Перечисленные способы регистрации нейтронов, конечно, да леко не исчерпывают темы обсуждаемого предмета. Более по дробные сведения по этому вопросу содержатся, например, в работе [14].
Применения метода активации в настоящее время довольно разнообразны. В некоторых случаях метод активационного ана лиза уже начинает использоваться для серийных анализов. Поэтому неудивительно, что все большее внимание привлекают вопросы оптимизации метода и выяснение основных источников погрешностей получаемых результатов [15—18], тем более что с появлением ЭВМ решение этих задач может быть полностью автоматизировано [19—21].
Перед началом экспериментов по активации пробы необхо димо расчетным путем определить некоторые параметры прове дения опытов. Эти оценки могут быть сделаны с помощью мате матических соотношений между параметрами активации и позво ляют, в частности, выяснить ожидаемую активность пробы и возрастание активности в зависимости от длительности облу
чения. |
равна Фо |
ней |
Если плотность нейтронного потока |
трон/ (см2 • сек) , а мишень содержит Z ядер, |
то при условии, |
что |
плотность потока нейтронов примерно постоянна по толщине мишени (слабое поглощение), скорость образования радиоактив ных атомов равна
Однако одновременно образующиеся атомы распадаются по закону
(dN/dt)раС11 = Ш = - |
(1п2/тѴі) N , |
(11.2) |
где Я — постоянная |
радиоактивного |
распада, |
связанная |
с пе |
риодом полураспада |
ті/2 соотношением Я = 0 , 6 |
9 3 / т і / 2 . Объедине |
ние обоих уравнений дает истинную скорость прироста активных атомов в процессе облучения:
(dN/dt)„„ = O0aZ — XN. |
(11.3) |
Решение дифференциального уравнения (11.3) позволяет опре делить число активных атомов Nt к моменту времени t сек после начала облучения:
|
Nt = |
^ - ( 1 - е - « ) . |
(11.4) |
Значение |
Z можно легко |
найти из химического и изотопного |
состава исследуемого образца. |
|
Часто |
либо по техническим причинам, либо из-за |
необходи |
мости снизить уровень активности посторонних короткоживуЩих излучателей активность образца измеряют спустя некоторое время t0 сек после окончания облучения. Тогда наведенная ак тивность образца уменьшается к началу измерений на величину
exp( Kto), т. е. общее выражение числа радиоактивных атомов приобретает вид:
Nt, t„ = — |
(1 — e -w)e~w°. |
(11.5) |
Зная параметры, входящие в уравнение (11.5), нетрудно под считать ожидаемый уровень активности образца XNt t0, а от сюда и ожидаемую на опыте скорость счета.
11.2. Дейтерий
Обычный вариант нейтроноактивационного анализа непри меним к определению содержания тяжелых изотопов водорода, поскольку вероятность образования трития при облучении дей терия нейтронами очень мала (сг= 0,46 мбарн). Напротив, реак ция Н (п, у) D обладает значительно большей вероятностью (0,33 барн). Основываясь на этом эффекте, Сквайэс [22] пред ложил методику определения очень высоких концентраций дейтерия в тяжелой воде. Метод заключается в облучении ана лизируемой пробы (объемом ~ 1 5 мл) нейтронным пучком, сколлимированным кадмиевой фольгой. Прошедший через пробу поток нейтронов измерялся Врусчетчиком, окруженным слоем парафина.
Этот метод можно использовать прежде всего для контроля содержания дейтерия в тяжеловодном замедлителе нейтронов в атомных реакторах. Немаловажным обстоятельством, облег чающим применение метода для данной задачи, является тот факт, что возможное присутствие в образце поглощающих ней троны примесей не мешает определению, так как в первую очередь важно знать суммарную величину потерь нейтронов В' замедлителе независимо от того, чем они обусловлены. В интер вале концентраций выше 99 ат.% D наблюдается линейная зависимость логарифма отношения скоростей счета для пробы и образца сравнения от молярного содержания D2O в пробе.
Зависимость полной погрешности результата ± Д п от продол жительности счета t ч описывается соотношением
Ап = + (2Ъ + - у - у /г • К Г 3 % D.
При продолжительности счета 6 мин An=±0,02% D (собст венно-говоря, водорода), а при увеличении времени счета до 3 ч снижается до ±0,006% D. Метод прост в исполнении, обла дает высокой производительностью и может быть легко авто матизирован. Аналогичная методика описана также в работе [23].
