶液而進(jìn)人容量各為70毫升、400毫升和29升的容器內(nèi)。將銅片、塑料和其它材料的收集片置放在含有氛氣的容器中10分鐘、3小時(shí)或一夜,然后用α粒子閃爍室計(jì)數(shù);測(cè)量的方法是,從容器中取出收集片后立即進(jìn)行連續(xù)幾次的一分鐘測(cè)量。閃爍計(jì)數(shù)室所探測(cè)的是218Po和214Po,因?yàn)樗鼈兌际铅练派潴w。其它氧衰變產(chǎn)物(214Pb和214Bi)是日放射體,不被探測(cè)。2

所進(jìn)行的觀測(cè)項(xiàng)目如下:

(1)不管收集片是用什么材料制造的,在所有收集片上都測(cè)到α放射性5。相同尺寸、形狀的金屬片(包括銀、銅和鋁)和塑料片收集到相同量的放射性。對(duì)于許多相同材料的收集片所進(jìn)行的重復(fù)性研究表明,所測(cè)總強(qiáng)度的重復(fù)性在30%總放射性內(nèi)。2

(2)對(duì)收集片的表面積所進(jìn)行的研究表明,面積較大的收集片上的放射性強(qiáng)度要高得多。所得結(jié)果示于圖1。目前得到的數(shù)據(jù)表明,表面積和放射性強(qiáng)度之間的關(guān)系不是線口性的,對(duì)較小的收集片來(lái)說(shuō),其單位面積的放射性強(qiáng)度要比較大收集片的高。2

(3)雖然目前尚不完全了解衰變產(chǎn)物是如何被收集和附著于收集片上的,但可以看出,一旦衰變產(chǎn)物被收集,便能牢固地附著在收集片上,而不會(huì)有任何遷移。收集片從儀器中取出后,儀器本底始終保持在正常范圍內(nèi)。2

(4)從容器里取出收集片后,在收集片上的放射性在第一個(gè)十分鐘內(nèi)衰變的速度要比隨后的衰變速度快(圖2)。開始時(shí)衰變的相對(duì)較快,主要是由218Po衰變引起的。2

(5)用3小時(shí)的收集時(shí)間與10分鐘的收集時(shí)間相比,則3小時(shí)所收集到的強(qiáng)度要比10分鐘的大得多。與3小時(shí)的收集時(shí)間相比,一夜(大約17小時(shí))的收集結(jié)果并沒(méi)有顯著的增加,3小時(shí)后所達(dá)到的接近平穩(wěn)狀態(tài)的放射性強(qiáng)度受氧衰變產(chǎn)物的半衰期所控制。用貝特曼連續(xù)轉(zhuǎn)換方程進(jìn)行的計(jì)算表明,假設(shè)每種衰變產(chǎn)物的收集率作為時(shí)間函數(shù)幾乎不變,則3小時(shí)可預(yù)期達(dá)到一個(gè)似穩(wěn)定的狀態(tài)。2

(6)雖然全部三個(gè)容器里的氧濃度是相等的,但大容器中的收集器所收集到的放射性比小容器中的要高。這很可能是由于在小容器里存在著較小數(shù)目的衰變產(chǎn)物所致。2

(7)將幾個(gè)放射性收集片放在閃爍室里一夜,第二天測(cè)量時(shí),除了儀器本底外,沒(méi)有顯示任何放射性。因此可以認(rèn)為,具有3.8天半衰期的氧本身不會(huì)附著于收集片上。α放射性僅是由氧的短壽命衰變產(chǎn)物造成的。實(shí)驗(yàn)室研究表明,這種收集方法可能足夠靈敏,能夠用來(lái)探測(cè)土壤氣中的氧或土壤樣品中的鐳。2

野外結(jié)果位于涅太華城西大約20公里的南馬奇鈾一銅礦點(diǎn)被選為新方法的試驗(yàn)地段。鈾一銅礦化以含鈾的碳?xì)浠衔镄问酱嬖?伴有黃銅礦和黃鐵礦。它產(chǎn)于馬奇組砂巖層的粗顆粒相內(nèi);馬奇組是古生代的互層砂巖和白云巖。2

