Нейтронный активационный анализ

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение

При проведении геологических исследований и поисково-разведочных работ, а также при разработке и переработке минерального сырья важная роль отводится анализу элементного состава горных пород и руд. Для этого широко используются химические и спектральные методы, не полностью удовлетворяющие требованиям геологов. Химические анализы точны, но трудоёмки и недостаточно экспрессны, спектральные методы не всегда достаточно точны. Все это явилось стимулом к разработке ядерно-физических методов анализа минерального сырья. Стоит отметить, что ни один из ядерных методов в отдельности не позволяет надёжно определить все химические элементы, однако в совокупности эти методы позволяют определять в горных породах почти все элементы. Интересующий нас активационный метод селективно определяет содержание в породе отдельного элемента.

Методы подразделяются в зависимости от источников излучения, один из видов - нейтронные методы. К нейтронным методам в ядерной геофизике относят методы, в которых для изучения руд и пород используются источники нейтронов или измеряются потоки нейтронов, возникшие в результате ядерных реакций. Нейтронные методы основаны на закономерностях взаимодействия нейтронов с веществом и закономерностях пространственного разделения нейтронов в горных породах. Одним из основных нейтронных методов является нейтрон активационный метод, заключающийся в изучении искусственной активности, возникающей при облучении стабильных ядер потоком нейтронов. Этот метод используется для изучения многих руд путём выделения и оценки концентрации отдельных элементов по их вторичным излучениям.

Нейтрон неустойчив, распадается с периодом полураспада 11.7 мин., поэтому в свободном состоянии существует непродолжительное время. Благодаря ядерным силам, нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов. Нейтроны подразделяют на следующие условные энергетические группы:

Быстрые (более 0.5Мэв)

Промежуточные (от 0.5Мэв до 1кэв)

Медленные (менее 1кэв)

Резонансные (1-100эв)

Надтепловые (более 0.05эв)

Тепловые (0.025эв)

В качестве источников нейтронов в ядерной геофизике используют радиоизотопные (ампульные) источники, генераторы нейтронов на базе ускорителей заряженных частиц, ядерные реакторы и размножители нейтронов.

2. Нейтронный активационный анализ

2.1 Физические основы метода

Использовать искусственную радиоактивность для анализа вещества стали сразу после открытия ядерных реакций, возникающих под действием нейтронов. Активационный анализ детально разработан и является одним из самых чувствительных методов определения широкого круга элементов. Один из наиболее селективных активных методов ядерной геофизики - метод наведённой активности (нейтронный активационный анализ). Он основан на изучении искусственной радиоактивности, возникающей при облучении горных пород нейтронами. По периоду полураспада Т искусственно радиоактивных ядер и энергии их г-излучения определяют образовавшийся изотоп, а следовательно, и исходный изотоп горной породы, из которого он образовался. По интенсивности г-излучения радиоактивных ядер определяют концентрацию соответствующих исходных элементов в горной породе. Успехи метода во многом определяются высокой чувствительностью, селективностью и точностью современных способов измерения ионизирующих излучений.

Существует несколько направлений в применении метода наведённой активности, одно из них - это лабораторный анализ проб и образцов. Оно возникло и оформилось в недрах аналитической химии и сейчас развивается как в инструментальном виде, т. е. без применения методов химического разделения, так и в радиохимическом виде, сочетающем физические методы измерения радиоактивности с предварительным выделением анализируемых изотопов из сложного вещества химическими методами. Ещё одно направление - выделение и изучение руд в условиях скважины или активационный каротаж. В горных породах, как правило, одновременно активируется несколько изотопов. Активация ядер возможна под действием как быстрых, так и особенно медленных нейтронов. В первом случае активация происходит обычно по реакциям (n, p), (n, б), (n, 2n), во втором - по реакции (n, г). Примеры радиоактивных изотопов, образующихся при облучении горных пород нейтронами, приведены в таблице 1.

Табл. 1. радиоактивные изотопы, образующиеся при облучении нейтронами.

Наиболее доступны для активационного анализа элементы с высокими сечениями активации. Из распространённых изотопов относительно большие микроскопические сечения активации имеют Mn⁵⁵, Cu⁶³, Cu⁶⁵, Na²³ и некоторые другие. Но активационный эффект определяется не только микросечением, а также распространённостью изотопа и содержанием элемента в горной породе. Так, например, существенный активационный эффект наблюдается при активации Al²⁷, Cl³⁷ и ряда других изотопов. Для инструментального анализа удобны изотопы с небольшими периодами полураспада - от нескольких минут до нескольких суток.

