книги из ГПНТБ / Мусакин, А. П. Методы контроля радиохимических производств

- 28 -

I . Определение радиоактивного ооотава

Под радиоактивным составом вещества можно понимать три

вида состава: а) удельную активность вещеотва, б) радиоак­ тивный (радиоизотопный) состав, в) радиохимический состав.

Удельная активность вещества может быть выражена в различных единицах: мкюри/г (Z)g), мкюри/мл (2у ) ,

МКЮРИ/ММОЛЬ ( ) .

I мкюри вещества соответствует 3,7.10^ распадов/сек или 2,2.10® распадов/мин.

Вес радиоактивного изотопа (без изотопного носителя), соответствующий I мкюри (как уже указывалось, стр.12 )>ра­ вен 7,7.Ю9 A.Tj/g мг ( # ) , где А - атомный вес, T-jy2 - период полураспада в днях. Например, этот вес равен для

S r 9 0 (Tj/2 = 28 лет) 0,007 мг, для Р и 2 3 9 ( Т 1 / 2 = 24400 лет) - 16 мг, а для U2 3 8 ( T I / / 2 = 4.5.I09 лет) - 3000 г.

Процентное содержание радиоактивного изотопа в вещест­ ве вычисляется по формуле

=Q • 9 • iooo •

Активность (мкюри) определяется по скорости очета

На коэффициент счетности влияют многие факторы: гео­ метрия, эффективность счетчика, поглощение излучения в слое воздуха и в окне счетчика, самопоглощение излучения

в собственном слое исследуемого вещества, рассеяние из­ лучения веществом и подложкой. Все эти факторы учесть

трудно. 4-Я -счетчик позволяет получить почти 100#-нуга эффективность счета распадов (П. = I ) .

Обычно измеряют не абсолютную, а относительную актив­

ность вещества, а для определения абсолютной активности

проводят сравнение скорости счета, измеренной для иссле­

дуемого вещества, со скоростью счета пробы известной ак-

- 29 -

тивности.

Для учета влияния оамопоглощения радиоактивного излуче­ ния в веществе при относительных измерениях применяют два метода: измерение в "тонком" слое и измерение в "толстом"

на самопоглощение составляет около 0,05 мг/ом2 (т.е.прак­

тически отсутствует).

В толстом слое скорость счета пропорциональна удельной активности пробы: J = к.™- = к'. Ъы.

При сравнении в тонком слое rJ{ : Ji = Aj : А2 ; При сравнении в толстом олое J, : Зх = 2>< : 2)2 .

Под радиоактивным (радиоизотопным) составом понимается, относительная активность (%) радиоактивного изотопа, от

общей активности вещества. Частным случаем такого состава

является радиоизотопная чистота данного изотопа.

Для определения радиоизотопного состава вещества произ­

- 30 -

растворе) весьма малы, необходимо перед разделением до­ бавлять "носители" выделяемых изотопов й "антиносители" изотопов, оставляемых в растворе.

Для разделения элементов (изотопов разных элементов) применяют методы осаждения, хроматографии, экстракции и т.п.

Часто определяют радиоиэотопный состав фиэичеоюши ме­ тодами безразделения изотопов. При этом используют раз­ личие вида излучения ( <3 , р , Ц ) , его знака, периода полураспада и энергии излучения. В частности применяют сцинтилляционный гамма-спектрометр.

На кристалле люминофоре (НаJ или GsJ , активированные таллием)гамма-квант преобразуется в импульс светового фо­ тона (световой вспышки). Интенсивность вспышки пропорцио­ нальна энергии гамма-кванта (в некотором диапазоне). В фотоумножителе световая вспышка преобразуется в импульо напряжения. После усиления амплитудный анализатор выделя­ ет импульсы определенной энергии (отсекает импульсы как большей, так и меньшей энергии). Изменяя на анализаторе выделяемые энергии гамма-квантов, получают кривую (имп/мин)/4Лэв. Число пиков на кривсЗ связано со спектром излучения смеси; площади пиков пропорциональны количеству радиоактивного изотопа.

Гамма-спектрометры АИ-100, АИ-256, АИ-2048 (по числу каналов) позволяют получать гамма-спектр автоматически (с автоматической-цифровой записью результатов измерений). В гамма-анализаторе величина импульса преобразуется в

пропорциональное число равных импульсов и передается в запоминающее устройство.

