Загрузка ...Методы ядерной спектроскопии
Методы ядерной спектроскопии (ЯС) активно внедряются в практику аналитического контроля металлургического производства. Этому способствует удачное сочетание точности с низкими значениями определяемых содержании элементов у этих методов.
Для понимания их принципов целесообразно напомнить некоторые наиболее важные сведения о ядрах атомов и ядерных реакциях, используемых в ЯС.
Атомные ядра состоят из протонов (р с элементарным положительным зарядом) и нейтронов (n не имеющих заряда), которые рассматривают как разновидности ядерной частицы — нуклона с массой, близкой к атомной единице массы (а.е.м.). Общее число нуклонов в ядре характеризует атомную массу элемента М, а общее число протонов — порядковый номер элемента z. Атомы с определенными М и z называют нуклидами.
Нуклиды с одинаковыми z, но различными М называют изотопами соответствующего элемента. Изотопы с устойчивыми во времени ядрами называют стабильными, а нуклиды, ядра которых претерпевают самопроизвольные превращения во времени, радионуклидами (радиоактивные изотопы). Естественными (существующими в природе) радионуклидами являются ядра элементов с z > 84 и некоторые более легкие (например, 40К). Большинство радионуклидов (~ 2000) получают искусственным путем в результате различных ядерных реакций, часть из которых протекает путем самопроизвольного распада ядер.
Ядерные реакции протекают не только при самопроизвольном (спонтанном) распаде, но и вследствие взаимодействия вещества с высокоэнергетическим электромагнитным или корпускулярным излучением (как правило, с энергиями выше 1 МэВ).
Наиболее часто используют два способа введения активных ядер в анализируемый образец:
- радионуклид вводят извне (радионуклидный или радиохимический анализ);
- радионуклиды образуются в образце при его облучении (активационный анализ).
Радиохимический анализ наиболее часто используют в варианте так называемых “меченых атомов”, когда к большому количеству элемента, взятого в стабильной форме, добавляют немного радиоактивного изотопа (он и является “меткой”). Поскольку поведение радиоактивных и стабильных изотопов одного и того же элемента в химических и металлургических процессах практических идентично, можно проследить поведение, как основных компонентов, так и примесей в очень сложных процессах. Например, распределение ценных компонентов между металлом и шлаком или их переход в газовую фазу.
Активационный анализ наиболее распространен среди методов ЯС. Для активации могут быть использованы высокоэнергетические пучки заряженных частиц, γ-кванты или потоки нейтронов. Соответственно существуют методы:
- активационного анализа при помощи, заряженных частиц;
- γ — активационного анализа;
- нейтронно-активационного анализа (НАА).
Для выбора наиболее целесообразного способа активации необходимо знать еще одну характеристику ядерной реакции — её активное сечение. В отличие от химических реакций, при которых исходные вещества, взятые в эквивалентных количествах, реагируют практически нацело, ядерную реакцию вызывает лишь небольшая доля частиц из общего потока, пронизывающего бомбардируемую мишень. Это вызвано, прежде всего, малыми размерами ядра по сравнению с размером атома, вследствие чего вероятность соударений, приводящих к ядерной реакции, крайне мала. Эффективное сечение (а), имеющее размерность площади (обычно барн, 1 барн = 10-28 м2), характеризует вероятность протекания тех или иных ядерных реакций. Эти значения также можно найти в справочниках и по ним выбрать наиболее целесообразный тип активации при определении конкретной примеси в данной основе.
Активационный анализ при помощи заряженных частиц применяют в тех случаях, когда эффективное сечение для нейтронов слишком мало или имеются существенные систематические погрешности. Чаще всего этот метод используют для определения легких элементов (Li, В, С, N, О, F) . В качестве ускорителей ионов служат генераторы ван-де-Граафа и циклотроны.
Гамма-активационный анализ используют в ряде случаев вместо НАА для снижения пределов обнаружения некоторых примесей. Наиболее перспективным источником является бетатрон, дающий тормозное ? — излучение при взаимодействии высокоэнергетических электронов с мишенью из элементов с высоким z.
Наиболее распространенным среди методов ЯС является нейтронно-активационный анализ (НАА).