Практическое значение ядерной реакции (n, г) в большой степени определяется свойствами активированного изотопа, а именно его периодом полураспада, наличием или отсутствием удобных для регистрации излучений, отличием от других активированных изотопов, содержащихся в данной руде. Практическое использование реакций на быстрых нейтронах, (n, p), (n, б), (n, 2n), часто затруднено ограниченными энергиями, потоками быстрых нейтронов и малыми сечениями активации. Трудности также создаёт наличие в потоке тепловых нейтронов, так как благодаря более высоким сечениям реакций (n, г) продукты активации тепловыми нейтронами обычно преобладают.

Стоит также отметить возможность интерференции, т. е. образования одного и того же изотопа в результате различных реакций. Так, например радиоактивный изотоп Al²⁸ образуется по реакции (n, г) из Al²⁷, по реакции (n, p) из Si²⁹, и по реакции (n, б) из P³¹.

2.1.1 Накопление активности образца в процессе облучения

Предположим, что поток активирующего излучения (нейтронов) Ф постоянен во времени и пространстве во всём объёме активатора, сечение активации у_акт и число ядер-мишеней N_x изотопа х - также постоянные величины. Определим связь между содержанием анализируемого изотопа и наведённой активностью для этих условий. Дифференциальное уравнение для числа N активированных ядер будет иметь вид:

=Фу_актN_x-лN (1),

где л- постоянная распада активированного изотопа. Проинтегрировав уравнение (1) получим:

N=(Ф_актN_x/л)(1-) (2),

Где t_обл- время облучения (активации).

Активность образующегося изотопа (число распадов в единицу времени) при облучении в течение t_обл:

А₀=лN=A₀^?(1-) (3),

Где А₀=N_xФу_акт - максимальная активность изотопа при данном потоке нейтронов, достигаемая при бесконечно большом времени облучения t_обл=?.

Из формулы (3) видно, что характер зависимости А₀/А₀^?=f(t_обл/Т),( где Т-период полураспада изотопа) один и тот же для любого изотопа:

А₀/А₀^?=1-е[-(t_обл/T)ln2] (4).

График этой зависимости изображён на рисунке 1а. Зависимость скорости роста активности изотопа от Т позволяет выбором рационального t_обл , уменьшить влияние мешающих изотопов.

2.1.2 Выбор временных параметров

Общая схема активационного анализа состоит из трёх основных частей: активация, остывание (пауза), измерение наведённой активности.

Проведение активационного анализа связано с рациональным выбором времени облучения (активации) t_обл и времени остывания t_o (от конца активации до момента измерения наведённой активности). Время активации выбирают из расчёта максимально возможного накопления анализируемого изотопа при достаточно низком уровне помех, а время остывания, как правило, выбирают, учитывая период полураспада короткоживущих изотопов, мешающих анализу. Конкретный выбор данных временных параметров зависит от условий проведения анализа и в каждом случае - это отдельная методическая задача. При её решении используется связь между накоплением изотопа, его распадом и периодом полураспада.

2.1.3 Разделение изотопов по периоду полураспада

Горные породы и руды имеют весьма сложный состав, поэтому при активации образуется одновременно несколько радиоактивных изотопов. Одной из основных задач активационного анализа является разделение суммарного активационного эффекта на моноизотопные составляющие.

Рис. 1. Кривые накопления и распада наведённой активности.

Если в образце наводятся два изотопа с периодами полураспада Т₁«Т₂, то отношение их активностей А₁/А₂, уменьшается с ростом времени облучения, что видно из формулы (4): для уменьшения влияния первого изотопа при анализе на второй, желательно брать большое t_обл, например, (3-4)Т₂. Напротив, при анализе на первый элемент, время облучения должно быть по возможности малым. Минимальное его значение определяется необходимостью накопления активности, обеспечивающей достаточную статическую точность. Как правило, это время берут около (0,5-2)Т₁.

После прекращения облучения активность А каждого изотопа уменьшается в соответствие со своим периодом полураспада по закону:

А=А₀е[-(t/T)ln2]=A₀e(-tл) (5).

Кривая зависимости lnA=f(t) для каждого изотопа является прямой линией с угловым коэффициентом, равным значению л для данного изотопа. На рисунке 1б показаны такие графики для Mn⁵⁶ и Na²⁴, наведённых в песчанике, а также кривая суммарной активности образца, не являющаяся линейной функцией времени.

