Фотоядерный активационный анализ (ФАА)

В ряде случаев НАА оказывается недостаточно эффективным. В этом случае для элементного анализа используют фотоны высокой энергии. Ядерные превращения, вызванные фотонами, объединяют в класс фотоядерных реакций. Они были открыты Чедвиком и Гольдхабером в 1934 г. при исследовании процесса фотодезинтеграции дейтерия (g+ ²D®). Фотоны высоких энергий обладают большой проникающей способностью. Основной процесс активации - реакция (g,n). Продуктом этой реакции является нейтроно-дефицитное ядро изотопа первоначального элемента, которое распадается либо с испусканием позитрона, либо путём электронного захвата. Образующиеся при этом дочерние ядра находятся в возбуждённом состоянии и, переходя в основное, испускают один или несколько g-квантов. Выделяют 4 основных схемы ФАА:

1. Прямая регистрация продуктов фотоядерной реакции;

2. Фотоактивация элементов в результате фотоядерной реакции;

3. Фотовозбуждение изомерных состояний за счёт (g,g¢) реакций;

4. Активация образцов вторичными нейтронами (фотонейтронами), возникающими в результате реакций (g,n), (g,pn), (g,2n), (g,f).

· Первая схема применяется для определения, главным образом, Be, а также Li, Hg, W,

в составе горных пород и металлов. Для определения делящихся материалов ²³⁸U,

²³⁵U, ²³²Th, ²³⁹Pu.

· Вторая имеет высокую чувствительность и применяется в значительно большем

диапазоне элементов по Z. Известны примеры использования этого метода для

анализа лунного грунта, археологических образцов, предметов искусства, для

решения проблем экологии и т.д.

· (g,g¢) – по этой реакции образуются метастабильные состояния первичных ядер. Нет

фона других частиц. Применяется при Z>30. Данный метод ФАА отличается высокой

селективностью, прост, точен, но требует высокой интенсивности g -пучка.

· Возможности использования фотонейтронов сопоставимы с возможностями НАА. Для ФАА используется тормозное излучение высокой интенсивности (10¹⁴-10¹⁵ квант/с), получаемое на бетатронах, микротронах и линейных ускорителях электронов. В качестве радиатора используются тугоплавкие мишени из материала с большим Z, типа вольфрама. Фотоядерные реакции позволяют активировать практически все элементы периодической системы элементов с пределом обнаружения ~(10^-4- 10^-7)%.

Измерение активности и спектров излучения производится с помощью различных детекторов частиц. Наилучшие результаты дают гамма-спектрометры высокого разрешения с использованием полупроводниковых детекторов, обладающих энергетическим разрешением до нескольких десятых долей кэВ.

Для анализа полученных спектров и обработки результатов измерений применяются многоканальные анализаторы, микропроцессоры, ЭВМ, позволяющие в совокупности с автоматической системой перемещения образцов полностью автоматизировать процесс.

3.2. Рентгеновский эмиссионный анализ.

Рассмотрим ещё один весьма распространённый вид ЯФМА --- рентгеновский эмиссионный анализ (РЭА). При облучении ионизирующими частицами каждый элемент, присутствующий в образце, индуцирует характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ). По положению определенных энергий фотонов в общем спектре можно идентифицировать каждый из элементов, а по интенсивностям фотонов этих энергий - найти концентрацию элементов. В этом и заключается принцип РЭА.

ХРИ сопровождается в большей или меньшей степени тормозным излучением, также возникающим при прохождении заряженных частиц через вещество. Тормозное излучение с его непрерывным спектром является мешающим фактором при РЭА. Образование электронов Оже является конкурирующим процессом по отношению к испусканию характеристического рентгеновского излучения. Однако сами по себе электроны Оже не мешают регистрации рентгеновских фотонов. Известно несколько способов возбуждения и регистрации ХРИ.

Возбуждение можно осуществить рентгеновским излучением (в этом случае метод называют рентгено-флюоресцентным анализом (РФА), g-излучением, заряженными частицами: b- и a-частицами, испускаемыми радионуклидами, электронами, протонами, дейтонами, гелионами и более тяжелыми заряженными частицами, получаемыми на ускорителях.

Один метод регистрации характеристического излучения основан на разрешении по длине его волны, которая, как известно, однозначно связана с энергией его квантов. Для этого применяют кристалл-дифракционные спектрометры (КДС). Синус угла дифракции пропорционален длине волны или обратно пропорционален энергии квантов. Для этого применяют дифракционные кристаллы. Синус угла дифракции пропорционален длине волны или обратно пропорционален энергии квантов.

