ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 121
Скачиваний: 0
иые результаты этих исследований во многом типичны и со храняют свое значение для других случаев применения актива ционного анализа на быстрых нейтронах.
Определение кислорода проводится по реакции 160(и, p )16N (£пор = 9,6 Мэе). Радиоизотоп 16N (7"1/2 = 7,4 сек) имеет очень жесткое у-излучение (6,1 и 7,1 Мэе). Ввиду особой специфично сти схемы распада 16N другие радиоизотопы, образующиеся при облучении быстрыми нейтронами большинства элементов пе
риодической системы, практически не мешают определению кислорода.
К неблагоприятным характеристикам нейтронных генерато ров, которые несколько затрудняют проведение аналитических определений с их помощью, относятся следующие: 1) высокий градиент потока нейтронов во всех направлениях; 2) неста бильность потока нейтронов от одного облучения к другому и даже в ходе одного облучения; 3) умеренная плотность потока быстрых нейтронов. В силу действия последнего фактора для достижения достаточно высокой концентрационной чувствитель ности (около 10_3% и менее) приходится облучать пробы боль шой массы (до 100 г). Такие пробы имеют значительные разме ры и вследствие градиента потока активируются неравномерно. Отмеченные особенности нейтронного генератора как источника нейтронов предъявляют особые требования к воспроизводимости геометрических условий при облучении и измерении, а также надежности методов контроля за интенсивностью нейтронного потока.
В рассматриваемом случае важный фактор представляет ко роткий период полураспада 16N, который приводит к необходи мости использовать короткие интервалы времени на всех ста диях анализа. Поэтому успешное выполнение аналитических определений оказывается возможным только с помощью авто матизированной системы с быстрой пневмопочтой и управляю щим устройством, которое точно выдерживает временной режим анализа.
Предложены два основных типа систем: одноканальные, поз воляющие транспортировку только пробы (эталона), и двухка нальные, которые приспособлены к одновременному облуче нию и транспортировке пробы и эталона (монитора). Посколь ку в применении каждой из этих систем имеется своя специ фика, они будут рассмотрены раздельно.
В одноканальной системе облучение пробы и эталона неиз бежно должно производиться в разных опытах. Поэтому для контроля за интенсивностью потока нейтронов прибегают к раз личным методам мониторирования. Возможны следующие вари анты: измерение активности кислородсодержащего препарата, расположенного неподвижно вблизи мишени нейтронного гене ратора; применение органических сцинтилляторов для регистра-
10 Р. А: Кузнецов |
2 9 3 |
ции быстрых нейтронов по протонам отдачи; использование счетчика тепловых нейтронов с замедлителем; измерение актив ности воды, охлаждающей мишень [338].
При потоке нейтронов, постоянном в течение облучения, пер вые три метода дают совпадающие результаты, а последний, если не приняты специальные меры для стабилизации скорости течения воды, значительно увеличивает разброс результатов. Методы простого суммирования числа отсчетов оказываются не удовлетворительными из-за нарушения пропорциональности между измеренной дозой нейтронов и наведенной активностью 16N. В случае переменной интенсивности нейтронного потока для регистрации импульсов от счетчика нейтронов необходимо использовать интегрирующую цепочку с постоянной времени, равной среднему времени жизни радиоизотопа 16N (10,6 сек) [339].
Правильно отработанная методика мониторирования дает возможность получить простыми средствами удовлетворитель ную точность; как правило, относительная погрешность при этом лежит в пределах 5—10% при анализах самых разнооб разных проб. Повышение точности определений, когда статисти ческая погрешность измерения активности мала, возможно только при более тщательной отработке методики контроля за условиями анализа. Как показано Андерсом и Бриденом [339], а также Моттом и Оранджем [340], основную ответственность за рассеяние результатов несут следующие факторы: 1) недо статочно четкая воспроизводимость положения пробы при облу чении и измерении; 2) неоднородность проб; 3) локальные ко лебания потока нейтронов. Последний фактор обусловлен не стабильностью работы ионного источника, неравномерностью распределения и «выгорания» трития по площади мишени, сме щениями пучка ионов и другими причинами.
