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

этапе происходило медленными темпами. Перелом наметился в начале 60-х годов, когда заметно возросла интенсивность тео­ ретических исследований и технических разработок, а также расширилась сфера практических приложений метода.

§ 2. Основные особенности и области применения активационного анализа

Активационный анализ — один из ведущих методов современ­ ной аналитической химии, который находит все расширяющееся применение в различных областях науки и техники [9, 11]. Основ­ ные особенности и аналитические возможности этого метода главным образом определяются тем обстоятельством, что акти­

Из ядернофизической сущности метода сразу же вытекает одна из важнейших аналитических особенностей — нечувствительность к химическому состоянию атомов определяемого элемента в исследуемом объекте, т. е. активационный анализ способен давать только общее (валовое) содержание элемента в пробе и без привлечения дополнительных химических средств не по­ зволяет раздельно определять элемент в разных химических

формах.

С другой стороны, современная техника предоставляет в рас­ поряжение аналитика целый набор источников активирующего излучения, с помощью которых можно осуществлять актива­ ционное определение практически всех элементов периодической системы. Нередко эта способность метода реализуется на прак­ тике в схемах анализа, предусматривающих определение значи­ тельного числа элементов из одной небольшой навески, что сразу же дает обширную аналитическую информацию.

Некоторые виды излучений, как применяемые для воздейст­ вия на ядра элементов, так и испускаемые последними в ядер­ ных процессах, обладают достаточно высокой проникающей способностью, что позволяет проводить инструментальный ана­ лиз представительных по массе проб. Причем успех инструмен­ тального подхода главным образом связан с тем фактом, что один из основных видов ионизирующего излучения радиоактив­ ных ядер (у-излучение) является характеристическим, что дает возможность по параметрам излучения (энергия, период полу­ распада и интенсивность) проводить идентификацию элементов и их избирательное количественное определение.

Активационный анализ относится к числу наиболее чувстви­ тельных аналитических методов [11, 12]. Предел обнаружения для большинства элементов находится в интервале 10~7—10^11 %. При этом анализ по крайней мере сплошных твердых проб сво­ боден от необходимости введения поправки на холостой опыт, поскольку количество выполняемых операций до облучения про­

9

бы может быть малым, к тому же все возможные поверхностные загрязнения могут быть удалены травлением облученной пробы перед проведением конечных измерений. Химическая обработка облученной пробы, когда в этом появляется необходимость, может проводиться с помощью обычных аналитических реаген­ тов, так как небольшие количества нерадиоактивных примесей в них уже не могут повлиять на результаты анализа. Конечно, при этом следует избегать радиоактивных загрязнений, но это не представляет особой проблемы при тщательно спланированной методике работы и аккуратном выполнении аналитических опе­ раций. Постоянный радиометрический контроль может быть ис­ пользован для своевременного выявления радиоактивного за­ грязнения реактивов, посуды, рабочего места и т . д.

Отмеченная особенность активационного анализа позволяет отнести его к наиболее надежным методам определения малых содержаний элементов в самых разнообразных объектах. По этой причине он часто рассматривается как арбитражный метод

в области крайне низких концентраций элементов. В то же время

уактивационного анализа нет каких-либо существенных кон­ центрационных ограничений и он с одинаковым успехом может работать в широкой области — от предела обнаружения до макроконцентраций. При этом точность получаемых результатов

достаточно высока и погрешность в большинстве случаев нахо­

дится в интервале 1 —10 отн.%.

Конечно, активационный анализ, как и любой другой анали­ тический метод, не свободен от затруднений и помех, которые неблагоприятным образом сказываются на его характеристиках и могут серьезным образом осложнить выполнение анализа. Поэтому для достижения максимального эффекта требуется хорошее понимание сущности метода и его аналитических воз­

можностей.

Важно также обратить внимание на то обстоятельство, что отмеченные высокие аналитические параметры часто могут быть достигнуты только с помощью довольно дорогого и сложного в эксплуатации оборудования. Успехи современного активацион­ ного анализа во многом обусловлены прогрессом в разработке и совершенствовании таких видов ядернофизического оборудо­ вания, как ядерные реакторы, различные типы ускорителей за­ ряженных частиц, многоканальные анализаторы, средства регистрации ионизирующих излучений и т. д. [13]. Все более широкое распространение получают вычислительные машины, которые позволяют оптимально планировать режим анализа, облегчают и ускоряют обработку полученной информации, берут на себя функцию оперативного управления ходом аналитиче­

ского определения.

