[科普中國]-氡衰變產物

簡介

在最近十年中鈾勘探技術已有了發(fā)展,包括用土壤樣品直接在野外和實驗室里進行氧的探測和測量。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。氡有三個有意義的天然同位素:219Rn、220Rn和222Rn。在這三個天然同位素中,僅222Rn在化探中是重要的。首先,它屬于238U衰變系列,其次,它有相對長的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氡,包括土壤氣取樣方法3、徑跡蝕刻法和固體α粒子探測器方法。另外,浸飽法能用來間接地測量未固結物質中的鐳。在本文中我們介紹一種鈾礦普查的新方法。我們認為,與其它方法相比,它有優(yōu)越性。2

在評價探測氡的各種方法及其在鈾礦勘探中的應用效果的過程中,我們注意到盧瑟福所做的一個特殊試驗。盧瑟福把含有鐳溶液的一個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。經實驗發(fā)現,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”當然是氛,而“放射性沉積物”則是氡的短壽命衰變產物。我們研究了這種現象是否能直接運用于鈾礦普查。為此,我們進行了一系列的試驗來確定它的應用遠景。2

實驗室結果為研究氧衰變產物的收集效果,在實驗室條件下進行了一系列試驗4。用抽氣機使空氣通過0.5微居里““Ra溶液而進人容量各為70毫升、400毫升和29升的容器內。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小時或一夜,然后用α粒子閃爍室計數;測量的方法是,從容器中取出收集片后立即進行連續(xù)幾次的一分鐘測量。閃爍計數室所探測的是218Po和214Po,因為它們都是α放射體。其它氧衰變產物(214Pb和214Bi)是日放射體,不被探測。2

所進行的觀測項目如下:

(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。對于許多相同材料的收集片所進行的重復性研究表明,所測總強度的重復性在30%總放射性內。2

(2)對收集片的表面積所進行的研究表明,面積較大的收集片上的放射性強度要高得多。所得結果示于圖1。目前得到的數據表明,表面積和放射性強度之間的關系不是線口性的,對較小的收集片來說,其單位面積的放射性強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,一旦衰變產物被收集,便能牢固地附著在收集片上,而不會有任何遷移。收集片從儀器中取出后,儀器本底始終保持在正常范圍內。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十分鐘內衰變的速度要比隨后的衰變速度快(圖2)。開始時衰變的相對較快,主要是由218Po衰變引起的。2

(5)用3小時的收集時間與10分鐘的收集時間相比,則3小時所收集到的強度要比10分鐘的大得多。與3小時的收集時間相比,一夜(大約17小時)的收集結果并沒有顯著的增加,3小時后所達到的接近平穩(wěn)狀態(tài)的放射性強度受氧衰變產物的半衰期所控制。用貝特曼連續(xù)轉換方程進行的計算表明,假設每種衰變產物的收集率作為時間函數幾乎不變,則3小時可預期達到一個似穩(wěn)定的狀態(tài)。2

(6)雖然全部三個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目的衰變產物所致。2

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

野外結果位于涅太華城西大約20公里的南馬奇鈾一銅礦點被選為新方法的試驗地段。鈾一銅礦化以含鈾的碳氫化合物形式存在,伴有黃銅礦和黃鐵礦。它產于馬奇組砂巖層的粗顆粒相內;馬奇組是古生代的互層砂巖和白云巖。2

采用根據放射性測量編繪的鈾分布等值圖作為底圖。按圖3所示網格進行了測量。在每一測點上打一個約20厘米直徑的測孔,深人蓋層土壤中。大多數測孔都能達到基巖。每個測孔中放入一個收集片,然后用一塊30平方厘米的膠合板把測孔蓋住。收集片留在測孔中3小時或更長一些時間。用銅片和塑料片(3.8X4.5厘米)進行了試驗。2

圖4(b)和(c)所示結果是用銅片和塑料片取得的。將收集片測量結果與上述鈾分布底圖〔圖4(a)〕進行了比較,有一部分相符。比較表明,兩種方法都能圈出異常。兩種收集片測量之間的細節(jié)差別可能是由土壤中氧數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行重復性研究測量的結果。雖然二次測量的峰的幅度有變化,但峰型在兩種情況下幾乎相同。二次測量都能圈出可信的異常。除了野外研究之外,還研究了測量土壤樣品中鐳的方法。把從每個測點上取來的土壤樣品(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。經幾個222Rn的半衰期之后,226Ra產生的222Rn便可接近最大值。采用30天的收集時間(約為222Rn的8個半衰期)。圖4(d)和(e)所示是二次土壤樣品測量的結果(一次用銅收集片,另一次用塑料片)。兩次測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量結果。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連接在一起,下部的剖面線則把放射性最小值的各點連接在一起。不管取樣品深度如何,根據這二個剖面均可圈定出類似的異常。2

盧瑟福曾對觀測到的一種現象發(fā)生了興趣。大多數放射性物質能被收集在帶有大約300伏負電位的小收集片上。通過觀察,他認為空氣中的氧衰變產物是正離子。為了把這種現象用于鈾礦勘探,用帶電收集片進行了研究〔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量結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,也可在實驗室中用土壤樣品進行收集測量。為把收集片法與已采用的測氧方法相比較,沿著南馬奇測網的部分基線進行了土壤層抽氣測量。所得結果與我們用銅收集片的測量結果進行了比較(圖7)。抽氣測量是在3小時內完成的,以便最大限度地減少周日變化和氣象因素造成的影響。土壤層抽氣測量和收集片測量的剖面圖上均有二個明顯的峰。在幾個測點上土壤層抽氣測量的值為0,可能是由于土壤孔隙中充水的結果。2

為了進行進一步的檢驗,采取了土壤樣品,并用常規(guī)螢光法分析鈾。其結果與收集片的結果很相符。

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