Для быстрого развития минерально-сырьевой базы Советского Союза, предусмотренного Директивами XXIV съезда КПСС, необходимо совершенствовать методы разведки полезных ископаемых, методы анализа минералов.

Приборы, основанные на ядерных излучениях, открыли новые пути к полезным ископаемым. Весьма эффективен для разведки так называемый нейтронный карротаж нефтяных пластов.

В нефтеносных районах пласты породы, пропитанные нефтью, могут залегать один над другим. Иногда ресурсы старых нефтяных скважин остаются неиспользованными до конца. Из глубокого пласта вся нефть откачана, а в верхних еще лежит нетронутая нефть, не замеченная когда-то геологами. Как обнаружить нефть в верхних пластах?

Стенки старой скважины защищены толстой стальной трубой. Нужно как-то ухитриться увидеть сквозь металлическую стенку нефть. Единственное средство, годное для зондирования, — нейтронные потоки. В скважину опускают специальный генератор быстрых нейтронов. Основа генератора — ускоренный высоким напряжением пучок ядер дейтерия, тяжелого водорода. Дейтерий падает на мишень, содержащую тритий, еще более тяжелый радиоактивный изотоп водорода. В столкновении ускоренных ядер дейтерия и трития возникают быстрые нейтроны. Генератор работает в импульсном режиме. Сгустки быстрых нейтронов легко проходят через стальную трубу и проникают в пласт породы, окружающей место заглубления генератора. Часть нейтронов отражается веществом пласта на нейтронный счетчик, который опускают вместе с генератором. Особенно много нейтронов попадает на счетчик, когда он достигает нефтяного пласта. И не только велико число отраженных нейтронов, но и поступают они на счетчик длительное время, в несколько раз больше длительности первичного импульса. По интенсивности и длительности геологи уверенно находят новый нефтяной пласт, изучают его структуру.

Нефть хорошо отражает нейтроны и затягивает отраженный нейтронный импульс, потому что в ее состав входят водородсодержащие молекулы. Водород, как мы знаем, эффективно замедляет нейтроны, и они надолго запутываются в сложных нефтяных молекулах. Поэтому импульс и растягивается во времени. Нефть не загрязнена примесями, жадно поглощающими нейтроны, и на счетчик приходит интенсивный импульс. На первый взгляд, нейтронный разведчик может спутать воду с нефтью. Чистая вода еще лучше, чем нефть, замедляет и отражает нейтроны. Но никаких ошибок не происходит. Дело в том, что в скважинах нефтяных месторождений вода основательно засолена, а в состав солей входят атомы металлов — активных пожирателей нейтронов. Поэтому отражает нейтроны засоленная вода очень слабо.

Ядерными методами выявляют в горных породах малейшие примеси элементов. И опять помогают нейтроны. Исследуемый образец облучают интенсивным нейтронным потоком. Стабильные ядра определенного сорта становятся неустойчивыми и, распадаясь, излучают присущие только им гамма-кванты. Радиоактивность регистрируется специальными кристаллами, преобразующими ядерные гамма-кванты в световые, или германиевыми полупроводниковыми счетчиками гамма-излучения, в которых энергия гамма-квантов переходит в электрические импульсы. И кристаллы и германиевые счетчики — хорошее средство для определения с очень большой чувствительностью изотопов по характеру их излучения. Таким способом несложно обнаружить присутствие в рудах редкоземельных элементов, легко производить анализы пород на медь, молибден, палладий. Недостаток нейтронного анализа ископаемых, долгое время сдерживавший его применение, связан с трудностью облучения минералов в полевых условиях достаточно интенсивным нейтронным потоком. Теперь созданы специальные перевозные ядерные реакторы-мультипликаторы, в которых цепная ядерная реакция поддерживается нейтронным источником. Мультипликатор безопасен в любых условиях эксплуатации и во время транспортировки. Как только внешний источник удаляют, реакция глохнет. На довольно сложном, громоздком мультипликаторе получают сравнительно скромный поток нейтронов — несколько десятков миллиардов в секунду. Столько же нейтронов генерирует крупинка искусственного элемента калифорния весом в несколько миллиграммов. Калифорниевый компактный источник нейтронов из вещества, накопленного в ядерном реакторе, — большая ценность для нейтронного анализа. Несомненно, что в определенных условиях с миниатюрными источниками можно будет вести и разведку нефтяных месторождений.

Нефтяные месторождения по земному шару распределены неравномерно, да и положение их, как правило, не совпадает с промышленными центрами. Нефти нет под Москвой, а на севере Тюменской области богатейшие запасы. У такой страны, как Италия, нет своих нефтяных месторождений промышленного значения. Поэтому зачастую нефть приходится доставлять на большие расстояния. На море транспортировка решается постройкой гигантских танкеров. Сложнее перевозить нефть по сухопутным дорогам. Самый лучший сухопутный способ доставки — нефтепровод. В прежние времена перекачка горючего разным потребителям по одному и тому же проводу вызывала значительные неудобства.