Вращение пробы при облучении и измерении, а также тща тельная упаковка проб перед облучением уменьшают действие отмеченных факторов, в результате чего получена относитель ная погрешность около 2,0% [339]. При анализе небольших проб (0,8— 1 г) хорошая точность была достигнута при исполь зовании в качестве монитора воды, охлаждающей мишень. Ско рость пропускания воды стабилизирована с погрешностью 0,5%
[341].
Удовлетворительные результаты при сравнительно простои методике дает метод внутреннего монитора. Так, при опреде лении кислорода в магнии, нержавеющей стали и титане ме тодом внутреннего монитора была получена относительная по грешность, равная 3—5% [342]. Основной источник рассеяния результатов — большое различие в периодах полураспада мо нитора и изотопа 16N.
Достаточно точные результаты можно получить и методом внешнего монитора, если последний тесно связан с условиями
облучения пробы. Так, Картуннен и Гарднер [343] как мони тор использовали муфту из кислородсодержащего вещества (плексиглас), которая надевается на полиэтиленовую ампулу с пробой. Длина муфты достаточна, чтобы полностью пере крыть пробу. В ходе облучения проба вращается, что позволяет облучать пробу и монитор в хорошо усредненном потоке нейт ронов. После облучения муфта вручную снимается с ампулы и они одновременно измеряются на двух сцинтилляционных спект рометрах с вращающимися держателями. По этой методике точ ная фиксация интервалов времени не требуется. Получена от носительная погрешность порядка 1%.
И. П. Лисовский и Л. А. Смахтин [344] для мониторирования использовали активацию ампулы из нержавеющей стали, в которой облучается проба. Мониторирование основано на ре
акции 56Fe(«, р )56Мп. Получены результаты, аналогичные пред шествующим.
Заметно повысить точность определений позволяет метод многократных облучений. Применение для анализа одной про
бы |
нескольких |
циклов |
облучение — измерение (обычно от 4 до |
10 |
циклов) не |
только |
уменьшает статистическую погрешность |
измерения активности leN, но и приводит к усреднению резуль тата за счет случайных изменений положения пробы при облу чении и измерении от цикла к циклу [345, 346].
Повышение точности результатов возможно также с приме нением двухканальной системы. Для анализа кислорода пред ложено два основных типа таких систем: без вращения и с вращением проб. Последние наиболее сложны по устройству. Наличие двух транспортирующих каналов позволяет проводить одновременное облучение, а затем транспортировку и измере
ние пробы и эталона (монитора). |
|
|
и |
В системах без вращения одновременно облучаются проба |
|
кислородсодержащий монитор. Проба располагается ближе |
||
к |
мишени нейтронного генератора, а |
монитор — непосредствен |
но |
за ней. Обычно проба и монитор |
имеют дискообразную |
форму. В такой системе исключаются погрешности за счет об щей нестабильности потока нейтронов в течение облучения и частично в объеме зоны облучения. По данным работы [346]
относительная погрешность, получаемая с такими системами, составляет около 2%.
Практически полностью исключить все источники случайных погрешностей, кроме статистической погрешности в измерении: активности, удалось с помощью двухканальных вращающихся систем. Эти системы позволяют одновременно облучать пробы к эталон в хорошо усредненном потоке нейтронов. Так, авторами работы [340] этим методом при измерениях пробы и эталона на сцинтилляционных спектрометрах, имеющих кристаллы Nal(Tl) с колодцем, и при использовании идентичных проб и эталонов и некоторой дефокусировки пучка ионов нейтронного
Ю* 295.
генератора была получена относительная погрешность порядка 0,33%. Полученная точность почти полностью определяется ста тистической погрешностью в измерении активности 16N.
Сечения взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами ато мов имеют много меньшие величины, чем в случае тепловых нейтронов. Поэтому эффект ослабления потока быстрых нейтро нов веществом пробы обычно не оказывает заметного влияния на получаемые результаты. Однако поскольку для достижения высокой концентрационной чувствительности приходится при бегать, к достаточно большим пробам, возникает опасение, что этот факт начнет оказывать влияние на конечные резуль таты.
Ослабление потока быстрых нейтронов обусловлено тремя процессами: поглощением, упругим и неупругим рассеянием. Первые два процесса выводят нейтроны из пучка, а в резуль тате неупругого рассеяния нейтрон теряет значительную долю первоначальной энергии и уже не может вызвать аналитиче скую ядерную реакцию.
