Файл: Мюллер Г. Специальные методы анализа стабильных изотопов.pdf

Точность описанной методики характеризуется следующими данными. Из навески воды 1 г возможно определение содержа­

предлагаемой авторами этой работы, является применение для активации пробы протонов, ускоренных на циклотроне до энер­ гии 4,05 Мэв. Регистрация наведенной активности может быть основана как на измерении аннигиляционного у-излучения 18F,

так и на детектировании нейтронов с помощью нейтронного время-пролетного спектрометра, как это предложено в работе [63]. В работе [60] с помощью реакции 180 (р, rt)18F измерялись толщины окисных слоев.

Еще один путь измерения концентрации изотопа 180 заклю­ чается в активации его ядер тепловыми нейтронами, приводя­ щей к образованию радиоактивного изотопа 190 [64, 65] по реак­ ции 180 (п, у )190 (а = 2 1 мбарн). РІзотоп 190 Является ß~-, у-излу-

чателем и с периодом полураспада 29,5 сек превращается

визотоп 18F.

Впервой из упомянутых работ этот способ анализа опробо­ ван в интервале концентраций 0,2— 10,8 ат.% 180. Изотоп 180

регистрировался по аннигиляционному у-излучению. Стандарт­ ное отклонение составило ±7,9%- Минимально определяемое количество изотопа 180 равно 0,35 мг. Применявшийся для облу­ чения проб реактор обеспечивал сравнительно невысокую плот­ ность нейтронного потока [7-1010 нейтрон/(см2-сек)]. При рас­

чете результатов измерений оказалось более целесообразным экстраполировать скорость счета на момент окончания облуче­ ния, чем измерять интегральную активность за некоторый про­ межуток времени (40—160 сек). В последнем случае стандарт­ ное отклонение возрастало до ±14%.

Во второй работе исходный образец воды H2lsO подвергался изотопному обмену с С 02 при использовании карбоангидразы в качестве катализатора. Затем окись С180 2 осаждали аммиаком,

в виде карбамата аммония. Твердый осадок облучали в реакторе

■сцинтилляционным счетчиком в комплекте с многоканальным

к анализу различных соединений, меченных изотопом 180 , сооб­ щается в работе [6 6 ].

Столь же чувствительным является и другой метод опреде­ ления содержания тяжелого изотопа кислорода, предложенный

295

в работе [6.7]. Метод основан на облучении анализируемой пробы,, закрепленной на бумажной подложке, «-частицами от 210Роили 228ТЬ-нсточника. Нейтроны, выделяющиеся по реакции 180 («, « )21Ne, замедляются слоем парафина и регистрируются

сцинтилляционным или 4я-счетчиком, заполненным BF3.. Процедура подготовки пробы для этого метода несколько на­ поминает способ качественного авторадиографического детекти­ рования изотопа 180 по методике, предложенной в работе [6 8 ].

Реакция 180 (u, n)21Ne использовалась также в работе [69].

Альфа-частицы ускорялись на циклотроне до энергии 4,6 Мэв. Помимо измерений выхода нейтронов одновременно регистриро­ вались у-кванты с энергией 350 кэв. Граница обнаружения тяже­ лого изотопа кислорода по этой методике составила 2 -1 0 ~ 9 г.

По реакции 160(n , p )16N, осуществляемой на быстрых нейтро­

нах, возможно определение очень малых количеств легкого изотопа кислорода 160. Такая реакция может оказаться полез­ ной при анализе образцов с высоким обогащением изотопом 180 .

В работе [70] для получения быстрых нейтронов использовалась реакция 3Н(Д л)4Не. Дейтоны с энергией 150 кэв получали на

ускорителе Кокрофта—Уолтона.

В аналитических целях может быть использована также реакция 180(л , а )15С [71]. Кроме того, в работах [72, 73] пред­

ложено еще несколько ядерных реакций, пригодных для целей изотопного анализа кислорода. По оценкам авторов этих работ, граница обнаружения изотопа 180 может быть снижена до ІО- 1 2 г.

11,6. Изотоп 235U

Методы радиометрии нашли значительное применение и для изотопного анализа урана, поскольку масс-спектрометрические- определения содержания изотопов урана сопряжены с некото­ рыми трудностями. При этом следует иметь в виду, что задача определения изотопного состава урана и, в частности, задача определения содержания изотопов 235U и 238U крайне важна не только при решении проблем ядерной техники, но и возникает всякий раз при изготовлении, например, образцов с высокой степенью обогащения, необходимых для различных физических исследований.

Для определения содержания изотопа 235U радиометриче­ скими методами существуют два пути: регистрация естественной радиоактивности изотопа (ті/г = 7,1310s лет) и реакция деления урана. В первом случае измеряется а- или ß-активность образца. С помощью «-спектрометрии, например, авторы работы [74]' определяли относительное содержание изотопов 234u/238{j и 235JJ/238и в высокообогащенных пробах. Аналогичная методика использовалась также в работах [42, 75, 76]. Анализ по интен­ сивности у-линии с энергией 184 кэв проводился авторами рабо­ ты [77]. При содержании 235U около 5 ат.% погрешность резуль­

296

татов не превышала ±0,02 ат.%. В обоих случаях непосредст­ венно перед измерением необходимо отделять продукты распада урана. Обычно для этой цели используется экстракционная процедура.