В последнее время получил распространение метод, основанный на разрешении по энергии, с использованием полупроводниковых Si(Li)-детекторов - кремниевых с присадкой лития или Ge(Li)-детекторов (ППД). Хотя разрешение КДС обычно лучше, чем разрешение ППД, метод, основанный на разрешении по энергии, имеет преимущества в быстроте, легкости автоматизации и портативности аппаратуры.

Сравнение различных методов возбуждения показывает, что наилучшую чувствительность и разрешение обеспечивает возбуждение монохроматическим рентгеновским излучением или низкоэнергетическими (1-3 МэВ) протонами. Преимущество РЭА с возбуждением протонами по сравнению с методами, в которых используется возбуждение тормозным излучением или электронами, заключается в том, что интенсивность тормозного излучения протонов ничтожно мала по сравнению с тормозным излучением электронов или рассеянным рентгеновским излученном при данной интенсивности возбуждаемого характеристического излучения. Вместе с тем, сечения взаимодействия протонов с внутренними электронами атомов высоки (до 10³ барн).

Облучение образцов протонами (или другими заряженными частицами) можно осуществлять в вакуумной камере или в воздухе. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки, однако все же облучение в воздухе используется все чаще. С его помощью можно анализировать и жидкие образцы, в частности, в виде висячей капли.

Рассмотрим особенности РЭА при анализе примесей в карбиде бора. Рентгеновское излучение возбуждалось протонами с энергией 2,5 МэВ и регистрировалось Si(Li)-детектором. Импульсы сортировались по энергиям на многоканальном анализаторе, номер канала в котором пропорционален энергии импульса. Аппаратурный спектр рентгеновского излучения образца приведен на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Спектр рентгеновского излучения, возбужденного протонами в

карбиде бора.

Пики соответствуют энергиям квантов характеристического рентгеновского излучения, испускаемого после ионизации на ближайшей к ядру так называемой К-оболочке или на следующей L-оболочке. Индексы при буквах К и L соответствуют переходам на данную оболочку со следующей a или с более далеких оболочек b,g... Таким образом, железо, например, можно определять по переходу на К-оболочку с L-оболочки (индекс Кa) или с М-оболочки (Кb). Сечение ионизации К-оболочки уменьшается с порядковым номером элемента. Поэтому такой элемент, как свинец, определяют по переходам на L-оболочку с еще более далеких оболочек. Энергия квантов характеристического излучения для каждого данного перехода, например, Кb, Lα и т. п., монотонно увеличивается с порядковым номером элемента.

В отличие от g-спектров рентгеновские спектры даже сложных образцов поддаются простой интерпретации, хотя на К-пики более легких элементов могут накладываться L-пики более тяжелых.

Для элементов с меньшим порядковым номером, чем у фосфора, энергия рентгеновских квантов становится меньше, чем 2 кэВ. Такие кванты настолько сильно поглощаются на пути в детектор, что их регистрация в воздухе невозможна. Лишь при использовании вакуумированного детектора можно расширить круг определяемых элементов до углерода.

Радиоактивационный анализ на тяжелых заряженных частицах удобно применять для анализа легких элементов и затруднительно с увеличением порядкового номера элемента. Таким образом, РЭА и РАА на одних и тех же частицах (протонах, дейтонах) в аналитическом отношении дополняют друг друга и действительно иногда применяются в комбинации.

Как и при активационном анализе на заряженных частицах, наибольшие чувствительность и точность количественных определений в РЭА достигаются при использовании тонких образцов с типичной толщиной порядка 1 мкм. Толстые образцы гораздо легче изготовлять, но из-за сильных изменений сечения ионизации с глубиной и самопоглощения рентгеновского излучения в образце трудно добиться соответствия образца и эталона или достаточно точного учета этих факторов при абсолютном анализе. Применение внутреннего эталона, если это возможно, существенно улучшает надежность количественных данных.

Реальные чувствительности РЭА, достигаемые в настоящее время на ускорителях, находятся в пределах от 10^-3 мкг/г для более тяжелых элементов до 10 мкг/г для более легких элементов, но не легче, чем калий. Характерная масса образца составляет (10 – 30) мг, что позволяет отнести РЭА к методам микроанализа. Токи протонов или других частиц, используемые при РЭА, пока ограничены десятками наноампер при облучении в вакууме и сотнями при облучении в воздухе.

Практическое использование РЭА.

