[科普中国]-氡衰变产物

简介

在最近十年中铀勘探技术已有了发展,包括用土壤样品直接在野外和实验室里进行氧的探测和测量。虽然氡的母体是镭,不是铀,但土壤中氡的分布常常能反映深部的铀矿床。氡有三个有意义的天然同位素:219Rn、220Rn和222Rn。在这三个天然同位素中,仅222Rn在化探中是重要的。首先,它属于238U衰变系列,其次,它有相对长的3.8天半衰期。219Rn和220Rn有非常短的半衰期,它们分别属于235U和232Th衰变系列。2

可以用各种方法在野外探测氡,包括土壤气取样方法3、径迹蚀刻法和固体α粒子探测器方法。另外,浸饱法能用来间接地测量未固结物质中的镭。在本文中我们介绍一种铀矿普查的新方法。我们认为,与其它方法相比,它有优越性。2

在评价探测氡的各种方法及其在铀矿勘探中的应用效果的过程中,我们注意到卢瑟福所做的一个特殊试验。卢瑟福把含有镭溶液的一个小的开口容器放入一较大的密封容器里,然后将一些圆片置于这大容器的空气中。经实验发现,暴露于大容器中的圆片上收集了“镭射气”所形成的“放射性沉积物”。所谓的“镭射气”当然是氛,而“放射性沉积物”则是氡的短寿命衰变产物。我们研究了这种现象是否能直接运用于铀矿普查。为此,我们进行了一系列的试验来确定它的应用远景。2

实验室结果为研究氧衰变产物的收集效果,在实验室条件下进行了一系列试验4。用抽气机使空气通过0.5微居里““Ra溶液而进人容量各为70毫升、400毫升和29升的容器内。将铜片、塑料和其它材料的收集片置放在含有氛气的容器中10分钟、3小时或一夜,然后用α粒子闪烁室计数;测量的方法是,从容器中取出收集片后立即进行连续几次的一分钟测量。闪烁计数室所探测的是218Po和214Po,因为它们都是α放射体。其它氧衰变产物(214Pb和214Bi)是日放射体,不被探测。2

所进行的观测项目如下:

(1)不管收集片是用什么材料制造的,在所有收集片上都测到α放射性5。相同尺寸、形状的金属片(包括银、铜和铝)和塑料片收集到相同量的放射性。对于许多相同材料的收集片所进行的重复性研究表明,所测总强度的重复性在30%总放射性内。2

(2)对收集片的表面积所进行的研究表明,面积较大的收集片上的放射性强度要高得多。所得结果示于图1。目前得到的数据表明,表面积和放射性强度之间的关系不是线口性的,对较小的收集片来说,其单位面积的放射性强度要比较大收集片的高。2

(3)虽然目前尚不完全了解衰变产物是如何被收集和附着于收集片上的,但可以看出,一旦衰变产物被收集,便能牢固地附着在收集片上,而不会有任何迁移。收集片从仪器中取出后,仪器本底始终保持在正常范围内。2

(4)从容器里取出收集片后,在收集片上的放射性在第一个十分钟内衰变的速度要比随后的衰变速度快(图2)。开始时衰变的相对较快,主要是由218Po衰变引起的。2

(5)用3小时的收集时间与10分钟的收集时间相比,则3小时所收集到的强度要比10分钟的大得多。与3小时的收集时间相比,一夜(大约17小时)的收集结果并没有显著的增加,3小时后所达到的接近平稳状态的放射性强度受氧衰变产物的半衰期所控制。用贝特曼连续转换方程进行的计算表明,假设每种衰变产物的收集率作为时间函数几乎不变,则3小时可预期达到一个似稳定的状态。2

(6)虽然全部三个容器里的氧浓度是相等的,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。这很可能是由于在小容器里存在着较小数目的衰变产物所致。2