Имеются и другие пути изотопного анализа водорода мето дами радиометрии. Для этой цели могут быть использованы упругое рассеяние нейтронов на ядрах дейтерия с последующим участием ядер отдачи в какой-либо ядерной реакции и фото
нейтронный эффект. Как обнаружили Чедвик и Гольдхабер [24] еще в 1934 г., у-квалты с энергией свыше 2,23 Мэв в состоянии расщепить ядро дейтерия на протон и нейтрон. Образующиеся нейтроны после их замедления могут быть зарегистрированы ВРз-счетчиком. Для аналитических целей такой метод был впер
вые |
'использован в работах |
[25, |
26]. В качестве |
источника |
у-квантов применялся изотоп 24Na,* |
являющийся ß—у-излучате- |
лем |
с энергией у-квантов 2,76 |
Мэв. |
Сечение реакций |
D(y, п)Н |
с этим источником составляет 1,58 мбарн [27, 28]. Из остальных природных нуклидов только изотоп 9Ве обладает сравнимым фотонейтронным эффектом (пороговая энергия у-квантов
1.66 Мэв).
Наилучшие результаты анализа были получены с источни ком общей активностью 500— 1000 мкюри 24Na. Вокруг источ ника размещалась проба анализируемой воды, которая одно временно служила и замедлителем. Относительная погрешность результатов анализа равна ±2% для пробы объемом 25 мл, содержащей 0,1% D20 [29, 30]. Чувствительность метода позво ляет обнаруживать дейтерий в образцах природного изотопного состава*. При анализе необходимо учитывать возможное при сутствие хлора в исследуемом образце, поскольку было заме чено, что наличие в пробе 0,24% ионов С1~ приводит к система тическому занижению содержания дейтерия на 1% [31]. Основ ной недостаток описанной методики обусловлен коротким перио дом полураспада 24Na (ті/г= 15,05 ч). В связи с этим в работе [31] обсуждалась возможность применения в качестве источника
у-излучения изотопов иттрия 88Y |
и тория 228Th. Последний |
яв |
ляется |
короткоживущим продуктом распада |
(ті/2 =1,9 года) |
природного изотопа 228Ас. |
|
|
|
Для |
регистрации нейтронов |
могут быть |
использованы |
не |
только ВРз-счетчики. Так, Одеблад [13] использовал для этого реакцию образования под действием нейтронов радиоактив ного изотопа индия ШтІп (ті/г = 54 мин). Схема применявшегося устройства показана на рис. 11.2. Тот же автор указал на воз
можность регистрации нейтронов |
активацией серебра [32]. |
В работе [33] путем регистрации |
нейтронов щелевым урано |
вым счетчиком на примере пиридина и этилового спирта пока
зана |
возможность прямого определения |
содержания |
дейтерия |
* |
Методика определения содержания дейтерия |
в природных |
водах, неф |
ти, газовых конденсатах, основанная на фотонейтронном эффекте, описана также в работе Абдуллаева А. А. и Умурбекова К. У. Второе Всесоюзное совещание по активационному анализу, Ташкент, 15—19 апреля 1968. Тезисы докладов. В работе использовался источник уизлучения на основе изотопа 24Na с начальной активностью 150 мкюри, а в качестве датчиков применя лась батарея нейтронных счетчиков типа СНМО-5, соединенных параллельно. Оптимальный объем пробы 250 мл, скорость счета 650 имп/мин при содер жании в пробе 0,025% D20 и активности у-источника 50 мкюри. Фон при бора— 15 имп/мин. Относительная погрешность ±3% . — Прим, перев.