Значительно чаще используется второй путь — деление ядер.. Этот способ особенно часто применяется для определения содер­ жания примесей природного урана и разработан в нескольких вариантах: измерение суммарной активности всех продуктов деления [78—82], прямой счет отдельных актов деления в иони­ зационной камере [83—86], счет нейтронов, освобождающихся в процессе деления [87—89], измерение активности отдельных продуктов деления — изотопов ш Ва [90], 140Ва [91—96], 132Те [971 или 133Хе [98, 99] — после предварительного радиохимического выделения их из исходной смеси.

Вопросы изотопного состава урана, и в том числе задача определения содержания изотопа 235U, решались еще в ранних

работах по активационному анализу урана [84, 100— 102]. Для активации пробы применялись небольшие источники нейтронов. Достигнутая точность измерений характеризуется относительной погрешностью ± 2 —4%. Наиболее подходящим является

Ra—Be-источник фотонейтронов. Максимальная энергия нейтро­ нов этого источника равна 0,69 Мэв, тогда как пороговая энер­ гия деления ядер изотопа 238U равна 1 Мэв. Поэтому измеряе­ мая активность продуктов деления целиком обусловлена изото­ пом 23r,U. Используя Ra—Be-источник, авторы работы [8 6 ] смогли

проанализировать практически чистый изотоп 238U на остаточное содержание изотопа 233U. При этом чувствительность методики позволила надежно определять концентрацию 2,5-10~4% 235U.

Особенно высокая точность результатов анализа была до­ стигнута Нильсоном [ЮЗ] при активации проб в шведском реак­ торе RI и использовании щелевого счетчика для регистрации продуктов деления, представляющего собой двойную воздушную ионизационную камеру. Уран наносили на дисковые платиновые' электроды в виде UF4 по методике, предложенной Каном [104].

При навеске урана природного изотопного состава 0,10—0,15 мг поверхностная плотность нанесенной пробы составляла 0,06 мгісм2. При часовой продолжительности измерений актив­ ности регистрировалось ІО6 имп. Средняя квадратическая по­

грешность всей методики равна ±0,4%, что позволяло замечать вариации в изотопном составе в интервале природных концент­ раций 235U, равные 0,005 ат.%. Определение общего содержания

урана в анализируемых пробах проводилось по ацетон-тио- цианатному методу [105].

Методы изотопного анализа, основанные на измерении у-активности продуктов деления с помощью сцинтилляционной техники, без применения разделительной процедуры описаны в работах [106, 107]. В первой работе анализ выполнялся на боль­ ших образцах. Для активации применялся маломощный нейтрон­

29Г

ный источник. Относительная погрешность измерений в пределах природных концентраций 235U равна ±1% . Во второй работе объектами анализа служили образцы с высоким обогащением 23 5 U. Анализ проводился на микрограммовых количествах.

Пробы активировались в реакторе.

В последнее время появились также новые работы, посвя­ щенные изотопному анализу урана [108— 111].

11.7. Изотопный анализ других элементов

Рассмотренные примеры использования ядерных процессов для изотопного анализа стабильных элементов не исчерпывают, конечно, всех возможностей активационного метода. Уже опуб­ ликованы работы, в которых описаны процедуры изотопного анализа элементов, доступных до сих пор только масс-спектро­ метрическому методу.

В значительной части работ по активационному изотопному анализу внимание исследователей сконцентрировано на попыт­ ках решить этим методом различные изотопно-аналитические задачи в области биохимии и геологии, где возможность ана­ лиза малых количеств пробы является более важной, чем вопрос о точности измерений. Так, при анализе образцов метеоритного происхождения в распоряжении у исследователя находится очень ограниченное количество материала и вопрос расхода пробы на анализ приобретает первостепенное значение. С другой стороны, при проведении некоторых биологических исследований количество вводимой метки, представляющей собой стабильный изотоп какого-либо элемента, также должно поддерживаться на минимально допустимом уровне, поскольку в противном случае могут играть заметную роль процессы взаимодействия этой метки с исследуемым биологическим объектом. Рассмотрим не­ которые примеры использования метода активационного анализа в таких исследованиях.

При оценке возраста метеоритов по аргоновому методу за­ дача сводится к определению содержания изотопа 40АгЛЭтот анализ можно выполнить с помощью (п, у)-реакции, в резуль­ тате которой образуется изотоп 41 Ar, являющийся ß-излучателем с периодом полураспада 1 , 8 ч. Влияние аргона из атмосферы

можно учесть одновременным измерением активности другого радиоактивного изотопа 37Аг (/(-захват, т і /2 = 37 суток). Граница

■обнаружения 40Аг этим методом лежит в нанограммовой об­ ласти [112— 115].

Содержание изотопа 3Не в смеси с 4Не можно определить измерением поглощения нейтронов анализируемым образцом [116]. Полное сечение взаимодействия 3Не с нейтронами состав­ ляет 3000 барн, тогда как сечение рассеяния нейтронов ядрами тяжелого изотопа гелия равно всего 4 барн. Нейтроны из реак­ тора предварительно замедляются и для получения моноэнерге­

298