Ядерно-физический анализ

Ядерно-физические методы основаны на регистрации различных излучений, возникающих при ядерных реакциях, радиоактивном распаде элементов или при взаимодействии ядерных излучений с исследуемым веществом.

Их условно делят на две группы: первая включает методы, реализация которых связана со стационарным оборудованием (нейтронная активация, гамма-активация и др.); вторая включает методы с компактным аппаратурным оформлением (радиометрический, фотонейтронный, активационный, рентгенорадиометрический методы). Рассмотрим их подробнее.

Рентгенорадиометрические методы. Разработаны два варианта РРМ - флуоресцентный и абсорбционный.

Флуоресцентный анализ основан на возбуждении с помощью радиоизотопного источника характеристического излучения элементов, входящих в состав пробы, и последующем анализе этого излучения. Характеристическое излучение излучается фотонами мягкого гамма- или рентгеновского излучения. В зависимости от атомного номера определяемого элемента для возбуждения излучения применяют источники ¹⁰⁹Cd, ⁵⁷Co, ¹⁷⁰Tm, ¹⁵³Gd, ¹⁵⁵Eu и др. Интенсивности характеристического излучения элементов измеряют с помощью спектрометрических детекторов. Этим методом определяют элементы с порядковым номером больше 20. При использовании аппаратуры со сцинтилляционными и пропорциональными детекторами нижний предел обнаружения составляет 5´10^-3%, при использовании ППД - 1´10^-4%.

Абсорбционный анализ основан на том, что массовые коэффициенты поглощения определяемого элемента для излучений с энергиями фотонов, отличными от энергии края поглощения элемента, сильно различны. Излучения с соответствующими излучениями фотонов получают путем облучения определенных мишеней радиоизотопным источником. Регистрацию излучений осуществляют спектрометром со сцинтилляционным, пропорциональным или полупроводниковым детектором. Этим методом определяют элементы с Z>25 при содержании их в пробах от 0.01% и выше.

Активационные методы основаны на явлении образования под действием потока нейтронов, заряженных частиц или гамма-квантов радиоактивных изотопов из стабильных изотопов элементов, входящих в состав пробы. При облучении вещества пробы потоком элементарных частиц в ядерных реакторах или других источниках часть атомов образца взаимодействует с бомбардирующими частицами или гамма-квантами. Эти атомы превращаются в изотопы того же элемента или в изотопы других элементов в зависимости от природы бомбардирующих частиц. Во многих случаях образующиеся изотопы являются радиоактивными. Процесс образования радиоактивных ядер называется активацией.

В зависимости от вида бомбардирующих частиц различают нейтронно-активационный анализ (НАА), анализ с активацией заряженными частицами и гамма-активационный анализ (ГАА).

НАА. В этом методе для активации применяются изотопные источники, генераторы нейтронов, нейтронные размножители и ядерные реакторы. Максимальной чувствительностью обладает реакторный НАА, причем для облучения проб используются тепловые, быстрые и резонансные нейтроны. Наибольшее применение получил НАА на тепловых нейтронах, которые обычно вызывают реакции типа (n, g). Это обусловлено наличием высоких сечений активации для реакции (n, g) у большинства элементов. Этим методом определяют широкий круг элементов. Существуют два варианта НАА: радиохимический - связан с разложением облученного образца, выделением радиоактивных изотопов и измерением каждого из них в отдельности (он более чувствителен, но и более трудоемок), инструментальный проводится без радиохимической обработки.

ГАМ. При этом анализе активация образцов осуществляется гамма-квантами высоких энергий (30 МэВ). При таких энергиях наиболее вероятны ядерные реакции типа (g, g'), (g, n), (g,p), (g,pn), (g,2n). Здесь используются (g, g') и (g, n). Преимущества метода следующие:

1) все фотоядерные реакции имеют пороговый характер; величина пороговой энергии зависит от типа реакции и ядра, на котором она происходит. Тяжелые элементы обладают более низкими порогами активации, легкие - более высокими. Это дает возможность при энергии гамма-квантов 7-8 МэВ определять до 20 элементов в горных породах без активации матрицы; 2) отсутствие эффекта самоэкранирования позволяет использовать для анализа большие навески, например, при анализе на золото берут навеску 500 г при крупности дробления 1 мм.

Недостатки метода: 1) небольшие сечения активации фотоядерных реакций; 2) требуется большая энергия активации.

ГАМ применяется для определения большого числа элементов, нижний предел обнаружения 0.001 мкг.

Активационный метод с применением заряженных частиц используется, в основном, для анализа легких элементов, т.к. проникновению заряженной частицы в ядро препятствует потенциальный барьер. Обычно пробу облучают ядрами изотопов Н и Не: протоны, дейтроны, ядра трития, Не^-3 и a-частицы. Источниками потоков заряженных частиц служат либо радиоактивные изотопы (²¹⁰Po и ²³⁸Pu), либо ускорители (позволяют получать пучки заряженных частиц интенсивностью до 10¹⁶частиц/с, обеспечивающей высокую чувствительность до 10^-7% при радиохимическом выделении).