采用根據(jù)放射性測(cè)量編繪的鈾分布等值圖作為底圖。按圖3所示網(wǎng)格進(jìn)行了測(cè)量。在每一測(cè)點(diǎn)上打一個(gè)約20厘米直徑的測(cè)孔,深人蓋層土壤中。大多數(shù)測(cè)孔都能達(dá)到基巖。每個(gè)測(cè)孔中放入一個(gè)收集片,然后用一塊30平方厘米的膠合板把測(cè)孔蓋住。收集片留在測(cè)孔中3小時(shí)或更長(zhǎng)一些時(shí)間。用銅片和塑料片(3.8X4.5厘米)進(jìn)行了試驗(yàn)。2

圖4(b)和(c)所示結(jié)果是用銅片和塑料片取得的。將收集片測(cè)量結(jié)果與上述鈾分布底圖〔圖4(a)〕進(jìn)行了比較,有一部分相符。比較表明,兩種方法都能圈出異常。兩種收集片測(cè)量之間的細(xì)節(jié)差別可能是由土壤中氧數(shù)量受周日變化和氣象影響所致。2

圖5所示是沿基線用塑料收集片進(jìn)行重復(fù)性研究測(cè)量的結(jié)果。雖然二次測(cè)量的峰的幅度有變化,但峰型在兩種情況下幾乎相同。二次測(cè)量都能圈出可信的異常。除了野外研究之外,還研究了測(cè)量土壤樣品中鐳的方法。把從每個(gè)測(cè)點(diǎn)上取來(lái)的土壤樣品(50克)放人227毫升的玻璃罐中,并把收集片懸掛在土壤樣品之上。經(jīng)幾個(gè)222Rn的半衰期之后,226Ra產(chǎn)生的222Rn便可接近最大值。采用30天的收集時(shí)間(約為222Rn的8個(gè)半衰期)。圖4(d)和(e)所示是二次土壤樣品測(cè)量的結(jié)果(一次用銅收集片,另一次用塑料片)。兩次測(cè)量均清晰地指示出異常。2

圖6(b)所示是另一次土壤樣品的測(cè)量結(jié)果。但所用樣品取自不同的深度,使用銅收集片。圖上示出了大致的樣品深度。上部剖面線把放射性最大值的各點(diǎn)連接在一起,下部的剖面線則把放射性最小值的各點(diǎn)連接在一起。不管取樣品深度如何,根據(jù)這二個(gè)剖面均可圈定出類似的異常。2

盧瑟福曾對(duì)觀測(cè)到的一種現(xiàn)象發(fā)生了興趣。大多數(shù)放射性物質(zhì)能被收集在帶有大約300伏負(fù)電位的小收集片上。通過(guò)觀察,他認(rèn)為空氣中的氧衰變產(chǎn)物是正離子。為了把這種現(xiàn)象用于鈾礦勘探,用帶電收集片進(jìn)行了研究〔圖6a()〕。所用的樣品重量和收集片與圖6(b)的相同。圖6(a)所示的帶電收集片的測(cè)量結(jié)果與盧瑟福的觀察相符。帶電收集片上的放射性大約是不帶電收集片的2.5倍,顯然用這種帶電方法可以提高收集片的靈敏度。2

與其它方法的比較我們的研究清楚地表明,用收集片方法可以探測(cè)到的鈾礦化,既可采用在野外土壤層中挖孔懸掛收集片的方法,也可在實(shí)驗(yàn)室中用土壤樣品進(jìn)行收集測(cè)量。為把收集片法與已采用的測(cè)氧方法相比較,沿著南馬奇測(cè)網(wǎng)的部分基線進(jìn)行了土壤層抽氣測(cè)量。所得結(jié)果與我們用銅收集片的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較(圖7)。抽氣測(cè)量是在3小時(shí)內(nèi)完成的,以便最大限度地減少周日變化和氣象因素造成的影響。土壤層抽氣測(cè)量和收集片測(cè)量的剖面圖上均有二個(gè)明顯的峰。在幾個(gè)測(cè)點(diǎn)上土壤層抽氣測(cè)量的值為0,可能是由于土壤孔隙中充水的結(jié)果。2

為了進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn),采取了土壤樣品,并用常規(guī)螢光法分析鈾。其結(jié)果與收集片的結(jié)果很相符。

從上述各種剖面圖可以看出,它們相互之間是類似的。因此可以認(rèn)為,收集片方法與螢光測(cè)鈾法和土壤層抽氣測(cè)氧法相比,在效果上是有利的。2