В процессе практического применения методов активацион­ ного анализа всегда приходится учитывать радиационную опас­ ность от воздействия ионизирующего излучения на организм

10

человека. А это предъявляет специфичные требования к мето­ дике анализа и оборудованию лабораторий [14]. Кроме того, необходимо особо подготавливать специалистов для работы в области активационного анализа. Совокупность указанных выше факторов создает определенный барьер на пути широкого ис­ пользования активационных методов в рядовой аналитической работе. Практика показывает, что наиболее благоприятные воз­ можности для их применения создаются в специальных исследо­ вательских центрах, оснащенных необходимым оборудованием и укомплектованных квалифицированными кадрами. Описание подобных лабораторий и основных направлений научных иссле­ дований в них систематически публикуется в J. Radioanalyt. Chemistry.

Хотя потенциально активационные методы могут быть по­ лезны при решении широкого круга аналитических проблем и эти возможности постоянно реализуются на практике, примеры чего можно найти в периодической литературе по химии, однако четко выделяются два направления, где применение активацион­ ного анализа наиболее эффективно. Имеются в виду определе­ ние содержания малых компонентов в различных природных и промышленных объектах и экспрессный инструментальный ана­ лиз в области средних и высоких концентраций (10~4— 100%). Детальное рассмотрение практических применений активацион­ ных методов не входит в задачу данной книги, и поэтому ниже для иллюстрации их аналитических возможностей приведены только некоторые наиболее интересные примеры.

Развитие современной техники вовлеко в сферу производства значительное число новых материалов и обусловило система­ тическое и непрерывное повышение требований к их качеству [9, 15]. Как уже упоминалось, реакторостроение было одной из первых отраслей техники, которая предъявила высокие требо­ вания к чистоте материалов, используемых в качестве горю­ чего (U), замедлителя (тяжелая и обычная вода, графит) и для изготовления различных конструкций и устройств внутри актив­ ной зоны (Zr, Al, Be и др.). Эти материалы не должны содер­ жать элементов с высоким сечением поглощения тепловых ней­ тронов. В ряде случаев требуется также отсутствие элементов, дающих при облучении долгоживущие радиоизотопы с жестким у-излучением. Для всех этих случаев были разработаны соответ­ ствующие активационные методики, позволившие получить тре­ буемую чувствительность определения (10~4—10_6%) для боль­ шей части нежелательных примесей.

Более высокие требования к чистоте используемых материа­ лов выдвинула быстро развивающаяся электронная промышлен­ ность. Содержание различных примесей в полупроводниковых материалах лимитируется уровнем 10~8—10~8% [9, 16]. Основные материалы для полупроводниковой техники — германий и крем­ ний; в последнее время важную роль начинают играть некото­

11

рые другие элементы (Sb, In, Ga, As и др.) и их соединения. Серьезные требования при производстве полупроводников были предъявлены и к чистоте ряда вспомогательных материалов. Задача контроля чистоты материалов при производстве полу­ проводников не является единственной. Например, важное зна­ чение имеет точное определение концентрации легирующих добавок, специально вводимых в используемый материал в коли­ честве 10~4—10-5%, или изучение равномерности их распреде­ ления. Активационные методы внесли существенный вклад в решение многих аналитических проблем, возникших в ходе ста­ новления и дальнейшего развития производства полупроводни­ ковых приборов [9, 17].

Высокая чувствительность и надежность активационных методов привели к их широкому использованию в научных ис­ следованиях, которые связаны с изучением крайне низких кон­ центраций элементов. При этом активационный анализ часто позволяет быстро накапливать обширную аналитическую инфор­ мацию, представляющую исключительный интерес для целых областей науки.

Прежде всего здесь следует отметить большой вклад в гео­ химию и космохимию [17, 18]. Изучение содержания малых кон­ центраций элементов в земных породах дает сведения о геохими­ ческих процессах и может оказать помощь при поисках место­ рождений редких и рассеянных элементов. Активационный ана­ лиз применяется для исследования вариаций изотопного состава некоторых элементов и для ядерной геохронологии. В последнее время активационный анализ оказывается одним из ведущих, методов при изучении химического состава вещества, доставлен­ ного с поверхности Луны [19].

Велико значение этого метода для биологии, медицины и смежных дисциплин [20, 21]. Эти науки заинтересованы в уста­ новлении содержания малых компонентов, роль которых в био­ логических процессах часто велика. Кроме того, такие исследо­ вания позволяют оценить воздействие некоторых элементов на живой организм при попадании через продукты питания или при хроническом отравлении на производстве. Можно также изучать процессы миграции элементов в организме и накопле­ ния их в отдельных органах. Аномальное содержание какоголибо элемента может указывать на нарушение процессов обмена и, таким образом, давать дополнительную информацию при диагностике заболевания.

Инструментальный вариант активационного анализа, часто обладая достаточно высокой чувствительностью при одновремен­ ном определении широкого круга элементов, ускоряет процесс получения аналитических данных и в то же время сохраняет исследуемый объект. Эти качества важны, например, для архео­ логии. Результаты химических анализов дают сведения о составе археологических находок, из которых могут вытекать весьма

12