Файл: Кузнецов, Р. А. Активационный анализ.pdf

При работе реактора выделяется тепло, и поэтому темпера­ тура в активной зоне повышена. В исследовательских реакто­ рах температура в активной зоне обычно невелика и часто не превышает 50° С. Облучаемые пробы должны выдерживать длительное пребывание в условиях повышенной температуры. Особенно это относится к жидкостям, которые, как правило, облучают запаянными в кварцевые ампулы. Чтобы в ампуле под действием температуры не могло развиться высокое дав­ ление, способное разорвать ее, ампулу заполняют жидкостью менее чем на 1/3 объема. Запаянную ампулу испытывают на

устойчивость к давлению, нагревая ее в течение 24 ч при тем­ пературе 100° С.

При облучении в реакторе пробы подвергаются также зна­ чительному радиационному воздействию со стороны интенсив­ ных потоков у квантов и нейтронов. Хотя з целом радиацион­ ное изменение пробы не влияет на результаты активационного анализа, имеются два процесса, которые могут вызвать не­ которые затруднения. Под воздействием облучения многие вещества разлагаются (иногда с выделением газообразных про­ дуктов). Если при этом возникнет большое давление, то это может вызвать взрыв ампулы во время облучения или при ее вскрытии. В таких случаях, если возможно, пробы лучше облу­ чать в открытой ампуле.

Другая трудность связана с тем, что при облучении неко­ торые вещества, главным образом органические, иолимеризуются, превращаясь в соединения, которые плохо разлагаются, если необходимо применить радиохимическую обработку. Что­ бы обойти это затруднение, можно применить облучение мень­ шей интегральной дозой или провести предварительную подго­ товку пробы.

Анализ облученной пробы

В результате облучения в анализируемой пробе возникает целый ряд радиоизотопов, которые получаются из изотопов элементов, входящих в состав пробы либо в качестве примесей, либо макрокомпонентов. Значит, дальнейшая задача состоит в том, чтобы измерить интенсивность излучения нужного радио­ изотопа на фоне излучения других радиоизотопов, присутству­ ющих в пробе. Эта задача может быть решена либо с помощью средств и методов ядерной физики, либо путем применения химического выделения соответствующих элементов.

Первый способ — основа инструментального варианта акти­ вационного анализа. Для получения необходимой избиратель­

излучения, его энергию и т. д. и особенности схем распада определяемых радиоизотопов — вид и энергию излучения, пе­ риод полураспада и т. д.

53

г

Поскольку с помощью физических средств при благоприят­ ных условиях радиоизотопы можно идентифицировать и коли­ чественно измерить непосредственно в облученной пробе, то нет необходимости в какой-либо обработке пробы между об­ лучением и измерением. При быстрой доставке пробы на изме­ рение получаются исключительно экспрессные методы анализа, часто использующие радиоизотопы с периодом полураспада всего в несколько секунд. Другие достоинства инструменталь­ ного варианта — малая трудоемкость и высокая экономичность анализа. В сочетании с современной вычислительной техникой инструментальные методы образуют полностью автоматизиро­ ванные системы для активационного анализа [45].

Однако в практическом применении инструментального ме­ тода имеются и определенные трудности, связанные с ограни­ ченной разрешающей способностью используемых приборов, сложностью обработки результатов измерений и невозможно­ стью применить этот метод к определению малых концентра­ ций элементов в объектах, которые сильно активируются в- процессе облучения. Особенности этого метода и его примене­ ние подробно рассматриваются в гл. 7 и 8.

Что касается радиохимического варианта, то его можно применять для определения большей части элементов периоди­ ческой системы независимо от основы пробы. Метод в целом более чувствителен и точен, чем инструментальный, и позво­ ляет определять большое число элементов из одной навески. Недостатки метода — трудоемкость и длительность. По этой причине в радиохимическом варианте находят применение в

>2 мин).

Врезультате облучения анализируемая проба становится радиоактивной, а следовательно, и источником ионизирующего излучения, которое представляет определенную радиационную опасность. Следует заметить, что при активационном анализе

интенсивность полного излучения пробы не всегда одинакова и зависит от условий облучения. Так, мощность экспозиционной дозы у-излучения пробы сравнительно мала после облучения большинства материалов потоками тепловых нейтронов плот­ ностью менее 1011 нейтрон/(см2сек). В этом случае часто бы­ вает достаточно применить простую защиту в виде экранов из свинца и некоторые несложные методы работы.

При плотности потоков нейтронов выше 1013 нейтрон/{см2Х Хсек) мощность экспозиционной дозы облученной пробы за­ висит от ее состава. При анализе материалов, дающих при об­ лучении короткоживущие радиоизотопы, пробу можно выдер­ жать до распада высокоактивной основы, прежде чем начинать какую-либо обработку. Не представляет особой опасности ра­

54

бота с образцами, основа которых активируется слабо (Si, SiC>2, Be, С и др.). При работе с сильно активирующимися ма­ териалами, дающими при облучении достаточно долгоживу­ щие радиоактивные изотопы с жестким у-излучением (Ge, GaAs, Sbln и др.), радиационная опасность велика и требуется провести ряд мероприятий по обеспечению безопасных условий работы, а это усложняет анализ. Поскольку в некоторых слу­ чаях образующаяся активность проб может составлять десятки кюри, то ручная обработка их исключается. Поэтому на пер­ вых стадиях анализа приходится работать в специальных за­ щитных боксах, снабженных манипуляторами [67].

