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

*Все радиоизотопы — практически чистые позитронные излучатели. **Линейный ускоритель (£'торм = 28 Мэе, I = 50 мка) [ 154].

териалах. Хотя предел у-активационного определения С, N и О довольно высок (табл. 12), но вследствие не очень благоприят­ ных фотоактивационных характеристик этих элементов (высокие пороги, низкие сечения, чисто позитронный распад и т. д.) об­ ласть их инструментального определения ограничивается мате­ риалами, основные компоненты которых слабо активируются при облучении, и пределом чувствительности порядка 10~3— Ю-4 %. Причем результаты анализа часто находятся в сильной зависимости от присутствия в пробе других примесей. Как рас­ ширение круга анализируемых на эти элементы материалов, так и повышение чувствительности и надежности анализа тре­ бует применения химического выделения.

В области макроконцентраций фотоактивационный анализ позволяет создавать весьма быстрые и достаточно точные инструментальные методики для этих элементов, как, напри­ мер, определение С, О и N в природном угле [155] или изучение стехиометрического состава соединений кислорода с иодом

[135].

Другое направление фотоактивационного анализа — экс­ прессные инструментальные методы анализа сравнительно вы­ соких (0,001 —100%) содержаний элементов [156]. В это на­ правление в меру своих возможностей дают вклад все методы фотоактивационного анализа. Успехи в разработке быстрых методик анализа часто представляют большое практическое значение. При определении высоких содержаний на облучение одной пробы часто достаточно всего несколько минут, следо­ вательно, с одним ускорителем при его непрерывной работе можно обеспечить массовый анализ проб. Необходимо только, чтобы аналитическая лаборатория была оснащена необходи­ мым количеством измерительной и анализирующей аппарату­

130

ры, работающей преимущественно в автоматическом режиме. В качестве примера можно привести методику у-активацион-* ного определения F во флюоритовой руде [157]. Инструменталь­

Фотоактивационные методы анализа вещественного состава горных пород и руд приобретают большое значение для поиска полезных ископаемых, аналитического контроля процессов пере­ работки и обогащения в горнорудной и перерабатывающей промышленности [143, 158]. Для многих практически важных элементов предложены экспрессные методики, которые обла­ дают достаточной чувствительностью и точностью.

Весьма перспективно применение фотоактивационных мето­ дов для анализа проб сравнительно простого состава, таких, например, как сплавы. Избирательность метода к определяе­ мым компонентам может быть столь высокой, что становится возможным экспрессный анализ со сравнительно простым обо­ рудованием при хорошей чувствительности и надежности [159, 160]. Возможна также автоматизация процесса аналитического контроля. Фотоактивационный анализ позволяет также опре­ делять несколько компонентов в одной навеске, хотя это уже требует более сложной методики анализа.

Помимо отмеченных выше основных направлений имеются разрозненные и весьма разнородные попытки применения фотоактивационного анализа для решения различных аналитиче­ ских проблем. Они часто дают хорошие примеры, иллюстриру­ ющие аналитические возможности фотоактивационного ана­ лиза.

Пока подавляющее число предложенных фотоактивацион­ ных методик рассчитано на одновременное определение в пробе небольшого числа компонентов. Чаще всего анализ вклю­ чает один-два компонента и очень редко три. Однако возмож­ ности метода в. целом, видимо, значительно шире, поэтому ведутся предварительные исследования для разработки много-

'компонентных методик при анализе объектов сложного соста­ ва [161].

5!

Глава

(>

АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

СПРИМЕНЕНИЕМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

§1. Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Для облучений могут быть использованы ядра различных элементов, имеющих необходимую энергию. Источниками пото­ ков заряженных частиц служат либо некоторые ядерные про­ цессы, либо специальные установки, в которых ускоряются ионы этих элементов. Практическое применение в активационном анализе находят главным образом ядра (ионы) изотопов водо­ рода и гелия: протоны р, дейтроны й, ядра трития t, гелий-3 (3Не) и а-частицы. Проводятся первые исследования с тяжелы­ ми ионами [364].

При взаимодействии ускоренных ионов с ядрами элементов протекают многообразные ядерные превращения, специфичные для каждой используемой частицы. Тем не менее все методы активационного анализа на заряженных частицах имеют и об­ щие черты. Прежде всего, следует отметить наличие порога ядерных реакций, протекающих с их участием, который в основ­ ном связан с кулоновским барьером. Однако известно, что из-за туннельного эффекта заряженная частица имеет некоторую ве­ роятность проникновения через барьер, которая непрерывно уменьшается с падением энергии частиц. Следовательно, нет ка­ кого-то определенного значения энергии, ниже которого про­ никновение заряженной частицы в ядро полностью исключено. Поэтому, исходя из чисто практических соображений, за порог реакции с участием заряженных частиц принимают такую ве­ личину энергии, при которой вероятность туннельного эффекта пренебрежимо мала. Эту величину принято называть эффек­ тивным барьером. Связь между кулоновским и эффективным барьерами можно представить соотношением

С^эФф = k f j U к ( k 6 < 1).