(7)将几个放射性收集片放在闪烁室里一夜,第二天测量时,除了仪器本底外,没有显示任何放射性。因此可以认为,具有3.8天半衰期的氧本身不会附着于收集片上。α放射性仅是由氧的短寿命衰变产物造成的。实验室研究表明,这种收集方法可能足够灵敏,能够用来探测土壤气中的氧或土壤样品中的镭。2

野外结果位于涅太华城西大约20公里的南马奇铀一铜矿点被选为新方法的试验地段。铀一铜矿化以含铀的碳氢化合物形式存在,伴有黄铜矿和黄铁矿。它产于马奇组砂岩层的粗颗粒相内;马奇组是古生代的互层砂岩和白云岩。2

采用根据放射性测量编绘的铀分布等值图作为底图。按图3所示网格进行了测量。在每一测点上打一个约20厘米直径的测孔,深人盖层土壤中。大多数测孔都能达到基岩。每个测孔中放入一个收集片,然后用一块30平方厘米的胶合板把测孔盖住。收集片留在测孔中3小时或更长一些时间。用铜片和塑料片(3.8X4.5厘米)进行了试验。2

图4(b)和(c)所示结果是用铜片和塑料片取得的。将收集片测量结果与上述铀分布底图〔图4(a)〕进行了比较,有一部分相符。比较表明,两种方法都能圈出异常。两种收集片测量之间的细节差别可能是由土壤中氧数量受周日变化和气象影响所致。2

图5所示是沿基线用塑料收集片进行重复性研究测量的结果。虽然二次测量的峰的幅度有变化,但峰型在两种情况下几乎相同。二次测量都能圈出可信的异常。除了野外研究之外,还研究了测量土壤样品中镭的方法。把从每个测点上取来的土壤样品(50克)放人227毫升的玻璃罐中,并把收集片悬挂在土壤样品之上。经几个222Rn的半衰期之后,226Ra产生的222Rn便可接近最大值。采用30天的收集时间(约为222Rn的8个半衰期)。图4(d)和(e)所示是二次土壤样品测量的结果(一次用铜收集片,另一次用塑料片)。两次测量均清晰地指示出异常。2

图6(b)所示是另一次土壤样品的测量结果。但所用样品取自不同的深度,使用铜收集片。图上示出了大致的样品深度。上部剖面线把放射性最大值的各点连接在一起,下部的剖面线则把放射性最小值的各点连接在一起。不管取样品深度如何,根据这二个剖面均可圈定出类似的异常。2

卢瑟福曾对观测到的一种现象发生了兴趣。大多数放射性物质能被收集在带有大约300伏负电位的小收集片上。通过观察,他认为空气中的氧衰变产物是正离子。为了把这种现象用于铀矿勘探,用带电收集片进行了研究〔图6a()〕。所用的样品重量和收集片与图6(b)的相同。图6(a)所示的带电收集片的测量结果与卢瑟福的观察相符。带电收集片上的放射性大约是不带电收集片的2.5倍,显然用这种带电方法可以提高收集片的灵敏度。2

与其它方法的比较我们的研究清楚地表明,用收集片方法可以探测到的铀矿化,既可采用在野外土壤层中挖孔悬挂收集片的方法,也可在实验室中用土壤样品进行收集测量。为把收集片法与已采用的测氧方法相比较,沿着南马奇测网的部分基线进行了土壤层抽气测量。所得结果与我们用铜收集片的测量结果进行了比较(图7)。抽气测量是在3小时内完成的,以便最大限度地减少周日变化和气象因素造成的影响。土壤层抽气测量和收集片测量的剖面图上均有二个明显的峰。在几个测点上土壤层抽气测量的值为0,可能是由于土壤孔隙中充水的结果。2

为了进行进一步的检验,采取了土壤样品,并用常规萤光法分析铀。其结果与收集片的结果很相符。

从上述各种剖面图可以看出,它们相互之间是类似的。因此可以认为,收集片方法与萤光测铀法和土壤层抽气测氧法相比,在效果上是有利的。2