Ефект Мессбауера та його застосування в георозвідці

Перш ніж розповісти про новий оловошукач нагадаємо коротенько, що відкрив Мессбауер. Він виявив, що при певних умовах гамма-випромінювання, що випускається деякими радіоактивними атомними ядрами, здатне поглинати або розсіюватися такими ж, але тільки нерадіоактивними ядрами. Поглинання відбувається з винятково високою вибірковістю — в десятки мільйонів разів більшою, ніж вибірковість кращих радіолокаційних антен.

Резонансне поглинання в ядрах можливо тільки в тому випадку, коли при випромінюванні і поглинанні енергія гамма-кванта не витрачається на передачу ядер механічного руху — віддачу ядер. Це, як показав Мессбауер, має місце у твердих тілах, де атомні ядра пов’язані між собою і є певна ймовірність того, що енергія віддачі буде передана всьому кристалу. Енергія гамма-променів повинна бути такою, щоб між ядерні зв’язки в кристалі істотно не порушувалися в результаті віддачі ядра.

Фізика володіє багатьма можливостями змінювати частоту гамма-променів, що випускаються радіоактивними ядрами. Наприклад, можна рухати джерело випромінювання щодо поглинача, і тоді поглинач буде сприймати гамма – випромінювання вже зміненої частоти внаслідок ефекту Доплера. У цьому випадку явище резонансного поглинання хвиль зникає, якщо раніше — при нерухомих джерела і поглиначі — воно існувало.

«Розлад» таких передавальних і приймаючих контурів може відбуватися і з іншої причини. Наприклад, якщо хімічна сполука в джерелі випромінювання відрізняється від такого в поглиначі, то це призводить до нікчемної по абсолютній величині різниці в енергіях, запасених всередині атомних ядер, але у зв’язку з виключно високими їх резонансними якостями відмінності цього достатньо, щоб розладнати резонансний прийом. Тепер вже, з допомогою руху джерела гамма-променів щодо поглинача, можна, навпаки, компенсувати цю різницю, тобто налаштувати частоту приймача під частоту передавача і знову спостерігати резонансне поглинання. Чим більше в поглиначі атомних ядер, здатних резонансно приймати сигнал від джерела, тим більше, природно, спостережуваний сигнал (це збільшення сигналу має відомі обмеження). Отже, маючи відповідне джерело випромінювання, ми можемо за величиною резонансного поглинання гамма-квантів в невідомому поглиначі судити про концентрацію в ньому стабільних атомних ядер того ж самого ізотопу, радіоактивні атомні ядра якого знаходяться в джерелі випромінювання.

Якщо джерело гамма-випромінювання радіоактивні ядра входять у з’єднання, що відповідає за хімічною формулою з природним мінералом (поглиначем), то резонансне поглинання буде спостерігатися при нульовій відносній швидкості джерела і поглинача, тобто коли вони нерухомі. У цьому випадку, провівши два виміри інтенсивності, що пройшли через досліджуваний поглинач гамма-квантів (при нульовій відносній швидкості та швидкості, досить великій, щоб розладнати резонанс), можна легко визначити за величиною різниці цих двох вимірів кількість або концентрацію шуканого елемента.

Можливість побудови приладу для пошуку олов’яних руд, заснованого на ефекті Мессбауера, визначалася наступними обставинами.

По-перше, гамма-резонанс яскраво проявляється в сполуках: радіоактивному Snn902 (джерело) і нерадіоактивного Sm11902 (поглинач) навіть при кімнатних температурах (зазвичай величина ефекту резонансного поглинання різко падає з ростом температури). По-друге, у природній суміші ізотопів олова (природне олово) міститься достатня кількість ізотопу Sn119 (близько 10%), який «працює» в якості резонансного приймача. Тому можна було сподіватися, що прилад буде досить чутливим.

Оловошукачі повинні були бути портативними і разом з тим володіти високою чутливістю і точністю при мінімальному часі вимірювання. Вони повинні були мати герметичну оболонку і автономне живлення (наприклад, батареї). Прилади повинні були бути «терплячими» до струсів, ударів і великого перепаду температур, надійними та простими. Нарешті, прилади слід компонувати з промислових елементів, щоб можна було налагодити їх швидкий серійний випуск.

Всі ці питання аналізувалися на першому етапі робіт, коли створювався перший лабораторний зразок приладу. В лабораторіях були створені два варіанти оловошукача. Перший варіант був призначений для аналізу порошкових проб певної ваги, які готувалися за технологією переробки проб для хімічного аналізу. В геологічній практиці такі проби називаються «представницькими». Через порошкову пробу пропускалися гамма-промені від джерела Snu902, реєстровані звичайним сцинтиляційним лічильником в двох режимах: при рухомому і спокійному джерелі. Ці вимірювання дозволяли визначати концентрацію ядер олова, що входять в кристалічну решітку SnOo (каситериту) — основної сировини для виробництва олова.

Другий варіант приладу забезпечував можливість пошуку каситериту без відбору проб, безпосередньо на відслоненнях і геологічних розрізах порід. Виконання таких вимірювань відкривало цілий ряд нових можливостей, наприклад,— точно визначити межі рудних жив і скоротити число проб. У цьому варіанті випромінювання джерела прямувало на обстежувану поверхню, а відбите від неї випромінювання реєструвалося сцинтиляційним лічильником в таких же режимах, що і в першому варіанті.

Лабораторні дослідження на спеціально приготовлених сумішах і реальних зразках порід і мінералів дали дуже добрі результати. Лабораторні прилади впевнено повторювали результати хімічного аналізу. Це був перший успіх. Група авторів подала заявки на винаходи за двома варіантами приладів і отримала авторські свідоцтва.

Автори: Б. Єгіазаров, Тобто Макаров.