Величина &б обусловливается типом заряженной частицы и при­ нятой вероятностью преодоления кулоновского барьера. На­ пример, для ионов 3Не [162] рекомендуется fe6 = 0,62. Для экзоэнергетических реакций величина порога совпадает с эффектив­ ным барьером, а для эндоэнергетических определяется тем процессом, который требует большей энергии частицы.

132

Функции возбуждения многих ядерных реакций с участием заряженных частиц имеют общую форму (рис. 35): быстрый рост при превышении пороговой энергии, достижение макси­ мума и после этого медленный спад. Уменьшение сечения на последнем участке обычно связано с появлением конкуренции со стороны других реакций, которые становятся энергетически возможными. Плавный ход кривой возбуждения иногда нару­

действия на большей части пути много меньше (в среднем око­ ло 35 эв), чем полная энергия частицы, а масса частицы много больше массы электрона, однородные заряженные частицы оди­ наковой начальной энергии проходят в веществе примерно рав­ ный путь, практически не отклоняясь от первоначального на­ правления. Таким образом, величина пробега R3.4 пучка заря­ женных частиц в данном веществе пропорциональна их началь­ ной энергии.

Знание соотношения энергия — пробег часто очень важно для практических целей. Однако поскольку простое уравнение, ко­ торое связывало бы пробег и энергию и было справедливо для разных частиц и веществ различного состава, отсутствует, то точ­ ные данные получают экспериментально или путем сложных расчетов. Предложено также несколько эмпирических выраже­ ний для оценки величины пробега. Согласно работе [163], для активационных применений достаточно точные результаты для простых веществ (элемент) дает соотношение

где / м — эффективный ионизационный потенциал вещества; М — массовое число вещества; ZM и zm— относительный заряд матрицы и активирующей частицы; Е3.ч— энергия частиц, Мэе.

133

Для определения величины пробега в веществах сложного состава применяют правило Брэгга, которое в математической форме записывается в виде уравнения

простого компонента в веществе.

В целом пробег заряженных частиц в веществе мал и изме­ ряется долями миллиметра (табл. 13).

Еще одно общее свойство методов облучения заряженными частицами — одновременное протекание нескольких ядерных реакций на одном изотопе. Как правило, реакции сопровожда­ ются изменением зарядового состояния облучаемых ядер, при­ чем для легких элементов значительную вероятность при уме­ ренной энергии активирующего излучения имеют реакции с из­ менением заряда на несколько единиц. Множественность кана­ лов ядерных реакций часто оказывается неблагоприятным фак­ тором, так как в результате облучения возникает сложная смесь радиоизотопов, имеют место нежелательные помехи для опре­ деления исследуемых элементов. В результате появляются за­ труднения при выполнении анализов, возникает потребность в применении более сложных процедур и методов.

Так, под действием протонов наиболее вероятно протекание

этому добавить, что перечисленные реакции относятся к одно­ му изотопу, а многие элементы состоят из нескольких изотопов, то станет очевидным, что возможное количество образующихся радиоактивных продуктов может быть значительным. Очень часто это обстоятельство заставляет снижать максимальную энергию активирующего излучения, чтобы повысить избиратель­ ность определения, что приводит к следующему: 1) активация

134

заряженными частицами оказывается наиболее благоприятной для определения легких элементов, где кулоновский барьер низок; 2) уменьшается чувствительность.

Мерой интенсивности потока заряженных частиц служит ток пучка или число частиц в единицу времени. При облучении мишени достаточной толщины заряженные частицы в пучке дви­ жутся прямолинейно, постепенно теряя энергию, но с незначи­ тельным изменением полного числа частиц. Вследствие потери энергии у частиц меняется вероятность вступления в реакцию, пока энергия не упадет ниже пороговой. Эти особенности облу­ чения заряженными частицами приводят к специфической форме

мозных способностей элементов, входящих в его состав, урав­ нение (6.4) можно написать в виде

Если величину dx из уравнения (6.5) подставить в уравнение (6.3) и проинтегрировать, считая, что логарифмический член мало меняется с ^энергией, так что можно ввести постоянное среднее значение Е3. ч, то получим

(6.6)

4E .

Z N Z 2 n e 4z 2 In -

' c p

Из-за трудностей, встречающихся при определении некото-. рых параметров, абсолютный метод анализа на основе уравне­

135