ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 106
Скачиваний: 0
г
К настоящему времени в различных процессах получено и, исследовано громадное количество радиоизотопов. Анализ на копленных данных показывает, что в этой массе отсутствую!’ радиоизотопы с полностью идентичными схемами распада [36, 37]. Это значит, что схема распада является индивидуальной характеристикой радиоизотопа и может служить основой для его однозначной идентификации. Этот факт во многом опреде ляет высокую специфичность активационного анализа.
Надо отметить, что определение всех параметров схемы рас пада, которые необходимы для однозначной идентификации,, представляет не всегда простую задачу и может быть выполнена в ходе аналитического определения. К тому же параметры изме рительных приборов часто далеки от совершенства и ограничи вают Возможность определения характеристик распада с необ ходимой точностью. Поэтому в трудных случаях, когда физи ческие средства не позволяют зарегистрировать излучение нуж ного радиоизотопа и надежно идентифицировать его из-за помех со стороны других радиоизотопов, приходится прибегать к хими ческой обработке пробы. Сочетание избирательности химиче ского выделения с использованием физических параметров схем распада представляет наиболее надежный путь для идентифика ции радиоизотопа.
§ 3. Уравнение активации
Ранее было показано, что количественное определение воз можно по мгновенному и задержанному излучениям. В первом методе исследуемая проба помещается в поток активирующега излучения и проводится измерение интенсивности вторичного излучения. Количественное соотношение между числом вторич ных частиц в единицу времени Аг и количеством изотопа выте кает из уравнения
Аг — трФсгАд, |
(2.15) |
где т)г— выход вторичного излучения.
Однако в практике активационного анализа основной метод получения количественных результатов состоит в измерении интенсивности ионизирующего излучения радиоизотопов, образо вавшихся в процессе облучения пробы потоком активирующего излучения. При этом измерение проводится в отсутствие акти вирующего излучения и, как правило, вне зоны облучения. В этом случае также имеет место строго пропорциональная за висимость между экспериментальными параметрами, которые регистрируются по ходу анализа, и количеством определяемого элемента.
Установим эту зависимость для наиболее простого случая — облучения моноизотопного элемента потоком моноэнергетических частиц. Пусть в этих условиях протекает ядерная реакция
24
А (а, b) В, которая характеризуется определенной величиной сечения активации. Конечный продукт этой реакции радиоакти вен и имеет постоянную распада л. Тогда скорость накопления ■ядер радиоизотопа будет определяться двумя процессами: скоростью образования в результате ядерных взаимодействий и скоростью исчезновения при радиоактивном распаде:
~ ~ г —■Фсйш-Да— WVb- |
(2.16) |
arj |
|
Количество атомов радиоизотопа В, накопившихся за опре деленное время облучения К>бл, можно получить интегрирова нием уравнения (2.16). Проведем интегрирование в предполо жении, что величины Ф, ааКт и NA сохраняют постоянное значе ние в процессе облучения. Это означает, что плотность потока активирующего излучения постоянна во времени и в любой точке объема пробы, что в ходе облучения не происходит изме нения энергии активирующего излучения и не наблюдается уменьшения числа ядер облучаемого изотопа. При таких усло виях интегрирование уравнения (2.16) приводит к выражению
М в = 1<1><Т'5.ктЛ а (1 — |
е“ х/обл). |
(2.17) |
После облучения производится |
измерение числа |
распадов |
за определенный промежуток времени f,I3M что дает зависимость
Nd = — ^2- А (1 — е~м°бл) (] — е~иизм) |
(2.18) |
Если отношение ^изм/Т^/г мало, т. е. число атомов радиоизо топа за время измерения уменьшается в незначительной степени,
до имеем (1—е~и *зы) ~ М тм, и уравнение (2.18) приобретает вид
- fk - = Ad, |
(2.19) |
*ИЗМ |
|
где Ad — скорость распада или активность радиоизотопа. Нетрудно видеть, что при длительности облучения, значи
тельно превышающей период полураспада |
радиоизотопа |
(^обл^^/г). из соотношений (2.18) и (2.19) получаем |
|
Аоа = ФаактД^А, |
(2.20) |
где Лоо — активность насыщения.