Наиболее простой способ ограничения влияния эффекта эк ранирования на результаты определений состоит в использова нии эталонов того же состава, массы и формы, что и анализи руемые пробы. Однако этот способ не всегда оказывается воз можным, и часто в качестве эталонов находят применение раз личные вещества, в которых содержание кислорода хорошо из вестно. Обычно это соединения с точно определенным стехио метрическим составом. Например, как материал для изготовле ния эталонов широко используются различные органические соединения: полиметилметакрилат [344, 345, 347], смесь стеа риновой кислоты с парафином [348] и т. д. Эталонам придают такую же форму и размеры, что и у анализируемых проб. Это позволяет избежать поправки на градиент потока нейтронов, которая может быть весьма существенной.
Проведенные оценки показывают, что при анализе веществ с малой плотностью различием в степени ослабления потока нейтронов и у-излучения радиоизотопа 16N веществом пробы можно пренебречь. Однако при определении кислорода в ме таллах с высокой плотностью, особенно в случае больших на весок, требуется введение соответствующих поправок.
Расчетный способ оценки поправки на ослабление потока быстрых нейтронов предложен в работах [349, 350]. Отмечен ные особенности методики анализа делают расчетные способы очень сложными, поэтому приходится прибегать к некоторым упрощениям и помощи вычислительных машин. Результаты оценок коэффициентов экранирования быстрых нейтронов и самопоглощения у-излучения радиоизотопа 16N показаны в
табл. 24.
Из приведенных данных видно, что величина /г, даже при довольно больших пробах мало отличается от единицы и слабо
296
зависит от порядкового номера элемента-матрицы. Ослабление у-излучения веществом пробы оказывается более значительным. Для корректного введения поправки на последний эффект пред ложены методы расчета [349, 350].
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 24 |
|
Коэффициенты /g и / |
для проб разного состава |
|||
Материал |
>б |
h |
Материал |
>й |
h |
пробы |
пробы |
||||
Железо* |
0 ,9 2 6 |
0 ,8 8 5 |
Вольфрам* |
0 ,9 1 8 |
0 ,6 2 9 |
Медь* |
0 ,9 3 4 |
0 ,8 6 9 |
Алюминий** |
0 ,9 5 |
— |
Молибден* |
0 ,9 4 3 |
0 ,8 2 6 |
Плексиглас** |
0 ,9 3 |
— |
*Толщина пробы 1 см.
**Толщина пробы 0,5 см.
Для кислорода возможны помехи со стороны отдельных эле
ментов. Основная |
интерферирующая реакция — 19F(n, cc)1BN. |
Экспериментально |
определенный коэффициент интерференции |
при энергии нейтронов 14 Мэе равен 0,42 [351]. Для определе ния поправки на фтор можно использовать другие ядерные ре акции. Однако во многих объектах, представляющих особый практический интерес, содержание фтора ничтожно, и поэтому
помехи с |
его |
стороны |
отсутствуют. |
Влияние |
реакции |
пВ(п, р )иВе, |
которая дает радиоизотоп |
n Be (Т |
=13,5 сек) |
||
с жестким |
у-излучением |
(£ v =6,81 и 7,99 |
Мэе), много слабее. |
||
При определении низких содержаний кислорода |
(<10_3%) |
||||
необходимо |
учитывать наличие на поверхности проб |
окисного |
|||
слоя, толщина которого зависит от природы материала и спо соба подготовки его к анализу [349]. Так, поверхностный слой пробы стали или алюминия может содержать соответственно до 5 и 2,5 мкг/см2 кислорода.
Проблема поверхностных загрязнений тесно связана со спо
собом подготовки пробы к облучению. |
Здесь возможны |
два |
||
варианта: облучение в упаковке |
из |
подходящего |
материала |
|
или без упаковки. В последнем |
случае |
поверхность |
легко |
мо |
жет быть загрязнена при хранении, транспортировке и других промежуточных операциях. Нельзя также полностью исключить возможность помех со стороны процесса окисления поверхности пробы или адсорбции влаги.
Упаковка в герметичную капсулу предохраняет пробу от возможных внешних загрязнений, позволяет упаковывать в инертной атмосфере, допускает анализ порошкообразных ве ществ н т. д. Однако материал упаковки должен удовлетворять ряду требований: 1) практически не содержать примеси кисло-
297