Вполне естественно, что эти первые стадии должны преду­ сматривать отделение определяемых элементов от высокоактив­ ных компонентов, после удаления которых дальнейшая работа может проводиться уже с применением простых защитных средств. Для удаления высокоактивных компонентов наиболее подходят химические методы, которые требуют минимума руч­ ных операций и являются в то же время наиболее избиратель­ ными.

Последовательность операций, выполняемых после облуче­ ния, примерно следующая. Ампулы извлекают из алюминиевого контейнера и вскрывают. Первыми, как правило, поступают в обработку ампулы с пробами. При анализе твердых проб, об­ лученных в виде сплошного куска или крупнокристаллического порошка, первой операцией обычно является поверхностное протравливание. Тонкоизмельченные пробы травлению не под­ вергают. Обработка пробы реагентами, растворяющими тонкий поверхностный слой, позволяет удалять загрязнения, сорбиро­ ванные на нем во время отбора и подготовки к облучению. Однако такая простая обработка не всегда эффективна. Так, травление соляной кислотой поверхности германия для удале­ ния меди не дало желаемого эффекта даже при растворении до 20% исходной массы пробы [68]. Некоторые элементы силь­ но цементируются на свежей поверхности германия, поэтому лишь применение специальной методики травления до и после облучения позволило избавиться от поверхностных загрязнений медью, золотом и серебром и получить воспроизводимые ре­

зультаты анализов.

Полезными методами удаления поверхностных загрязнений после облучения могут оказаться механическое удаление тон­ кого слоя или сочетание травления с полировкой. Хороший эффект может дать введение в раствор, используемый для травления, удерживающих носителей определяемых элементов.

После травления проба направляется либо на инструмен­ тальный анализ, либо на радиохимическую обработку. В по­ следнем случае ход анализа состоит из ряда стадий. Предва­ рительная стадия включает в себя перевод пробы в раствор, введение носителей, контроль валентного состояния. Основная

55

стадия предусматривает выделение определяемых элементов в отдельные фракции с использованием различныххимических методов. Вспомогательная стадия призвана обеспечить высо­ кую радиохимическую чистоту выделенного препарата путем проведения дополнительных химических операций. На конт­ рольной стадии с помощью физических средств и методов про­ водится идентификация радиоизотопов и делается заключение о радиохимической чистоте препарата. Заключительная стадия состоит в определении химического выхода и измерении актив­ ности аналитического радиоизотопа. Более подробно радиохи­ мический метод рассмотрен далее, в гл. 9 и 10.

Затем эталоны вымывают из ампул, в которых они облуча­ лись, с помощью реагентов с введенными в них носителями соответствующих элементов. Если эталоны были нанесены на бумажную или алюминиевую полоску, то последние также переводят в раствор, обрабатывая кислотами. Если активность эталонного раствора велика, то его разбавляют до определен­ ного объема и отбирают аликвотную часть.

В дальнейшем раствор эталона можно пропустить через ту же химическую обработку, какая применяется для фракций, выделяемых из проб, но чаще эталон подвергают только не­ большой радиохимической очистке. Иногда после облучения эталоны измеряют без какой-либо предварительной подготовки. Однако в этом случае следует учесть различия в геометриче­ ских условиях при измерении и убедиться в отсутствии помех от примесей в подложке или материале ампулы.

Получение конечных результатов

Активности препаратов, выделенных радиохимическим ме­ тодом из проб и эталонов, измеряют на установках для регист­ рации ионизирующего излучения. Хотя для этой цели можно применять различные методы, наибольшее распространение получило измерение у-излучения с помощью сцинтилляционных счетчиков и (3-излучения с помощью простых торцовых счетчиков.

Вследствие большой проникающей способности у-излучения можно измерять активность как твердых, так и жидких проб. Следовательно, измерения можно проводить сразу же после выделения препарата в виде осадка или в растворе. Важно только, чтобы строго соблюдались геометрические условия при измерении эталона и препарата. Это означает, что в случае жидких препаратов их необходимо перенести в стандартные кюветы, которые заполняют раствором до одинакового уровня; твердые препараты должны иметь определенные объемы и площадь. Состав раствора или твердого осадка обычно не влияет на результаты измерений, если уизлучение достаточно

56

Глава

4

НЕЙТРОННЫЙ АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

§ 1. Основные виды взаимодействий нейтронов с атомными ядрами

Как известно, нейтрон — элементарная частица, не имею­ щая электрического заряда. Нейтроны и протоны — составные части ядра, в котором они прочно связаны ядерными силами. Отсутствие электрического заряда исключает взаимодействие нейтрона с электронными оболочками атомов и кулоновским полем ядра. Поэтому для проникновения нейтрона в ядро нет потенциального барьера и взаимодействие, может произойти даже при небольшой энергии нейтрона.

Взаимодействия нейтронов с ядрами элементов весьма об­ ширны и разнообразны, их характер зависит от энергии ней­ тронов и структуры ядра [69]. Согласно энергии нейтроны разделяют на несколько групп, границы между которыми в некоторой степени условны:

Холодные и сверхбыстрые нейтроны представляют толькоспециальный интерес и не находят применения в аналитических целях.

Основные виды взаимодействий нейтронов проявляются при столкновениях с ядрами. В результате столкновения нейтрон может быть просто отклонен в поле ядерных сил или можетбыть захвачен ядром с образованием составного ядра. В пер­ вом процессе, который называется упругим рассеянием, сум­ марная кинетическая энергия нейтрона и ядра в результате взаимодействия не меняется и ядро остается в основном со­ стоянии. Упругое рассеяние играет очень важную роль при замедлении нейтронов.

Второй процесс, связанный с захватом нейтрона ядром,, более сложен и может привести к целому ряду ядерных пре­

58