Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Рентгеновское излучение, так же как и гамма-излучение, представляет собой электромагнитные колебания и отличаются от него лишь природой своего происхождения. Энергия фотонов рентгеновского излучения лежит обычно в интервале от нескольких кэВ до нескольких сотен кэВ. Взаимодействие рентгеновского излучения описывается теми же законами, что и для гамма-излучений подобных энергий.

Рентгеновские лучи способны также возбуждать люминесценцию минералов, представляющую собой неравновесное излучение света телами в видимой, ультрафиолетовой или инфракрасной областях спектра, избыточное над тепловым излучением этих тел. Это явление получило название рентгенолюминесценции.

Люминесценцию в целом можно рассматривать как способ преобразования какого-либо вида энергии (в случае рентгенолюминесценции - энергии рентгеновских лучей в световое излучение).

Согласно современным представлениям, люминесценция в общем виде протекает следующим образом: энергетическое воздействие рентгеновских лучей на кристалл сопровождается частичным поглощением этой энергии, в результате чего возбуждаются центры люминесценции, которыми являются обычно примесные или собственные ионы, молекулы, более сложные ассоциации и комплексы. Под действием внешней энергии излучения электроны в центрах свечения переходят в возбужденное состояние с последующим излучением света при переходе в первоначальное состояние. Если электроны возвращаются в основное состояние путем безызлучательного перехода, то люминесценции не наблюдается.

При облучении рентгеновскими лучами, кроме того, наблюдаются и другие явления в кристалле - ионизация, захват электронов, дырок. Конечным же этапом этих процессов является рентгенолюминесценция. Активаторами люминесценции различных минералов могут быть, например, ионы в трехвалентном и (реже) в двухвалентном состоянии. Наиболее типичные активаторы люминесценции – ионы Cd³⁺, Dy³⁺, Nd ³⁺, Sm ³⁺, Sm ²⁺, Eu ³⁺, Eu ²⁺ и другие.

Мощность излучения света при рентгенолюминесценции минералов обычно увеличивается с ростом энергии рентгеновских лучей.

Метод радиометрического обогащения, основанный на использовании различий разделяемых компонентов полезных ископаемых по световому потоку в видимой, ультрафиолетовой или инфракрасной областях спектра при рентгенолюминесценции, получил название рентгенолюминесцентного. Люминесцируют под действием рентгеновских лучей алмаз, шеелит, флюорит, апатит, берилл, повелит, кальцит, сподумен и др. Таким образом, рентгенолюминесцентный метод может быть применен для обогащения большого количества полезных ископаемых.

Рентгенолюминесценция алмазов является рекомбинационным процессом и в большей мере характеризует кристаллическую структуру вещества. Для спектра рентгенолюминесценции алмаза характерна так называемая А-полоса свечения – широкий бесструктурный участок спектра в диапазоне длин волн от 330 до 600 нм с максимумом около 460 нм, визуально воспринимаемый как голубое свечение (рис. 5.6.2). Оно вызывается рентгеновским и гамма - излучением. Именно на возбуждении А-полосы люминесценции рентгеновскими лучами с последующей регистрацией исходящего свечения фотоэлектронными умножителями и основана рентгенолюминесцентная сепарация.

Рис. 5.6.2. Нелюминесцирующий (слева) и люминесцирующий (справа) бриллианты.

Характеристика голубой полосы А-люминесценции в природных и синтетических алмазах при возбуждении ее электромагнитным излучением и заряженными частицами с энергией, близкой к энергии края фундаментального поглощения, исследовалась П. Дином. Показано, что А-полоса эффективно вызывается электронами с энергией более 500 эВ во всех исследованных образцах. Изучение влияния электрического и магнитного полей на вариации люминесценции позволило предположить, что излучение определяется наличием в алмазах определенного вида дефектов, являющихся центрами электронно-дырочной рекомбинации. В работе П. Дина и Дж. Мейла, которая является логическим продолжением предыдущей, на основе анализа процессов разгорания и затухания рентгенолюминесценции (кинетические характеристики) отмечено, что имеются, по крайней мере, два компонента свечения, отличающиеся постоянной времени затухания – «быстрый» (< 1 мсек) и «медленный» (> 50 мсек). Данная работа подтвердила предположение, что процесс высвечивания А-полосы является рекомбинацией донорно-акцепторных пар. Последующие работы Е.Ф. Мартыновича и его коллег показали, что сложная кинетика высвечивания А-полосы объясняется двухстадиальностью процесса. На основе исследований кинетических характеристик рентгенолюминесценции алмазов разработана серия сепараторов повышенной селективности. Эти аппараты отделяют алмазы от других люминесцирующих минералов тяжелой фракции по скорости затухания люминесценции после прекращения подачи возбуждающего импульса и более точно «распознают» алмазы среди других минералов.

Для природных алмазов характерно наличие оптически активных центров. В спектре они обозначаются как центр N3 (голубое свечение), центры S и Н (два различных семейства, дающие зеленое и желто-зеленое свечение, визуально довольно сходное). Оранжевую и красную люминесценцию дают центры с длинами волн 575 и 640 нм. Реже в алмазах встречаются и другие центры люминесценции.

Распределение центров по объему алмаза, как правило, крайне неоднородно, что находит отражение в оптическом спектре (рис. 5.6.3, 5.6.4). Источники люминесценции сосредоточены в образованных при росте граней октаэдра слоях, которые чередуются либо с нелюминесцирующими, либо содержащими другие дефекты слоями. Особенности распределения дефектов в кристаллах алмаза хорошо известны и описаны в работах А.В. Варшавского и В.В. Бескрованова, а также зарубежных ученых.

Рис. 5.6.3. Кристаллы алмазов с зональным внутренним строением.

Рис. 5.6.4. Кристаллы алмазов с секторальным внутренним строением.

При воздействии рентгеновского излучения на вещество может наблюдаться явление ослабления первичного потока рентгеновских лучей и возникновение вторичного рентгеновского излучения - флюоресценции.

Метод радиометрического обогащения, основанный на использовании различий в ослаблении рентгеновского излучения разделяемыми объемами полезных ископаемых, называют рентгеноабсорбционным. Метод радиометрического обогащения, основанный на использовании различий разделяемых объемов полезных ископаемых по интенсивности вторичного характеристического флюоресцентного излучения, возбуждаемого рентгеновскими лучами, предложено называть рентгенофлюоресцентным.

Люминесцентной сепарации подвергаются якутские алмазы на отечественных сепараторах типа ЛС и РЛС (конструкция которых по некоторым показателям лучше, чем у зарубежных). Кроме алмазов, люминесцентной сепарации подвергают берилл - флюоритовые руды и шеелитовые концентраты.

С 1968 г. рентгенолюминесцентные сепараторы для обогащения алмазов выпускаются в Англии. Во Франции разрабатывались сепараторы для шеелита, основанные на свойстве шеелита люминесцировать под воздействием ультрафиолетового излучения.

Рентгенолюминесцентная сепарация позволяет выделять до 40% отвальных хвостов из руды, поступившей на сепараторы. Производительность сепараторов составляет 35 ÷ 40 т/час.

---

Дата добавления: 2015-07-18