в органических соединениях. При использовании в качестве образцов сравнения воды с известным содержанием дейтерия в результаты измерений необходимо вводить поправки, учиты вающие различную величину диффузии и поглощения нейтронов
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Группой итальянских авторов |
|
|
|
|
|
|
(Фабри, Лаззарпии, |
Сангвист*) |
|
|
|
|
|
|
предложен еще один метод опре |
|
|
|
|
|
|
деления содержания |
дейтерия |
в |
|
|
|
|
|
|
органических |
|
соединениях |
[34]. |
|
|
|
|
|
|
Метод основан |
на |
реакции |
Дей |
|
|
|
|
|
|
тонов, ускоренных столкновения |
|
|
|
|
|
|
ми |
с нейтронами, |
в органиче |
|
|
|
|
|
|
ской |
среде |
12С (d, |
n)13N. Изотоп |
|
|
|
|
|
|
13N является |
позитронным излу |
|
|
|
|
|
|
чателем (ті/2 = |
1 0 , 1 |
мин) и может |
|
|
|
|
|
|
быть зарегистрирован |
по анниги |
|
|
|
|
|
|
ляционному |
у излУчению с энер |
|
|
|
|
|
|
гией |
0,51 |
Мэв. |
Эта же реакция |
|
|
|
|
|
|
была использована ранее для оп |
|
|
|
|
|
|
ределения углерода при облуче |
|
|
|
|
|
|
нии анализируемого образца пуч |
|
|
|
|
|
|
ком дейтонов, ускоренных на цик |
Рис. 11.2. Устройство для регист |
|
лотроне [35, |
36]. Методика |
опре |
|
рации |
фотонейтронов |
путем |
ак |
|
деления содержания дейтерия со |
тивации |
индиевой |
фольги. |
|
|
стоит в следующем. |
|
мл) |
|
|
|
|
|
мин |
|
Точную |
навеску |
пробы (3 |
помещают |
в |
реактор |
на 30 |
(87,5%-ное насыщение), а затем, выдержав ее в течение 6 мин, измеряют
активность изотопа 13N. Выдержка образца |
после облучения необходима |
для устранения |
влияния на |
результаты анализа продуктов реакций |
160 |
(d, |
« )17F и ,60 (р, |
y )17F. Изотоп |
17F является |
позитронным излучателем |
с |
пе |
риодом полураспада 66 сек. Методика была отработана на дейтерированных образцах уксусной кислоты и бензола. Естественно, когда анализируемое соединение не содержит кислорода, выдержка образцов перед измерениями не обязательна.
|
|
|
|
|
|
|
Поправка холостого опыта, которую необходимо вводить |
в полученные |
результаты, обусловлена в |
основном конкурирующей |
реакцией |
1-С(р, \) 13N |
и |
возможным загрязнением |
анализируемого образца |
посторонними |
примеся |
ми природного изотопного состава. Сечение реакции |
!2С(д, y)13N |
примерно |
в |
100 раз меньше, чем реакции 12C(d, n )13N. Другие |
ядерные |
реакции, при |
водящие к образованию посторонних излучателей, не протекают с заметным выходом в этих условиях. Поскольку аналитическая реакция протекает только с участием быстрых нейтронов, то мешающее влияние тепловых ней тронов легко устраняется размещением анализируемой пробы внутри кад миевого фильтра. Наведенная активность анализируемой пробы зависит от количества содержащегося в ней углерода и при облучении нейтронным пучком сравнительно низкой плотности [3 • 1011 нейтрон/(см2 ■сек)] удельная скорость счета составляет 200 имп/мин-мгО-гС]. Относительная по грешность анализа не превышает ±2% , если образец содержит по крайней мере 4 мг D и 1,5 г С. Градуировочная кривая строго линейна во всем ис следованном интервале концентраций.
* Центр ядерных исследований при Политехническом институте им. Эн рико Ферми (Милан, Италия).
Распространение в воде дейтонов отдачи приводит к реак ции 1В0 (d, п)11F, конечный продукт которой, как уже отмечалось выше, является позитронным излучателем. Результаты определе-
I |
I |
~| |
; |
О |
5 |
10 |
15 ■ |
|
Время, |
мин |
|
Рис. 11.3. Экстраполяция скорости счета, обусловленной р+-распадом изотопа 13N, к мо менту начала измерений.
Содержание Bz0, % |
|
Содержание В, мг-атом |
|
а |
|
|
|
5 |
|
Рис. 11.4. Градуировочная кривая для |
определений |
содержания |
D20 |
из пробы массой 1 г (а) и зависимость |
активности |
изотопа I7F от |
ко |
личества дейтерия (б): |
|
|
А — удельная скорость счета в расчете |
на 1 моль |
воды: Л /D — отношение удель |
ных скоростей |
счета в Н20 |
и D20. |
|
|
ния содержания дейтерия по этой реакции подвержены, конечно, до некоторой степени влиянию побочных процессов [37]*.
* Из числа побочных реакций, протекающих с участием углерода, сле дует упомянуть образование изотопов 17F, 18F и 13N.