Радиохимический состав показывает относительное содер-

гание определенной формы данного изотопа к общему содер­ жанию данного изотопа в веществе. Например, определяется содержание С^4 н6 а с£4 Н5 СН3 в Смеск по относительной ак­

тивности того к другого соединения. Для такого анализа проводят разделение сеедшюяий и измерение активности

- 31 -

фракций, например применяют метод газожидкоотыой хрома­ тографии или хроматографии на бумаге.

2,, Определение химического ооотава

Определение химического оостава нерадиоактивных ве­ ществ с помощью их радиоактивных свойств проводитоя раз­ ными методами.

а. Метод меченых атомов основан на введении в анали­ зируемое (нерадиоактивное) вещество небольшого количества радиоактивного вещеотва ("меченых атомов") и измерения

доли активности, переходящей в ту или иную фракцию при разделении компонентов анализируемого вещества. Это по­ зволяет контролировать отепень разделения веществ при анализе.

В случае, когда полное (100$) выделение ооотавной час­ ти в чистом (100%) виде невозможно или очень трудно, при­ меняют меченые атомы в варианте "изотопного разведения". Например, практически невозможно полное количественное разделение циркония и гафния. В этом случае добавляют из­

б). Активац1^ны1^_8нализ [13] позволяет определять содержание примесей 10"^ - 10~^®%. Метод оонован на акти­ вации вещеотва ядерным излучением (обычно нейтронами) и затем измерении активности образовавшегося радиоактивного

изотопа данного элемента. В этом случае чувствительность связана с рядом факторов:

З 9 = к . к ' б - Р - Л . ( 1 - е - и ' ) . е - и г ,

где Э<$ - удельная активность изотопа (мкюри/г); 6 - сечение активации изотопа (см^/атом);,

-32 -

р- содержание изотопа в вешеотве { % ) ;

3- поток ядерных частиц (частиц/ом2), с учетом доли активных частиц:

t ( -.время облучения;

- время оотывания (время после прекращения облучения)

йтл2^

К —2_'_iii__.__„_ ( IM - ат.вео изотопа); ЗЛО 9 • М

в) энергии гамма-излучения Мп и Мд равна 0,8 Мэв, другие изотопы не имеют гамма-излучения данной энергии,

С1щнтш1ляционные (или полупроводниковые) спектрометры позволяют определять активность одного изотопа в присутст­ вии других.

Примеры.

I ) Чаще для вктиЕационного анализа используют нейтроны. Источником нейтронов могут служить простые изотопные ис­ точники (КаВе, Ss^Be и т.п.), ядерный реактор, линейный генератор или специальный нейтронный генератор для активационного анализа "Размножитель"*'.

Активадионный анализ на нейтронах обладает высокой чувствительностью и позволяет определять разнообразные элементы, например:

а) определение примесей в полупроводниковых веществах (кис лород и другие); б) определение вольфрама и алюминия в ми­ нералах (для A I 2 8 T j / 2 = 2 мин); в) определениеU235 в ур

х/ Нейтроны в линейном генераторе генерируются ядерными реакциями: H3(d,n)He" или Н (d,a)He. В размножителе нейт­ роны возникают при делении UliS , но количество последне­ го подкритично и деление возбуждается дополнительным Ри- -Ве-источником; интенсивность нейтронов в размножителе Ю 7 ^ /сек.см1.

- 33 -

новых продуктах о точностью 3 - Ь%„ 2) На дейтонах определяют углерод в стали по реакции

Приборы, используемые в данном методе, состоят из ис­ точника бета-излучения, диафрагмы, алюминиевого фильтра и

торцового счетчика.

: х/ Атомная техника за рубежом, 1970, К I I , стр.30.

- 34 -

14 Мзтод. поглощения радиоактивного излучения позволя­

ет, например, определять водород в органичеоких соедине­ ниях. Для бета-излучения

где А - атомный вес элемента, d- - олой/ мг/ом^

Дня большиетва элементов 2 /А = 0,5 и только для во­

дорода 2/А = I .

Ряд элементов определяется по поглощению медленных

нейтронов. Например, для лития 6" = 70 барн и это позво­

ляет экспрессным методом определять его содержание в ве­

ществе. Прибор состоит из Ро-Ве источника нейтронов, за­ медлителя нейтронов, кадмиевой диафрагмы, пропорциональ­

ного очетчика, заполненного BF3 (с обогащенным В), или

спднтилляционного счетчика, усилителя, дискриминатора и переочетного устройства.