Выражение (2.20) совпадает с ранее рассмотренным уравне нием (2.15) для интенсивности мгновенного излучения. Отсюда следует, что только при достижении насыщения активность радиоизотопа и интенсивность мгновенного излучения при про чих равных условиях совпадают. Это значит, что необходимые результаты быстрее можно получить путем измерения мгновен ного излучения, чем в случае предварительного облучения до
насыщения и последующего измерения задержанного излучения. К сожалению, при практическом осуществлении этого метода встречаются серьезные трудности, главным образом связанные с необходимостью регистрировать вторичное излучение в при сутствии много более интенсивного потока активирующего излу чения. Имеются и другие серьезные ограничения.
Уравнение (2.19) было выведено для моноизотопного эле мента; если элемент многоизотопный, уравнение принимает вид
A d — Фаакт0А^эл (l — е~и °бл), |
(2.21) |
|||
где N3J1— исходное число |
атомов |
элемента; 0 — доля |
активи |
|
рующего изотопа в естественной смеси изотопов. |
элемента |
|||
Переходя к выражению |
количества |
облучаемого |
||
в граммах, получаем |
|
|
|
|
Ad = -6’02.:. ~ |
к т В |
( j _ |
е-«обЛ)1 |
(2.22) |
где тх — весовое количество элемента; М — атомный вес эле мента.
Уравнение (2.22) дает активность радиоизотопа в момент окончания облучения. Если измерение активности производится через некоторый промежуток времени tv3cn, то необходимо учесть распад радиоизотопа:
Adt = - 6’02 ' Ю^ФСТактО ( J _ е- Мобл) e~Wpacn_ |
(2.23) |
Уравнение (2.23) представляет собой наиболее простую форму уравнения активации, которое справедливо при соблю дении принятых выше условий. Однако на практике эти условия редко выполняются в полной мере. В соответствии с ограниче ниями, вводимыми условиями эксперимента, видоизменяется форма уравнения активации и приобретают несколько иной физический смысл некоторые входящие >в него параметры. Ряд таких частных форм уравнений активации, действительных для специфичных условий облучения, будет рассмотрен по ходу даль нейшего изложения.
Из приведенных выше соотношений следует, что по существу активационный анализ — метод изотопного анализа, так как в результате ядерной реакции на определенном изотопе элемента возникает радиоизотоп с характеристической схемой распада. Активность этого радиоизотопа пропорциональна содержанию изотопа, из которого он образуется. Поэтому рассчитать коли чество элемента по уравнению активации можно только в том случае, если известен изотопный состав элемента.
Как показали тщательные исследования, изотопный состав почти всех элементов периодической системы постоянен в по давляющем числе естественных объектов. Однако в некоторых случаях процессы радиоактивного распада, изотопные и другие
26
эффекты в природных условиях приводят к определенным ва риациям изотопного состава.
В настоящее время производство обогащенных изотопов по лучило широкое развитие. Наблюдались случаи, когда отходы от производства обогащенных изотопов поступали в продажу без отметки об измененном изотопном составе [38]. Все пере численные факты заставляют тщательно анализировать проб лему постоянства изотопного состава исследуемого вещества и реактивов, используемых для приготовления эталонов, при практических применениях активационного анализа. С другой стороны, эта особенность активационного анализа находит при менение для определения изотопного состава элементов.
Поскольку многие элементы состоят из нескольких стабиль ных изотопов, при их облучении возникают различные продукты ядерных реакций. Если учесть, что взаимодействие с каждым изотопом, в свою очередь, может протекать по нескольким кана лам, то при облучении одного многоизотопного элемента часто возникает несколько различных радиоактивных продуктов. При этом в зависимости от типа и энергии активирующего излуче ния возможно образование радиоизотопов как исходного эле мента, так и соседних. Сложность протекающих процессов, с одной стороны, затрудняет проведение анализов, а с другой — предоставляет больше возможностей для подбора наиболее под ходящих условий анализа.