Рентгеновский эмиссионный анализ с возбуждением тяжелыми заряженными частицами начал применяться лишь с 1970 г. Тем не менее, метод уже получил признание и быстро внедряется в промышленность, медицину и в службу охраны окружающей среды. Задачи, решаемые с помощью РЭА, сходны, по существу, с задачами, решаемыми с помощью активационного анализа на запряженных частицах, с той разницей, что РЭА предпочтителен для определения тяжелых элементов в матрицах из легких элементов.

Другими примерами, когда промышленное использование РЭА с возбуждением протонами или другими частицами может оказаться экономически целесообразным, являются контроль металлических примесей в оловянном покрытии медной проволоки и контроль поверхностного загрязнения магнитной пленки. Экспресс-анализ сплавов на основные составляющие и содержание присадок также должен получить промышленное применение. Даже для толстых образцов достигнутые чувствительности определения металлических присадок в сталях составляли порядка 10 мкг/г. При этом авторы применяли майларовый и хромовый поглотители: первый - для устранения тормозного излучения от вторичных электронов, второй - для устранения влияния сильного характеристического рентгеновского излучения от железа.

Следует отметить и применения РЭА для решения разовых задач, например, таких, как определение природы налета на изоляторах, появление которого могло привести к пробою.

В медицинской практике РЭА применяют для диагностики первичного цирроза по резко повышенным концентрациям меди и цинка в печени. Возможность анализа образцов массой всего (10 – 12) мг, которые достаточно легко получать у пациентов пункционной биопсией, обусловливает основное достоинство применения метода.

С целью охраны здоровья населения, которому угрожает загрязнение окружающей среды, налаживают методики РЭА для массовых исследований биологических образцов. Контролируют уровни свинца в молочных зубах у детей и в крови жителей загрязненных районов, проводят многоэлементный анализ загрязнителей (ртути, кадмия, свинца и др.) в полосах. В последнем случае возможности метода ярко выявлены и работе, в которой единичный волос анализируют в сечении сканированием протонным пучком диаметром 5 мкм. Практическое значение работы заключается в том, что по распределению микроэлементных загрязнителей по сечению волоса можно судить об источнике их поступления. Сканируют волосы и вдоль их длины, что позволяет в некоторых случаях выявить историю поступления загрязнителей внутрь организма.

Рис 3.4. Временные вариации относительных концентраций некоторых

загрязнителей в воздухе по числам и времени суток.

Быстро растет число работ по РЭА разнообразных объектов окружающей среды: воздуха, воды, почвы, растений и животных, особенно входящих в пищевую цепочку человека, отходов промышленности, коммунального и сельского хозяйства.

Частицы, взвешенные в воздухе, анализируют на элементный состав в целях определения не только уровня, но и источника загрязнений, как и при использовании АА. Однако преимуществом РЭА является высокая производительность метода - многие тысячи образцов в год. Наряду с фракционным анализом взвешенных частиц по их размерам исследуют элементный состав аэрозолей, задержанных фильтрами в последовательные промежутки времени безотносительно к их размерам. Такого рода анализ тоже позволяет установить роль различных источников загрязнения. В частности, важное значение имеет контроль за компонентой, обусловленной интенсивными потоками автотранспорта. Этот компонент идентифицируется по определенному элементному составу и вариациям концентраций соответствующих элементов в воздухе в течение суток. Результаты таких измерений вблизи автострады для пар Рb-Вr, Са-Fe и Cl-S приведены на рис.3.4. Свинец и бром, очевидно, обусловлены автомобильными выхлопами. Их концентрации хорошо скоррелированы между собой, максимумы приходятся на часы пик, а минимум - на ночное время. Главным источником пары Са-Fe является дорожная пыль, поднимаемая автомобилями. Однако есть и вклад выдуваемой почвы, что видно по нарушениям регулярности. Сера и хлор не обнаруживают регулярных вариаций в течение суток. Содержание серы обусловлено более или менее постоянными источниками загрязнения при сжигании топлива и т. п. Появление «всплесков» хлора связано с ветрами с моря. Результаты этих измерений не только нужны для систематического контроля, но используются при рассмотрении проекта расширения дороги в целях предсказания его последствий.

Можно не сомневаться, что РЭА с возбуждением протонами и другими тяжелыми заряженными частицами, получаемыми на ускорителях, будет развиваться опережающими темпами по сравнению с другими аналитическими методами, осуществляемыми на ускорителях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузнецов Р. А. Активационный анализ. М., Атомиздат, 1967.