По отепени замедления нейтронов атомами водорода можно определять влажность веществ (чувствительность до 0,05/2).

Прибор соотоит из источника быстрых нейтронов и детекто­

ра тепловых нейтронов.

Ряд определений основан на измерении степени поглоще­ ния бета-излучения веществом: определение овинца в пульпе,

серы в нефтепродуктах ( 0 - 2 вео.%), зольности углей (с

автоматической сортировкой угля), плотности веществ ("плотномер").

д_, Возбуждение вторичных излучений определенной энер­ гии с применением различных источников излучения и диф­

ференциальных фильтров позволяет определять отдельные элементы в веществе (этот метод удобнее, чем рентгеновс­

кий метод анализа). В качестве источников излучения ис­

пользуют Т и 1 7 0 ( V ) , Ре 5 9 (к), С з 1 3 1 (к), S r 9 Q ( ( 3 ) ; для1

регистрации излучения применяют пропорциональные или

оцинтилляционные очетчики.

е. В спектрометре Меообауера используют ядерный гамма- -резонанс излучения определенной энергии в исследуемом

- 35 ~

веществес Это позволяет определять многие элементы, на­ пример, олово в рудах, примесные центры в криоталлах; кро­ ме того, определяется структура вещества, комплексные сое­ динения, плотность электронов вблизи ядра, валентность элементов (инертных газов), адсорбция и другие характерис­ тики веществ.

Применяют различные источники излучения, например,

S\\ о энергией гамма-излучения 24 кэв позволяет опреде­ лять в веществе обычное олово (резонансная пара), Со^

ж. Многие анализы могут быть осуществлены с использова­ нием Ma^c-cnejKTj)OMeTpa, состоящего из оледующих узлов:

-ионный источник - исследуемое вещество превращается (дей­ ствием электронов или нагреванием) в положительные ионы, т.е.происходит "формирование ионного пучка";

-анализирующая система - ионный пучек вещества разделя­

ется на несколько различных по значению М/2 (отношение массы к заряду иона); это осуществляется в однородном маг­ нитном поле (разделение в пространстве) или с помощью устройства для разделения во времени;

-приемник ионов;

-система регистрации,

Вприемнике ионов и системе регистрации измеряется от­ носительная интенсивность компонентов ионного пучка.

Разрешающая способность прибора М/дМ соседних линий и диапазон измерений зависит от прибора:

MX 1304 - диапазон масс I - 150, разрешающая способ­ ность 150, чувствительность К Г 4 ;

MX 1201 - диапазон 12 - 100, разрешающая способность 45, чувствительность Ю - 2 .

.В масс-спектрометре регистрируется одновременно не бо­ лее двух линий, в масс-спектрографе - одновременно весь спектр.

Чувствительность определения, например по урану, осе-

- 37 -

.П. АНАЛИЗ СЛОЖНЫХ ВЕЩЕСТВ РАДИОЗЦцаИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 13 - 5, 9]

I . ВЫБОР МЕТОДА АНАЛИЗА

Вещеотва радиохимических производств, как уже указыва­

лось, содержат обычно большое число элементов с разнооб­

разными свойствами и при значительной разности их концент­ раций.

При выборе метода определения того или.иного элемента в сложном веществе надо учитывать следующие факторы, свя­

занные с характеристикой анализируемого вещества и с осо­

бенностями методов определения;

-^наяизи^е^ое_веще_ство: а) состав,

б) содержание определяемого компонента, в) количество анализируемого вещества,

г) овойотво определяемого элемента и свойства других элементов;

-р^о^ешости_метода:

а) чувствительность определения, б) точность метода, в) специфичность метода,

г) сложность определения.

Например, примеси определяют иначе, чем основное ве­

щество; на определение данного элемента влияют другие, присутствующие в вещеотве; более точные метода сложнее, менее точных; при малом количестве вещества или при вы­ сокой удельной активности применяют минрометоды. Универ­ сальных методов определения того или иного элемента не может быть.

Характеристика чувствительности и точности методов

приведена в табл.1.

В табл.1 точность анализа приведена для средней кон­ центрации определяемого элементе; при меньших концентра­ циях точность определения меньше