Нейтронные методы

Фотонейтронный метод основан на измерении нейтронного излучения, возникающего в результате ядерных реакций типа (g,n). Фотонейтронные реакции характеризуются наличием определенного энергетического порога для каждого изотопа. Минимальные пороги реакции (g,n) имеют ядра бериллия и дейтерия, для возбуждения реакций на других элементах требуется гамма-излучение с энергией выше 6-7 МэВ. Метод используется в основном для определения бериллия, которое основано на реакции ⁹Be(g,n)⁸Be с использованием гамма-квантов с энергией от 1.7 до 2.2 МэВ. Метод относительный.

Нейтронно-абсорбционный метод основан на ослаблении потока тепловых нейтронов при прохождении их через пробу ядрами элементов, обладающими высокими сечениями захвата или рассеяния тепловых нейтронов. Содержание анализируемого элемента в пробе оценивают по степени ослабления потока.

Высоким сечением захвата тепловых нейтронов обладают ядра таких элементов, как Gd, B, Cd, Li, Eu, Sm, Dy и др. Повышенное сечение рассеяния характерно, например, для H, Cl, Fe, Pb.

В этом методе используются сцинтилляционные детекторы и маломощные Ро-Ве источники. Содержание элемента в пробе определяется относительным методом.

Этим методом можно определять раздельно тот или другой элемент при отсутствии в исследуемых пробах мешающих элементов в соизмеримых по поглощению нейтронов количествах. Предел обнаружения метода оценивают по колебанию вещественного состава исследуемых образцов и по влиянию мешающих элементов. Так, при анализе на бор предел определения составляет для руд эндогенного типа 0.03% В₂О₃, для руд осадочного и вулканогенно-осадочного типа в связи с влиянием хлора и Н - 0.40% B₂O₃.

Метод анализа, основанный на регистрации следов от осколков деления (f-радиография). Метод осколковой радиографии основан на процессе деления ядер урана и тория, обладает повышенной чувствительностью и применяется для определения радиоактивных элементов.

Принципиальная возможность определения малых содержаний урана основана на том, что осколки спонтанного или вынужденного деления ядер тяжелых элементов оставляют в окружающей среде дефектные области (следы), которые могут быть обнаружены под микроскопом после химического травления исследуемой поверхности.

Для образования осколков исследуемый образец облучают потоком тепловых нейтронов порядка 10¹²-10¹⁶ n/см². Регистрация следов от осколков осуществляется с помощью соответствующих детекторов (лавсановая пленка, синтетическая слюда).

Метод анализа по запаздывающим нейтронам основан на регистрации запаздывающих нейтронов, которые в отличие от мгновенных нейтронов, сопровождающих деление ядер тяжелых элементов, испускаются с запаздыванием на время, определяемое периодом полураспада изотопов - предшественников запаздывающих нейтронов. Эти изотопы являются осколками деления ядер урана-235, урана-238, тория-232 (Т_1/2 до 1 минуты). Запаздывающие нейтроны испускают также изотопы литий-9 (Т_1/2 - 0.17 с) и азот-17 (Т_1/2- 4.14 с), которые могут образоваться в бериллий- и кислородсодержащих образцах. При облучении в потоке 27´10¹¹n/см²с образца массой 10 г предел обнаружения равен 2´10^-6% для пород, минералов и руд и 0.2 мкг/л для вод и нефтей.

Радиометрические методы основаны на измерении радиоактивных излучений с использованием их ионизирующего или фотографического действия, явления люминесценции или способности ядер урана и тория к спонтанному и вынужденному делению. Радиоактивность исследуемого материала определяется по одному из видов излучения и зависит от содержания радиоактивных элементов, их соотношения, вида измеряемого излучения и условий измерения. Эти методы относительные: интенсивность излучения пробы устанавливается по интенсивности излучения стандарта.

Радиохимический метод применяют в большинстве случаев для определения содержания радиоактивных элементов: иония, радия, актиния и др., имеющих сравнительно небольшую продолжительность жизни, или для установления изотопного состава отдельных радиоактивных элементов, таких как уран и торий. Метод наиболее широко используют для определения радия и его изотопов в горных породах и минералах. В этом случае в результате химической подготовки проб радий и его изотопы из исследуемых проб переводят в раствор для последующего радиометрического измерения. Количество эманации, выделяемой исследуемым раствором, измеряют методом сравнения эффектов, регистрируемых измерительным прибором от пробы и стандарта.

Радиографический метод основан на способности радиоактивных излучений действовать на чувствительный слой фотографической пластинки или пленки. Метод радиографии от других методов регистрации частиц выгодно отличается тем, что для анализа можно использовать ничтожно малое количество радиоактивного вещества в виде включений без выделения последних.

Распределение радиоактивных элементов в горных породах и минералах в зависимости от задач исследований обычно изучают методом макро- или микрорадиографии.

При макрорадиографии о распределении и количестве радиоактивных элементов в пробе судят по визуальным наблюдениям или на основании фотометрических измерений оптической плотности почернения фотографического слоя эмульсии, находящейся в пропорциональной зависимости от интенсивности излучения. Макрорадиографией исследуют штуфы пород и руд.

При микрорадиографии исследуют под микроскопом число следов альфа-частиц и измеряют длины следов. На основании подсчета числа следов различной длины возможно определение отношения тория к урану. Величина пробега альфа-частиц в эмульсии определяется экспериментально. Условием такого анализа является применение высокочувствительных ядерных эмульсий. Микрорадиографией изучают прозрачные шлифы и аншлифы пород, руд и минералов, а также минеральные зерна.

Предел обнаружения элементов 5´10^-5% - 5´10^-4%.