Эффект Мессбауэра и его применение в георазведке

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Прежде чем рассказать о новом оловоискателе, напомним вкратце, что открыл Мессбауэр. Он обнаружил, что при определенных условиях гамма-излучение, испускаемое некоторыми радиоактивными атомными ядрами, способно поглощаться или рассеиваться такими же, но только нерадиоактивными ядрами. Поглощение происходит с исключительно высокой избирательностью — в десятки миллионов раз большей, чем избирательность лучших радиолокационных антенн.

Резонансное поглощение в ядрах возможно только в том случае, когда при излучении и поглощении энергия гамма-кванта не расходуется на сообщение ядрам механического движения — отдачу ядер. Это, как показал Мессбауэр, имеет место в твердых телах, где атомные ядра связаны между собой и есть определенная вероятность того, что энергия отдачи будет передана всему кристаллу. Энергия гамма-лучей должна быть такой, чтобы межъядерные связи в кристалле существенно не нарушались в результате отдачи ядра.

Физика располагает многими возможностями изменять частоту гамма-лучей, испускаемых радиоактивными ядрами. Например, можно двигать источник излучения относительно поглотителя, и тогда поглотитель будет воспринимать гамма-излучение уже измененной частоты вследствие эффекта Доплера. В этом случае явление резонансного поглощения волн исчезает, если ранее — при неподвижных источнике и поглотителе — оно существовало.

«Расстройка» таких передающих и принимающих контуров может происходить и по другой причине. Например, если химическое соединение в источнике излучения отличается от такового в поглотителе, то это приводит к ничтожным по абсолютной величине различиям в энергиях, запасенных внутри атомных ядер, но в связи с исключительно высокими их резонансными качествами этого различия достаточно, чтобы расстроить резонансный прием. Теперь уже, с помощью движения источника гамма- лучей относительно поглотителя, можно, наоборот, скомпенсировать это различие, то есть подстроить частоту приемника под частоту передатчика и снова наблюдать резонансное поглощение. Чем больше в поглотителе атомных ядер, способных резонансно принимать сигнал от источника, тем больше, естественно, наблюдаемый сигнал (это увеличение сигнала имеет известные ограничения). Итак, имея подходящий источник излучения, мы можем по величине резонансного поглощения гамма-квантов в неизвестном поглотителе судить о концентрации в нем стабильных атомных ядер того же самого изотопа, радиоактивные атомные ядра которого находятся в источнике излучения.

Если в источнике гамма-излучения радиоактивные ядра входят в соединение, совпадающее по химической формуле с природным минералом (поглотителем), то резонансное поглощение будет наблюдаться при нулевой относительной скорости источника и поглотителя, то есть когда они неподвижны. В этом случае, проведя два измерения интенсивности прошедших через исследуемый поглотитель гамма-квантов (при нулевой относительной скорости и при скорости, достаточно большой, чтобы расстроить резонанс), можно легко определить по величине разности этих двух измерений количество или концентрацию искомого элемента.

Возможность постройки прибора для поиска оловянных руд, основанного на эффекте Мессбауэра, определялась следующими обстоятельствами.

Во-первых, гамма-резонанс ярко проявляется в соединениях: радиоактивном Snn902 (источник) и нерадиоактивном Sm11902 (поглотитель) даже при комнатных температурах (обычно величина эффекта резонансного поглощения резко падает с ростом температуры). Во-вторых, в естественной смеси изотопов олова (природное олово) содержится достаточное количество изотопа Sn119 (около 10%), который «работает» в качестве резонансного приемника. Поэтому можно было надеяться, что прибор будет достаточно чувствительным.

Оловоискатели должны были быть портативными и вместе с тем обладать высокой чувствительностью и точностью при минимальном времени измерения. Они должны были иметь герметичную оболочку и автономное питание (например, батареи). Приборы должны были быть «терпеливыми» к тряске, ударам и большому перепаду температур, надежными и простыми. Наконец, приборы следовало компоновать из промышленных элементов, чтобы можно было наладить быстрый серийный выпуск их.

Все эти вопросы анализировались на первом этапе работ, когда создавался первый лабораторный образец прибора. В лабораториях были созданы два варианта оловоискателя. Первый вариант был предназначен для анализа порошковых проб определенного веса, которые приготовлялись по технологии переработки проб для химического анализа. В геологической практике такие пробы называются «представительными». Через порошковую пробу пропускались гамма-лучи от источника Snu902, регистрируемые обычным сцинтилляционным счетчиком в двух режимах: при движущемся и покоящемся источнике. Эти измерения позволяли определять концентрацию ядер олова, входящих в кристаллистическую решетку SnOo (касситерита) — основного сырья для производства олова.

Второй вариант прибора обеспечивал возможность поиска касситерита без отбора проб, непосредственно на обнажениях и разрезах геологических пород. Выполнение таких измерений открывало целый ряд новых возможностей, например,— точно определить границы рудных жил и сократить число проб. В этом варианте излучение источника направлялось на обследуемую поверхность, а отраженное от нее излучение регистрировалось сцинтилляционным счетчиком в таких же режимах, что и в первом варианте.

Лабораторные исследования на специально приготовленных смесях и образцах реальных пород и минералов дали очень хорошие результаты. Лабораторные приборы уверенно повторяли результаты химического анализа. Это был первый успех. Группа авторов подала заявки на изобретения по двум вариантам приборов и получила авторские свидетельства.

Авторы: Б. Егиазаров, Е. Макаров.