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

ратное рассеяние от сцинтиллятора. Для предотвращения рас­ сеяния электронов сцинтиллятору необходимо придать специаль­ ную форму. Поскольку фор-

(3-излучателей обусловливают низкую избирательность спектро­ метрического инструментального анализа на этой основе. В ре­ зультате область применения такого метода сильно сужается, ограничиваясь определением макрокомпонентов в пробах про­ стого состава (2—3 компонента), к которым у-спектрометриче- ский анализ по каким-либо причинам неприменим. При этом для успешного определения необходимо значительное различие Др, м а к с - Для повышения избирательности часто приходится при­ бегать к помощи других параметров схем распада.

позитронные излучатели (см. табл. 12), причем 30Р имеет высо­ кую энергию Др, макс, a 120S b — значительно отличающийся пе­ риод полураспада. Поэтому в принятой методике проводили два измерения (3-спектра на сцинтилляционном спектрометре (через

156

определив экспериментально необходимые коэффициенты в опы­ тах с элементарными Р и Sb, можно рассчитать число отсчетов для 150.

§ 4. Спектрометрия у-излучения

За небольшим исключением, любой процесс неупругого ядерного взаимодействия или радиоактивного распада сопровож­ дается испусканием у-квантов. Это излучение обусловлено пере­ ходами между разными энергетическими уровнями возбужден­ ного ядра, образовавшегося в результате ядерного взаимодейст­ вия или радиоактивного распада ядра-предшественника. Поэто­ му испускаемое у-излучение имеет строго определенное значе­ ние энергии и очень узкую естественную ширину линии. Эти свойства у-излучения составляют хорошую основу для иденти­ фикации и избирательного определения элементов. Благоприят­ ным моментом является также высокая проникающая способ­ ность у-излучения, что позволяет проводить у-спектрометриче- ский анализ с достаточно толстыми пробами. Сочетание перечис­ ленных свойств с широкой распространенностью процессов, со­ провождающихся у-излучением, обеспечивает у-спектрометриче- скому методу ведущее положение в инструментальном актива­ ционном анализе.

Однако, чтобы в полной мере реализовать возможности, за­ ложенные в этом методе, необходимы адекватные системы реги­ страции. Хотя в этом направлении достигнут значительный про­ гресс, многие ограничения у-спектрометрического анализа все же связаны с несовершенством существующих методов регист­ рации и анализирующей аппаратуры. Чтобы правильно подойти к оценке возможностей и.ограничений метода, необходимо крат­ ко рассмотреть взаимодействие у-излучения с веществом и ха­ рактеристики используемых гамма-спектрометров. Более под­ робное изложение этих вопросов можно найти в специальной литературе [41, 183, 184, 193].

Взаимодействие у-излучения с веществом

В практике активационного анализа наибольшее значение приобрели системы, основанные на ионизирующем действии регистрируемого излучения. Как известно, у-кванты непосред­ ственно не вызывают ионизацию вещества, и поэтому их реги­ страция осуществляется через ионизирующее действие вторич­ ных заряженных частиц, которые возникают при взаимодейст­

157

f

вии у-квантов с электронными оболочками атомов, полем атом­ ного ядра, нуклонами и т. д. В этих процессах у-квант может передать заряженной частице (обычно электрону) всю или часть своей энергии. Механизм поглощения и рассеяния у-квантов в веществе можно представить тремя основными процессами: фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием пар.

Фотоэффект. Этим термином обозначают происходящий под воздействием у-квантов процесс вырывания электрона из атома с передачей ему всей энергии. Кинетическая энергия образовав­ шихся фотоэлектронов £р, Кин равна энергии поглощенного у-кванта за вычетом энергии связи электрона:

Фотоэффект происходит только на связанных электронах, находящихся на К- или L-оболочке средних или тяжелых ядер. Сечение фотоэффекта на К-оболочке приблизительно следует зависимости

где Z — заряд ядер атомов среды.

Образовавшийся возбужденный атом теряет энергию путем испускания электронов Оже или характеристического рентгенов­ ского излучения. Если фотоэлектроны, рентгеновские кванты или электроны Оже полностью теряют свою энергию в рабочем объеме детектора, то сигнал на выходе будет соответствовать полной энергии зарегистрированного у-кванта.

