2015-07-03
2117
Активационный анализ - наиболее распространенное направление среди ядерно-физических методов определения состава вещества. Активационный анализ впервые предложен Д. Хевеши и Г. Леви (1936). Образец облучается потоком частиц или гамма-квантов (активация).
Рис. 3.1. Часть спектра радиоактивного воздушного фильтра с указанием
некоторых «Чернобыльских» изотопов.
В результате ядерных реакций часть стабильных ядер превращается в радиоактивные или возбужденные. Идентификация элементов и количественный анализ производятся путем измерения энергетических спектров и интенсивности излучения, а также по периоду полураспада радиоактивных ядер. Т. к. в основе активационного анализа лежат ядерные процессы, то результаты активационного анализа не зависят от того, в какое химическое соединение входят атомы определяемых элементов, но чувствительны к изменению изотопного состава элементов.
Если в результате облучения образуется радиоактивный нуклид с периодом полураспада Т1/2, то при времени облучения t активность радионуклида к концу облучения (расп./с) будет составлять
|
|
|
С = ФσN[1-exp(-t/T1/2)] (3.1)
Если время облучения намного превосходит период полураспада (t >> T1/2), то достигается насыщение активности образующегося нуклида: сколько атомов его образуется в единицу времени, столько и распадается. Выражение в скобках в этом случае равно почти 1. Определив, какие р/а радионуклиды образовались и из каких стабильных нуклидов, можно определить качественный состав объекта на присутствие этих стабильных нуклидов, а следовательно, и соответствующих элементов. Измерение активности радионуклида позволяет найти количественное содержание N данного стабильного нуклида в объекте, а при известном изотопном составе соответствующего элемента – содержание последнего. В этом и заключается принцип радиоактивационного анализа (РАА). Чтобы найти N по формуле (3.1), необходимо знать абсолютные значения активности С, плотности потока Ф, усредненной по объему образца, сечения σ, усредненного по спектру частиц, а так же временные факторы. Такой подход – абсолютный РАА – используется редко. Как правило, применяют относительную методику: наряду с объектом облучают стандартный образец (эталон) с известным весовым содержанием искомого стабильного нуклида.
Таблица 3. 1.
Классификация ядерно-физических методов элементного анализа вещества
| Тип ядерно- физического анализа | Метод анализа | Нижн. пред. определения элемента, % | Основные преимущества | Недостатки и ограничения |
| Рентгенорадио-метрический | Рентгенофлуорес-центный | 10-2 – 10-4 | Простота аппаратуры. Высокая экспрессность. | Невысокая чувствительность анализа. Необходимость учета матричного эффекта |
| Рентгеноабсорб-ционный | 100 – 10-2 | То же | Невысокая чувсвительность | |
| Нейтронный | Нейтронно- радиационный | 100 – 10-2 | Высокая экспрессность | Малая чувствительность, ограниченный перечень определяемых элементов, мешающие факторы |
| НАА:: | ||||
| на тепловых нейтронах | 10-5 – 10-8 | Высокая чувствительность | Наличие эффектов самоэкранирования, высокая активация элементов матрицы | |
| на резонансных нейтронах | 10-4 – 10-6 | Высокая селективность | Влияние эффектов самоэкранирования. Ограниченный перечень определяемых элементов | |
| на быстрых нейтронах | 10-3 – 10-5 | Высокая чувствительность и представительность | Влияние водорода содержания, высокая активация элементов матрицы | |
| Фотоядерный | Фотонейтронный | 10-4 – 10-5 | Высокая экспрессность и представительность | Малые сечения взаимодействия, ограниченный перечень определяемых элементов |
| Фотоактивацион-ный (гамма-активационный) | 10-4 – 10-6 | Высокая экспрессность, електив- ность, представительность, слабая активация матрицы | Малые сечения взаимодействия. Необходимость применения сильноточных ускорителей | |
| Анализ на заряженных частицах | С регистрацией мгновенного излучения | До 10-10 | Свервысокая чувствительность в варианте возбуждения флуоресцентного излучения | Очень малая представительность |
Геометрические, физические и химические характеристики эталона и объекта, а также условия облучения должны быть достаточно близкими. Это позволит считать одинаковыми усредненные плотности потоков, эффективные сечения и условия измерения активности. Тогда, если и время облучения одинаково, искомое весовое содержание находят как:
|
|
|
g = gэтα/αэт, (3.2)
где a, и aэт – относительная активность объекта и эталона на момент окончания облучения. В подавляющем большинстве случаев изотопный состав данного элемента можно считать одинаковым для объекта и эталона. Тогда формула (3.2) используется применительно к элементному содержанию.