В наши дни на разные сорта горючего научились ставить радиоактивное тавро. Так, скажем, когда кончается подача горючего на завод, в трубопровод добавляют малое количество радиоактивного вещества. У приемного резервуара стоит счетчик, регистрирующий излучение примешенного изотопа. Как только появилась радиоактивость, резервуар отключают, а горючее направляется другому потребителю. Распределение осуществляется автоматически, приводы, управляемые радиоактивными счетчиками, сами переключают нужные вентиля.

Для маркировки подбираются такие изотопы, излучение которых не грозит опасностью человеку. Обычно их периоды полураспада невелики, и радиоактивность после их применения быстро исчезает.

Сравнительно недавно ответственные детали проверяли выборочным способом. Вместо двух отливок ротора электрического генератора делали три. Одну из них разрезали на части, и если в ней не было дефектов, то считалось, что и две другие, изготовленные в таких же условиях, не содержат ни трещин, ни раковин. Нечего и говорить, насколько дорог и вместе с тем ненадежен такой способ контроля. Конечно же, хорошее качество одной детали или даже нескольких не обеспечивает полностью высокое качество остальных. Во многих случаях желательна полная гарантия. Представьте себе, что в роторе современной турбины есть трещина. Центробежные силы непременно разорвут вращающийся с огромной скоростью ротор. Его массивные части разлетятся со скоростью артиллерийского снаряда, разрушат здание, могут погубить людей.

Сегодня таких катастроф не происходит. Любое ответственное изделие из металла — будь то сварные швы котла высокого давления или ротор турбины, надежно проверяется гамма-дефектоскопом. Нет нужды резагь швы или разрушать поковку ротора, чтобы убедиться в надежности изготовленных узлов. Гамма-лучи радиоактивного кобальта проникают сквозь большие толщи металла. Контролируемая деталь помещается между кобальтовым источником и фотопленкой. «Кобальтовые» лучи проходят сквозь деталь и поглощаются металлом. В тех частях детали, где находятся пустоты и трещины, поглощение меньше, и пленка облучается неравномерно. Напротив мест, где были трещины и раковины, на проявленной фотоэмульсии появляются темные пятна, потому что сюда попадают более интенсивные пучки гамма-лучей.

Гамма-дефектоскопия — хорошее средство проверки прочности элементов мостов, корпусов кораблей, герметичности газопроводов.

Быстро летит между вальцами прокатного стана стальная лента. И все малейшие изменения ее толщины известны оператору, хотя у него нет ни микрометра ни других мерительных инструментов. Да и как измерить толщину ленты, не останавливая ее бег? Вдоль прокатного стана устанавливают источник гамма-лучей и счетчик радиации. Между счетчиком и источником движется прокат. Интенсивность импульсов излучения, регистрируемая счетчиком, возрастает с уменьшением толщины ленты, приборы преобразуют полученные данные в миллиметры и передают на пульт управления или автоматическое устройство, регулирующее работу стана.

В процессе золочения изделий желательно наносить золотое покрытие вполне определенной толщины. Но как измерить золотой слой, уже нанесенный на контакты электронных блоков современного компьютера? Золоченую поверхность облучают быстрыми бета-частицами — ядерными электронами, испускаемыми радиоактивным изотопом. Золото тяжелый металл. В его атомном ядре 79 протонов — значительно больше, чем в покрываемых металлах. Вещество тем сильнее отражает электроны, чем больше протонов в его атомных ядрах. Поэтому отражательная способность золоченой поверхности в сильной степени зависит от толщины золотого покрова. Приборы регистрируют число электронов и по степени их отражения измеряют микронные покрытия с большой точностью, скоростью и, главное, без всяких повреждений защитного золотого слоя.

Производительность многих важнейших процессов текстильной промышленности зависит от скорости подачи ткани. Барабаны с тканью могли бы вращаться с очень большой скоростью, но... барабан напоминает старинную электрическую машину, построенную немецким изобретателем Отто фон Герике. В машине Герике электричество накапливалось на большом изолированном крутящемся шаре, когда его поверхность натирали сукном. Так же как и шар старинной электрической машины, барабан при большой скорости вращения заряжается до высокого электрического потенциала. Рано или поздно между бобиной барабана и другими деталями проскакивает электрическая искра и возникает пожар.

Нельзя ли найти способ постепенно разряжать барабан, без остановки производственного процесса?

Выручает мощный источник альфа-частиц, помещенный рядом с бобиной. Альфа-частицы ионизируют окружающий воздух, его проводимость возрастает, и заряд стекает на землю. Такой способ не только обеспечивает безопасность. Увеличивается скорость подачи ткани, а значит, и производительность фабрики.

Многие тысячи жизней спасены излучением радиоактивного кобальта. Но ядерные излучения служат основой и для более тонких медицинских приборов. За последние годы созданы стимуляторы сердечной деятельности, рассчитанные на непрерывную работу в течение многих лет. Главный элемент стимулятора — миниатюрный источник ядерной энергии, заряженный легким изотопом плутоний-238. Легкий плутоний испускает интенсивные потоки альфа-частиц. Энергия альфа-частиц рассеивается в веществе и переходит в тепло.