Комптоновское рассеяние. При взаимодействии у-квантов со свободными или слабосвязанными электронами происходит процесс рассеяния с передачей электрону только части энергии, которая в зависимости от угла рассеяния может принимать различные значения в области от нуля до максимальной вели­ чины, определяемой соотношением

Комптоновское рассеяние играет отрицательную роль в у-спектрометрических измерениях, так как создает непрерывное амплитудное распределение, которое является фоном для у-квантов .более низких энергий. В детекторе у-квант может претерпеть несколько последовательных актов рассеяния, в ре­ зультате чего он передаст всю свою энергию электронам отда­ чи. Тогда суммарный сигнал будет иметь амплитуду полного поглощения.

158

Образование пар. Если энергия у-кванта выше 1,02 Мэе, то при его взаимодействии с полем ядра становится возможным процесс образования пар, т. е. исчезновения у-кванта с одно­ временным образованием пары частиц — электрона и позитрона. Суммарная кинетическая энергия частиц равна Еу— 2т 0с2. После потери кинетической энергии на ионизацию атомов пози-

Рис. 43. Сечения различных процессов при взаимодействии у-излучения с веществом:

1— фотоэффект; 2— комптоновское рассеяние; 3— образование пар.

трон аннигилирует с образованием двух у-квантов, которые раз­

у-квантов с веществом детектора зависят от энергии регистри­ руемого излучения и материала детектора (рис. 43). Нетрудно видеть, что кристаллы Nal(Ti) более эффективны для регистра­ ции у-излучения из-за большей величины сечения фотоэффекта и меньшей роли комптоновского рассеяния. Однако Ge(Li)-де­ текторам свойственно более высокое разрешение.

Для обоих детекторов при малых энергиях преобладающую роль играет фотоэффект. Но с ростом энергии сечение фото­ эффекта резко уменьшается и на уровне в несколько сот кило­ электронвольт становится сравнимым с сечением комптонов-

159

ского рассеяния, которое с ростом энергии у-квантов падает значительно медленнее. Процесс образования пар имеет замет­ ное сечение только при энергии у'"кванТ0Б выше 2 Мэе, и его роль одинакова для обоих типов детекторов.

Гамма-спектрометры

Несомненно, что гамма-спектрометр относится к обязатель­ ной принадлежности любой лаборатории, занимающейся актива­ ционным анализом. Пока более распространен сцинтилляционный спектрометр, поскольку он прост в эксплуатации, легко до­ ступен и к тому же имеет длительную историю практического применения для аналитических целей. Полупроводниковый

дорог. Однако полупроводниковый спектрометр показывает от­ личные аналитические результаты. Надо надеяться, что про­ гресс в совершенствовании полупроводниковых детекторов и связанной с ним электронной аппаратуры приведет к появле­ нию более простых, доступных и совершенных спектрометров, удобных для рядовых аналитических применений. •

Сцинтилляционный спектрометр. Однокристалльный спектро­ метр— наиболее простая и распорстраненная конструкция. Как правило, в качестве сцинтиллятора выступают монокристаллы Nal(Tl), которые обладают высокой конверсионной способно­ стью и имеют большую плотность (3,67 г/см3) при высоком эффективном атомном номере (£эфф= 50). Эти качества кри­ сталлов Nal(Tl) в сочетании с возможностью получения моно­ кристаллов больших размеров обусловливают высокую эффек­ тивность регистрации у излУчения ПРИ удовлетворительном энергетическом разрешении. Так как среднее время высвечива­

довольно высоких уровней активности. Особенность кристаллов Nal(Tl) состоит в их гигроскопичности, поэтому их упаковы­ вают в специальные герметичные контейнеры.

В гамма-спектрометрах кристаллы Nal(Tl) используются в сочетании со спектрометрическими фотоумножителями. Эта система обычно оформляется в виде отдельного выносного блока, который включает в себя еще ряд дополнительных уст­ ройств: светонепроницаемый кожух, свинцовую защиту, держа­ тель источника и т. д. (рис. 44).

Поскольку при практическом использовании гамма-спектро­ метра уровень активности измеряемых источников может изме­ няться в значительных пределах, для подбора оптимальных условий измерения служит стойка, которая позволяет изменять расстояние источник — детектор. Увеличение расстояния умень­ шает абсолютную эффективность спектрометра.

160