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

эксперимента параметрам {Ad, /ион, ^обл)- Полученная величина учитывает все каналы реакций, приводящих к данному изотопу при облучении определяемого элемента.

Энергия Мзд

Рис. 36. Кривая активации углерода по реак­ ции 12С(а, шг)пС.

Экспериментальные величины выходов, естественно, удобнее получить для простых веществ. Тогда для толстого слоя веще­ ства сложного состава уравнение активации принимает вид

где Mim — активность радиоизотопа k, образующегося из эле­ мента i в матрице т; Wim— относительное содержание i-го эле­ мента; Xk — постоянная распада радиоизотопа k; рт и pi — про­ ницаемость вещества матрицы и определяемого элемента для

заряженных ч а с т и ц Д л я вещества сложного со­

става величина рт определяется с помощью соотношения, ана­ логичного (6.2).

Знание величины выхода реакции позволяет определять со­ держание абсолютным методом по уравнению (6.17). Если при­ бегнуть к методу эталонов, но в качестве последнего использо­ вать любое подходящее вещество известного состава, процесс

140

пробег ядер трития такой энергии в твердых веществах состав­ ляет примерно 20—30 мкм, то и размеры частиц анализируемого материала не должны превышать удвоенной величины про­ бега.

Источником заряженных частиц могут быть также упругие

оказывается равной начальной энергии нейтрона. Таким обра­ зом, облучая водородсодержащее соединение быстрыми нейт­ ронами реактора, можно получить поток протонов отдачи со

где Np — число протонов отдачи; пр — плотность протонов в ве­ ществе; os(E) — сечение упругого рассеяния; Фп( £ ) — плот­ ность потока нейтронов.

Сечение упругого рассеяния уменьшается с ростом энергии нейтронов и для нейтронов в области энергий 1—20 Мэе падает от 6 до 0,5 барн. [69]. Так как потери энергии протонами отдачи

При облучении тяжелой воды нейтронами с энергией 14 Мэе можно получить дейтроны отдачи, максимальная энергия кото­ рых достигает около 12,5 Мэе (пробег в воде 1,2 мм) [169]. Потоки заряженных частиц, получающиеся в ядерных реакциях и процессах отдачи, невелики. Однако, поскольку они возни­ кают непосредственно в объеме анализируемой пробы (смеси), общая масса облучаемого вещества оказывается большой.

Ускорители. В ядерной физике для получения заряженных частиц с энергией 0,1—30 Мэе в основном применяются электро­ статические ускорители, циклотроны и линейные ускорители. Первые два типа представляют собой основные инструменты анализа на заряженных частицах. Электростатические ускорите­

ли уже упоминались в связи с получением потоков тормозного излучения.

142

Циклотрон — резонансный ускоритель. Ионы набирают энер­ гию при многократном ускорении, двигаясь в постоянном маг­ нитном поле в резонанс с переменным электрическим полем вы­ сокой частоты. Магнитное поле, в котором находится ускори­ тельная камера, заставляет ионы двигаться по окружности, радиус которой тем больше, чем выше скорость ионов. По до­ стижении необходимой энергии ионы попадают на исследуемую пробу (внутреннее облучение). Пучок ионов может быть также выведен из камеры циклотрона с помощью отклоняющей систе­ мы (внешнее облучение). Облучение на выведенном пучке больше подходит для активационных определений, поскольку при этом более просто решается проблема охлаждения, уста­ новки и извлечения проб в ходе анализа.

Излучение циклотрона импульсное. Средняя величина ион­ ного тока достигает 1 ма и более (1015—1016 частиц/сек). Хоро­ шо сфокусированный пучок ионов имеет круглое сечение пло­ щадью около 1 см2 [84]. Энергия заряженных частиц, получае­ мых на циклотроне, обычно лежит в интервале 104-15 Мэе, при этом разброс энергии частиц в пучке не превышает 1%. Неко­ торые конструкции циклотронов допускают широкое изменение энергии пучка, а также позволяют ускорять частицы разного типа.

Циклотрон — весьма сложная и дорогая установка, требую­ щая специального помещения и квалифицированного обслужи­ вающего персонала. При всем этом он по сравнению с ядерным реактором имеет очень малую производительность, так как из-за малых размеров пучка одновременно можно облучать неболь­ шое число проб. Все это затрудняет широкое аналитическое применение циклотронов. Делаются попытки разработать неболь­ шие и сравнительно простые конструкции циклотронов [170].

§ 3. Методы активационного анализа на заряженных частицах

По-видимому, наиболее подходящая основа для классифи­ кации методов активационного анализа с помощью заряжен­ ных частиц— тип используемой бомбардирующей частицы, от которой зависят наиболее характерные ядерные реакции и осо­ бенности каждого метода.

Облучение протонами. Протоны могут вызвать ядерные реак­

единицу больше исходного, конечное ядро довольно часто ока­ зывается стабильным. Для этого типа реакций очень характер­ ны резко выраженные резонансы. Сечение реакции (р, у) обыч­ но мало для всех элементов.

143

По реакции (р, я) образуется изобар исходного ядра, кото­ рый, как правило, радиоактивен и путем позитронного распада опять переходит в исходное ядро. Из-за различия масс протона и нейтрона эти реакции также эндоэнергетичны. Для реакций (р, я) характерны высокие сечения.

Реакции (р, а) приводят к ядрам с зарядом на единицу меньше, которые в большинстве своем оказываются стабильны­ ми. Сечения реакций {р, а) имеют высокие значения для лег­ ких ядер и уменьшаются для тяжелых.

Облучение дейтронами. Под действием дейтронов возможно протекание реакций (d, р), (d, я), (d, a), {d, 2я), (d, t) и др. Известно, что энергия связи нуклонов в дейтроне мала и состав­ ляет лишь 2,2 Мэе, в то время как средняя энергия связи нук­ лона в более тяжелых элементах равна примерно 8 Мэе. Поэто­ му ядерные превращения, вызываемые дейтронами, всегда силь­ но экзоэнергетичны и часто происходят при относительно низ­ кой энергии дейтронов.

Исследование ядерных реакций под действием дейтронов по­ казало, что реакция (d, р) имеет обычно более низкий порог, чем остальные реакции. Этот факт обусловлен особым характе­ ром взаимодействия дейтронов с ядрами. При приближении к ядру дейтрон попадает в его кулоновское поле, которое, не дей­ ствуя на нейтрон, отталкивает протон. Так как расстояние между нуклонами в дейтроне велико, то нейтрон может проникнуть в поле действия ядерных сил раньше, чем протон преодолеет кулоновский барьер. При этом происходит «развал» дейтрона, и если дейтрон имел небольшую энергию, то протон из-за куло­ новского отталкивания не сможет проникнуть внутрь ядра. Та­ кой механизм ядерной реакции получил название реакции «срыва».

Реакция (d, р) является основной при энергиях дейтронов порядка нескольких мегаэлектронвольт. Нетрудно видеть, что в результате этой реакции образуются те же радиоизотопы, что и по реакции (п, у). С ростом энергии дейтронов начинают играть важную роль ядерные реакции других типов.

Облучение ядрами трития. Этот метод пока не получил су­ щественного развития. Единственным примером облучений яд­ рами трития в аналитических целях является реакция |60(^, tt)18F. Источником ядер 3Н чаще всего служит реакция

2,7 Мэе, то сечение реакции 160(^, n)18F имеет довольно высокую

[171, 172]. Делаются первые попытки получать пучки ядер три­ тия на ускорителях [173].

Облучение ядрами 3Не. Это сравнительно новый метод, предложенный Марковичем и Махони в 1962 г. [174]. Уже в этой

144