Разделение по периоду полураспада достигается уже на стадиях активации и остывания, за счёт соответствующего выбора временных параметров, но, в большинстве случаев, этого недостаточно, измеряемый эффект, как правило, является наложением излучений двух и более изотопов. Всвязи с этим был разработан ряд способов разложения наведённой активности на моноизотопные составляющие, таких как способ наименьших квадратов, графический способ, способ использования номограмм.

2.2 Техника и методика проведения активационного анализа, решаемые задачи

В активационном методе используют измерения в-излучения и г-излучения.

Для проведения активационного анализа используют установки, состоящие из измерительной аппаратуры и источника нейтронов (блок облучения). Также иногда в состав таких установок включают систему транспортировки образцов и другое вспомогательное оборудование. Для анализа на элементы с высоким сечением активации или элементы с умеренным сечением активации, но имеющие большие концентрации в породе, применяют установки с ампульными Ро=Ве или Рu=Ве источниками, которые для обогащения спектра медленными нейтронами помещают в блоки замедлителей (вода, парафин).

Примером подобного оборудования может служить установка «Нейтрон-2». Активатор или блок облучения данной установки представляет собой парафиновое шарообразное тело, в центре которого расположен ампульный источник нейтронов (Рис. 2). Вокруг источника находится рассеивающий свинцовый фильтр небольшой толщины. В непосредственной близости от источника располагают два канала для активируемых образцов. Стенки одного из каналов - для облучения быстрыми нейтронами - покрыты листовым кадмием, не пропускающим в него тепловые нейтроны. Второй канал - без кадмия - предназначается для облучения смешанным пучком нейтронов. Третий канал - для активации тепловыми нейтронами - расположен подальше от источника.

Повышение порога чувствительности и, как следствие, расширение круга определяемых элементов с относительно низким сечением активации, обеспечивают ядерные реакторы, размножители и генераторы нейтронов. Поток нейтронов при активационном анализе с ампульными источниками примерно 10⁴(см²с)^-1, при использовании нейтронных размножителей 10⁶-10⁷(см²с)^-1, в ядерных реакторах он достигает 10¹³-10¹⁴(см²с)^-1.

Рис. 2. Блок облучения установки «Нейтрон-2»

Комплект измерительной аппаратуры для активационного анализа включает радиометры в и общего г-излучения, иногда спектрометры г-излучения.

Инструментальный анализ можно проводить без предварительной подготовки образца, но для улучшения воспроизводимости геометрических условий облучения и измерения их измельчают. Максимальный размер частиц при измерении г-активности составляет несколько миллиметров, а при регистрации в-частиц - не более 10^-1мм. Измельчённый образец помещается в кассету для облучения. Эталонные образцы с известной концентрацией определяемого элемента упаковывают в точно такие же кассеты. Кассеты с образцом или эталоном, в зависимости от определяемых изотопов, помещают в канал для облучения быстрыми или тепловыми нейтронами и выдерживают в течение заданного времени, после чего их переносят в измерительное устройство. Условия активации и измерения активности эталонного образца (длительность облучения, масса образца и т. п.) должны быть строго такими же, что и для исследуемого образца.

Порядок измерений в и г-активности образцов или регистрации спектра излучений в основном такой же, как и при радиометрическом анализе на естественные радиоактивные элементы. Различия заключаются в необходимости при активационном анализе повторных измерений для получения кривой спада активности во времени и последующей идентификации изотопов по их периоду полураспада.

Измерения в-активности отличаются простотой и высокой точностью при небольшой навеске анализируемой пробы. Ограничения в-анализа определяются его низкой избирательностью и малой глубинностью, что обуславливает его применение лишь в лабораторной практике.

Измерения в-активности целесообразно проводить в тех случаях, когда помехи отсутствуют или если мешающие изотопы испускают только г-излучение. Обычно измерения по в-излучению используют для количественной оценки величины наведённой активности , выполняя разделение изотопов по периоду полураспада.

Переход от в-активности к содержанию активированного изотопа осуществляется с использованием относительных измерений с помощью эталонов с известной концентрацией анализируемого элемента. При насыщенной по в-излучению толщине слоя пробы и идентичных условиях активации и измерения, концентрация анализируемого элемента пропорциональна его в-активности.

Можно разделить изотопы по энергии в-излучения путём пороговой спектрометрии с помощью поглощающих фильтров. Известны также сцинтилляционные в-спектрометры на базе органических сцинтилляторов, но их использование затруднено сложной формой аппаратурной линии и наличием помех.