Как правило, идентификация и количественное определение ведутся путем измерения активности радиоизотопа, который в данных условиях анализа обеспечивает наибольшие избира тельность, чувствительность и точность анализа. В дальнейшем для краткости этот радиоизотоп будет называться аналитиче ским. При этом следует помнить об относительности такого обозначения, так как в других условиях анализа может ока заться, что в качестве аналитического лучше использовать дру гой радиоизотоп, получающийся из исследуемого элемента.
Практический интерес может представить вид уравнения активации для переменной во времени плотности потока акти вирующего излучения, что соответствует случаю облучения про бы с помощью источника, излучение которого нестабильно во времени. С учетом того факта, что плотность потока является функцией времени Ф(^), решение дифференциального уравне ния (2.16) в общем виде дает следующее выражение для наве денной активности на конец облучения:
^обл |
|
|
Ad = Nko h r u*» f |
Ф(0 eudt. |
(2.24) |
6 |
|
|
Как следует из уравнения (2.24), величина Ad может быть рассчитана, если известен закон изменения плотности потока излучения во времени. Частный случай, когда излучение источ
27
ника испытывает гармонические колебания около среднего зна чения, разобран в работе [39].
Возможна и другая ситуация, когда по условиям работы источника активирующего излучения облучение пробы имеет прерывистый характер, т. е. режим активации состоит из после довательной цепочки периодов облучения и распада. Если при этом соблюдается постоянство длительности отдельных облуче ний и интервалов между ними, то уравнение активации имеет вид [40]
|
A dn = |
(1 |
—М.обл ) |
0 |
- е ^ О о б л ^ р а с п ) ) |
|
Л'аФо |
1_ е |
|
(2.25) |
|
|
|
|
Ч^обл“^расп) |
||
где |
Adn — активность радиоизотопа |
в конце п циклов облуче |
|||
ния; |
Na — число |
атомов |
активирующегося изотопа. Приведен |
||
ные в работе [40] таблицы позволяют ускорить расчеты актив ности. В определенных условиях уравнение (2.25) переходит в более простые выражения, что облегчает расчет наведенной активности.
Глава
3
МЕТОДИКА АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА
§ 1. Измерение ионизирующих излучений
Регистрация излучений, испускаемых в ядерных процессах, или при радиоактивном распаде, дает необходимые сведения для количественных расчетов, а часто и для идентификации' определяемого элемента. Обстоятельное изложение вопроса можно найти в книгах [41—43], поэтому отметим только неко торые моменты, представляющие особый интерес для актива ционных определений.
Наиболее важные и широко используемые методы регист рации /основаны на преобразовании энергии регистрируемой частицы (кванта) в электрический импульс, который затем обрабатывается и фиксируется специальными электронными устройствами. В качестве преобразователей выступают различу ного типа детекторы излучений,j действие которых основано на процессах ионизации или возбуждения атомов (молекул) веще ства при прохождении через него заряженных частиц. При этом у-кванты и нейтроны регистрируются через ионизирующее дейст вие вторичных частиц, возникающих при их взаимодействии
свеществом.
ГГазонаполненные детекторЫ гЭ то обширный класс детекторов,
характеристики которых зависят от конструкции, состава и дав ления наполняющего газа и напряжения на рабочих электродах. При движении заряженной частицы в рабочем объеме детектора происходит ионизация атомов (молекул) газа. Под действием приложенного напряжения образовавшиеся электроны и поло жительные ионы собираются на соответствующих электродах,, давая импульс напряжения (при работе в импульсном режиме). Амплитуда импульса может быть пропорциональна энергии первичной частицы (пропорциональный счетчик) или практи чески не зависеть от первичной ионизации (счетчик Гейгера—
Мюллера).
Газонаполненные детекторы преимущественно применяются для регистрации а- и |3-частиц. Если в состав рабочего газа детектора ввести газообразный BF3, то он становится чувстви
тельным к тепловым нейтронам. |
. , |
Сцинтилляционныё' детекторй/ |
них происходит возбужде |
ние и ионизация атомов (молекул) |
сцинтиллятора под воздейст |
29)