При распаде одного атомного ядра плутония выделяется громадная энергия. Столько же тепла освобождается при окислении нескольких миллионов атомов углерода. В ампуле с пятьюдесятью граммами плутония-238 развивается тепловая мощность 28 ватт. Заметим для сравнения, что максимальная мощность свинцового аккумулятора такого же веса — всего четверть ватта. Велик запас энергии в плутониевом аккумуляторе. Он уменьшается наполовину лишь за 90 лет. Поэтому вживленный в организм больного стимулятор не требует перезарядки — его энергии хватает на всю жизнь.

Существует немало ядерных излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность делает легкий изотоп плутония незаменимым. Обычно альфа-распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. Плутоний-238 — одно из немногих исключений. Энергия гамма-квантов, излучаемая после его альфа-распада дочерними ядрами, сравнительно невелика, и защититься от плутониевых гамма-лучей несложно — их поглощает тонкая металлическая стенка контейнера малого веса.

За последние годы был создан проект искусственного сердца, питаемого энергией альфа-частиц плутония-238.

В некоторые приборы иногда помещают небольшие количества америция-241. Вылет альфа-частицы из ядра америция сопровождается гамма-излучением с энергией 60 тысяч электрон-вольт. Крошечный препарат америция и детектор гамма-лучей, расположенные должным образом, позволяют определить по поглощению гамма-квантов толщину металлической пластины и уровень жидкости. Если из ближайших к атомному ядру электронных орбит каким-то образом удален электрон, то за очень короткое время его место займут периферийные электроны. Перемещение электронов не проходит бесследно, атом испускает квант рентгеновского излучения, энергия которого пропорциональна квадрату атомного номера элемента. Поток таких квантов называют рентгеновским характеристическим излучением.

Америциевым препаратом можно надежно определять концентрацию того или иного элемента. Его мощность излучения не зависит ни от каких внешних факторов. Поток гамма-квантов медленно изменяется во времени— период полураспада америция 475 лет, и можно пренебречь уменьшением активности препарата благодаря распаду.

Если кусочек америция поднести к щитовидной железе человека, то гамма-лучи америция начнут вырывать электроны из атомов щитовидной железы. Химические элементы каждого ее участка будут испускать свои характеристические рентгеновские лучи. По числу иодных характеристических квантов, отобранных и сосчитанных полупроводниковым детектором, можно определить концентрацию иода в тканях того или иного участка. В руках врача окажется картина распределения иода по железе. По ней и определяют состояние больного. Внешнее облучение с успехом заменяет процедуру, когда в организм больного вводят радиоактивный изотоп иода и после его усвоения изучают распределение введенного иода по щитовидной железе. Теперь, с разработкой нового метода детектирования иода, в организме не задерживается остаточная радиоактивность, и доза облучения пациента значительно уменьшается по сравнению со старым способом диагностики.

В будущем предполагается по характеристическому излучению определять атомные номера короткоживущих далеких элементов. Ныне разработана методика измерения атомного номера по распаду одиночного атома. Известно, что все далекие элементы, такие, как, например, элемент 110, должны испускать альфа-частицы. При этом электронные оболочки атомов дочернего ядра — 108-го элемента — будут разрушены альфа-частицей, вылетевшей из ядра. При восстановлении внутренней оболочки атом испустит характеристические лучи элемента 108, заряд ядра после альфа-распада уменьшится на две единицы. Следовательно, характеристические кванты элемента 108 будут сигнализировать о рождении атома 110-го. Такой элементный анализ отличается невероятной быстротой, если его сравнивать с обычными методами, в принципе можно регистрировать атомы со временем жизни, меньшим миллионной доли секунды.

Ученые полагают, что некоторые опухоли можно успешно разрушать нейтронным излучением. Для этой цели были изготовлены специальные иглы, в остриях которых содержится несколько микрограммов калифорния. Крошечный нейтронный источник вводится вместе с иглой непосредственно в опухоль и разрушает ее, оказывая сравнительно слабое влияние на другие части организма.

Нейтронный микроисточник открывает новые пути и для изучения внутреннего строения мягких тканей. Рентгеновские лучи хорошо выявляют структуру скелета и чужеродные тела в организме. Но собственные изменения в глубине мягких тканей, например мышц, на экране рентгеновского аппарата не проявляются. Нейтронный «рентген» дополняет диагностику: в отличие от рентгеновских квантов нейтроны сильно рассеиваются ядрами легких элементов, особенно водородом, входящим в молекулы органических тканей. По характеру рассеяния несложно выяснить тканевую структуру.

Обширна область применения ядерных излучений и их индикаторов. Здесь и разведка полезных ископаемых, и лечение заболеваний человека, и исследование процессов фотосинтеза, и испытание на прочность поршневых колец двигателей, и изучение процессов доменной плавки, и взвешивание железнодорожных вагонов. И многое, многое другое. Причем область применения ядерных излучений и ядерных приборов непрерывно расширяется.