Это один из наиболее чувствительных методов современного аналитического контроля. Пределы обнаружения элементов с помощью этого метода составляют 10-6 – 10-10 %. Для метода характерна экспрессность, возможность определять одновременно нескольких элементов. При активационном анализе образец, как правило, не разрушается. Универсальность, высокая селективность, отсутствие проблемы холостых (контрольных) определений и другие достоинства позволяют использовать этот метод для решения наиболее сложных аналитических задач в научных исследованиях и при аналитическом контроле производства. Активационный анализ широко используют для анализа металлов высокой чистоты, для определения редких и рассеянных элементов в различных объектах. Разработаны автоматические методики для массового анализа при непрерывном контроле технологических процессов, например, определения кислорода в стали. Метод используется для решения специальных задач, например, изучение распределения углерода в сплавах. НАА широко применяется при анализе объектов окружающей среды и биоты.
Этим методом удается определять около 70 элементов.
В качестве источников нейтронов используют радионуклидные источники, например, радиевобериллий; нейтронные генераторы, которые вырабатывают нейтроны при бомбардировке подходящей мишени быстрыми заряженными частицами; ядерные реакторы.
Для проведения НАА анализируемые пробы упаковывают в материал, который не активируется и является достаточно радиационно-стойким. Часто применяют ампулы и пакеты из полиэтилена или алюминия. В идентичных условиях подготавливают образцы сравнения (или стандартные образцы), где определяемый элемент присутствует в элементарной химической форме в виде оксида или соли. В последнем случае, если этот элемент присутствует в виде катиона, то его обычно анализируют в виде карбоната или нитрата, т.е. солей с не активирующимися ионами. Если же данный элемент присутствует в виде аниона, то часто используют аммонийную соль. Для приготовления образцов сравнения (ОС) очень удобно выпаривать водные растворы на полоске фильтровальной бумаги, при этом можно пренебречь самопоглащением нейтронов при НАА. Полоска фильтровальной бумаги легко извлекается из упаковки и направляется непосредственно на измерение или на радиохимическую очистку. Работа с твёрдыми пробами несколько сложнее вследствие трудностей взвешиваний микрограммовых количеств и слишком большой активности миллиграммовых проб. Иногда твёрдый ОС разбавляют наполнителем, чтобы он имел такую же величину самопоглощения, как и анализируемый.
Доставку образца в ядерный реактор (или в нейтронный генератор) и выгрузку образца после измерения осуществляют при помощи пневмопочты. Для этого упакованные образцы по специальной трубе при помощи сжатого воздуха (или вакуумного насоса) направляют к месту активации, после чего — в камеру понижения активности, а затем к системе измерения.
При анализе высокочистых твёрдых веществ образцы перед измерениями (после извлечения из контейнера) подвергают предварительной химической обработке для удаления поверхностных загрязнений.
Для измерения активности используют пропорциональные и сцинтилляционные детекторы (уже довольно редко — счётчики Гейгера-Мюллера), но их постепенно вытесняют (а на новых аппаратах для ЯС уже полностью вытеснили) полупроводниковые γ — спектрометры. Часто их изготавливают из германия, легированного литием.
По энергии γ -квантов в измеряемом спектре устанавливают качественный состав примесей в образце, а по интенсивности пиков, сопоставляемой с соответствующими интенсивностями аналогичных линий в ОС, — проводят количественный анализ. При проведении количественного НАА, как и в любом аналитическом методе, возможны случайные и систематические погрешности.
Случайные погрешности в основном связаны с пробоподготовкой и различными видами химической обработки пробы. Некоторый вклад в случайную погрешность вносят различные нестабильности измерительной аппаратуры. Погрешности, связанные со статистикой счёта ?-квантов, проявляются лишь при очень низких содержаниях определяемой примеси.
Малые количества используемых в НАА радионуклидов при соблюдении правил техники безопасности не представляют опасности для персонала.
Применение НАА для анализа чистых металлов и полупроводниковых материалов в сочетании с радиохимическими операциями позволяет достигнуть чрезвычайно низких пределов обнаружения примесей.
Дата публикации: 08.04.2012
Электрический полотенцесушитель: мифы и легенды
Декор из стеклофибробетона: стиль, долговечность и уникальность
Трубный металлопрокат: виды и преимущества