Интегральные измерения г-излучений аналогичны в-измерениям и могут применяться для количественной оценки наведённой активности. Обычно их сочетают с разделением изотопов по периоду полураспада. Анализ по г-излучению имеет повышенную глубинность.

Хорошие результаты даёт применение в активационном методе г-спектрометрии. Спектры г-излучений активированных изотопов часто существенно различаются. Благодаря высокой разрешающей способности современных спектрометров возможно разделение по г-излучению большого числа изотопов. Число аналитических линий, которое можно определить за одно измерение, зависит от сложности г-спектра, конкретного распределения энергий и интенсивностей линий г-спектра. Установлено, что оптимально метод позволяет определить 7-8 г-линий. На рис. 3, в качестве примера, показаны спектры г-излучения некоторых активированных изотопов, измеренные на объёмных моделях рудных тел. Часто наблюдают изменение интенсивности выделенных линий во времени, т.е. снимают кривую распада, что позволяет более надёжно идентифицировать изотоп и выделить его излучение.

Рис.3.

Применение г-спектрометрии связано обычно со сложной обработкой результатов измерений. Как правило используют однокристальные г-спектрометры, хотя в аэрогеофизике, например, применяют многокристальные (4, 5 кристаллов) спектрометры. В общем случае многокомпонентного анализа задача обработки формулируется как задача восстановления истинной формы спектра по измеренной.

На практике, чаще всего, анализируют двух и трёхкомпонентные спектры. Для расчленения аналитических решений и определения их интенсивностей в этом случае можно использовать упрощённую систему уравнений вида:

N_i=N_k (6),

Где N_i скорость счёта в i-м интервале сложного г-спектра (интервалы, как правило, соответствуют наиболее характерным г-линиям анализируемых изотопов); a_ik- спектральные коэффициенты, N_k - искомое г-излучение анализируемого изотопа.

Система уравнений (6) справедлива для определённого момента времени, соответствующего измерениям скоростей счёта N_i, однако спектральные коэффициенты, входящие в систему не зависят от времени. Значения коэффициентов определяют экспериментально, по измеренным аппаратурным спектрам руды, содержащей один из анализируемых изотопов.

Переход от найденного из уравнений (6) г-излучений N_k к содержанию изотопа выполняют с помощью эталонировочного графика. Зависимость

N_k=ц(C) (7),

Где С - содержание, обычно имеет характер «насыщения» при больших концентрациях. Часто в ограниченных интервалах концентраций её аппроксимируют прямолинейным графиком, осуществляя переход (7) с помощью пересчётного коэффициента. Форма эталонировочного графика (7) или пересчётного коэффициента зависит от ядернофизических свойств пород и руд. Как следствие, изучение зависимости (7) в конкретных условиях составляет одну из важных задач активационного метода.

Избирательность и чувствительность анализа можно увеличить, используя распад некоторых изотопов с испусканием частиц в каскаде или метод совпадений. При использовании этого метода излучение изотопа регистрируется с помощью двух детекторов, обычно это сцинтилляционные счётчики. Импульсы от детекторов после усиления и анализа по амплитудам, поступают в схему совпадений, которая отбирает только такие импульсы, которые разделены минимальным промежутком во времени. Тем самым излучение, испускаемое в каскаде, отделяется от фона, представленного случайно распределёнными во времени импульсами.

В качестве примера практического применения метода можно указать на выделение Со⁶⁰ по испускаемым в каскаде г-квантам 1.17 и 1.33Мэв на фоне г-излучения Fe⁵⁹ 1.10 и 1.29Мэв.

Заключение

нейтронный активационный руда горный

Из всего вышеизложенного становится очевидной важная роль нейтрон активационного анализа среди нейтронных методов ядерной геофизики.

Не имея электрического заряда, нейтроны не испытывают действия электрического заряда электронов и ядер и обладают большой проникающей способностью. Вызывая разнообразные ядерные реакции, они являются ценным инструментом изучения ядерного (изотопного), а, следовательно, и химического состава горных пород.

Точность активационного анализа в различных условиях колеблется в широком интервале, увеличиваясь, при прочих равных условиях, с ростом потока нейтронов, сечения активации и концентрации элемента. При благоприятных условиях погрешность инструментального анализа не превышает 5 -10%, радиохимического обычно ниже. При анализе горных пород наиболее широко активационный анализ применяют для определения Al, Si, F, Cu и других элементов.

Размещено на Allbest.ru