Наиболее распространенная операция при измерении наведенной активности - получение и анализ аппаратурных g-спектров, т.е. энергетических спектров взаимодействия g-квантов с веществом детектора. Важнейшим элементом спектрограммы является ряд фотопиков, каждый из которых соответствует образованию в веществе детектора фотоэлектронов с энергией, равной энергии g-квантов. Набор фотопиков, таким образом, характеризует дискретные g-спектры присутствующих в образце радионуклидов, что позволяет идентифицировать эти нуклиды в смеси. Число импульсов в фотопике принимают за относительную активность. Каждый фотопик сопровождается в сторону более низких энергий непрерывным комптоновским участком спектра, соответствующим образованию комптоновских электронов. g–кванты с энергией выше 1,02 МэВ производят пары электрон-позитрон. В этих случаях на спектрограмме имеются и аннигиляционные пики, т.е. фотопики от аннигиляционных квантов, как и при позитронных излучателях.
Для регистрации g-квантов пользуются сцинтилляционными и полупроводниковыми детекторами. В первом случае это обычно NaI(Tl) – кристалл йодида, активированный таллием, во втором – Ge(Li) – кристалл германия с присадкой лития. Сцинтилляционные счетчики с фотоумножителями позволяют добиться большой эффективности регистрации при использовании больших кристаллов. Полупроводниковые детекторы обладают лучшим разрешением по энергии g-квантов. Импульсы, возникающие в детекторе, сортируются соответственно их энергии в амплитудном анализаторе. С выхода последнего и получают аппаратурный спектр, который может выдаваться в цифровом, графическом или ином кодированном виде. Сочетание анализатора с компьютером позволяет проводить непосредственную обработку спектров с выдачей содержания элементов в образце.
|
|
|
В качестве примера на рис 3.2 приведен участок аппаратурных g-спектров, полученных с помощью сцинтилляционного и полупроводникового детекторов от одного и того же активированного образца крови со стабильной меткой 58Fe. Тогда как для детектора NaI(Tl) время счета составило 5 мин, для детектора Ge(Li) оно было 50 мин из-за меньшей эффективности регистрации g-квантов. Однако в последнем случае разрешение фотопиков настолько лучше, что, кроме 59Fe, образовавшегося из 58Fe при активации нейтронами, удается различить некоторые фотопики, соответствующие другим продуктам активации. Эти продукты вносят существенный вклад в кажущиеся однородными фотопики 59Fe на спектрограмме, полученной с помощью NaI(Tl).
Главные достоинства активационного анализа: возможность определения малых содержаний элементов в различных объектах и проведение массовых экспрессных анализов образцов. РАА применяется для определения примесей в сверхчистых материалах (в реакторостроении и электронной промышленности), содержания микроэлементов в биологических объектах при экологических и медицинских исследованиях, а также в археологии и криминалистике.
Рис 3.2. Участок γ-спектра одного и того же образца крови, полученного с
помощью различных детекторов: кружки – NaI(Tl); точки – Ge(Li).
Активационный анализ успешно используется также при поиске полезных ископаемых, для контроля технологических процессов и качества выпускаемой продукции. По виду активирующего излучения РАА подразделяется на:
● нейтронно-активационный анализ,
● гамма-активационный (фотоядерный) анализ,
● анализ на заряженных частицах (протонах, дейтронах, альфа-частицах и
тяжелых ионах).
Наиболее распространены первые два метода. Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малыми пробегами в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и при изучении поверхностных явлений (адсорбции и др.).
|
|
|
