книги из ГПНТБ / Ядернофизические методы анализа и контроля технологических процессов [сборник статей]

Эти особенности нейтронного генератора приводят к затрудне­ ниям при анализе вещественного состава по долгоживущим ак­ тивностям, так как длительное облучение не всегда экономически выгодно. Поэтому и анализ на быстрых нейтронах, как правило, отличается своей экспрессностью и дешевизной.

Быстрая доставка образцов на облучение и измерение, а также автоматизация процесса анализа осуществляется пневмотранспор­ тирующими устройствами и автоматическими системами, управ­ ляющими работой установки [2—5]. Для достижения высокой точ­ ности анализа на соответствующие устройства накладываются определенные требования: высокая скорость транспортировки, воз­ можность контроля положения образца, воспроизводимость уста­

бильность электрического оборудования, обеспечивающего фокуси­ ровку пучка дейтронов и ускорение их.

Кроме того, ввиду незначительного эффекта самоэкранирования потока быстрых нейтронов и с целью увеличения чувствительности для анализа часто используются пространственно-протяженные образцы больших навесок. Это приводит к неравномерному облу­ чению их по всему объему (рис. 1, /). Возможное решение ука­ занной проблемы заключается в использовании цикличного облу­ чения. При этом не только увеличивается статистический отсчет от цикла к циклу, но и, как видно из рис. 1, II, вследствие вращения образца при многократном прохождении его в канале пневмопоч­ ты «сглаживается» неравномерность облучения по объему. Дру­

ствующие системы увеличивают расстояние между образцом и мишенью генератора, уменьшая полезный поток нейтронов, а сле­ довательно, ухудшая чувствительность и точность анализа. Поэто­ му в ряде случаев целесообразнее применять цикличное облучение без вращения.

' В связи с пространственной анизотропией нейтронного потока возникает необходимость измерения числа нейтронов, прошедших через образец за время его облучения, т. е. мониторирования по­

61

тока. Этот вопрос исследовался многими авторами, в частности, при определении содержания кислорода в различных материалах [1, 6—8]. Мы измеряли поток несколькими способами: а) по счету р-частиц из кислородсодержащего радиатора, расположенного вблизи мишени; б) по интегральному счету сопутствующих «-час­ тиц (или нейтронов ВРз-счетчиком) с использованием RC-диффе- ренцирующей цепочки и интенсиметра с постоянной времени т = = 1 /Л= 10,6 сек.; в) по измерению активности кислородсодержащего «монитора», который облучался и измерялся одновременно с об­ разцом в дополнительном канале пневмопочты. Полученные ре­ зультаты показывают, что последний более точно отражает все флуктуации и изменения нейтронного потока.

В случае анализа по короткоживущим изотопам необходимо рассмотреть вопросы, связанные с выбором оптимальных условий облучения и измерения. Следует учитывать, что сечение актива­ ции носит вероятностный характер, т. е. так же, как и измерение, облучение является источником определенного разброса значений измеряемой величины. Когда точность или воспроизводимость ана­ лиза рассчитывается на основании экспериментальных данных, бобл неявно входит в то значение б, которое получается при срав­ нении нескольких параллельных результатов. При планировании эксперимента значение 60бл должно быть введено отдельно, и ошибка анализа будет складываться из ошибки облучения бобл и ошибки измерения бизм-'

При цикличном облучении суммарная ошибка зависит от ошибки каждого цикла и для расчетов следует брать среднюю

ошибку за п циклов

П

для нахождения которой можно воспользоваться выражением относительной ошибки определения малой активности А0 на фоне мешающих Аф , когда последние хорошо известны и по величине сравнимы с искомой [9]:

62

В частном случае, например, при определении кислорода с ис­ пользованием контейнера, когда основную помеху представляеткислород последнего, а ^13м = Абл,

где 6i — ошибка одноцикличного определения. Последнее выраже­ ние показывает, что с увеличением числа циклов ошибка определе­ ния уменьшается.

Еще одной особенностью активационного анализа с использо­ ванием генератора является тот факт, что при взаимодействии быстрых нейтронов с ядрами атомов превалируют пороговые реак­ ции типа (п ,р ), (л,а), {п,п'), (л,2л). В результате последней образуются нейтронодефицитные ядра, как правило, являющиеся позитроно-активными излучателями. Поэтому часто возникает не­ обходимость анализа смеси радиоактивных изотопов, отличающих­ ся только по периоду полураспада. Правильный выбор оптималь­ ных условий и в этом случае позволяет обеспечить достаточную' точность при высокой производительности анализа [10].

Активности, получаемые при облучении на нейтронном генера­ торе, как правило, невелики, и использование обычных сцинтилляционных спектрометров достаточно для решения многих задач. Однако, когда обычный инструментальный метод в его простейшем варианте непригоден, например, при определении примесей в сильноактивируемой основе или анализе многокомпонентных смесей, применение детекторов с высоким разрешением становится необ­ ходимым, так как радиохимическое выделение исследуемого изо­

оснащен быстрым пневмотранспортирующим устройством и систе­ мой автоматического управления для работы с короткоживущими

спектрометр с геометрией измерения, близкой к 4л, и спектрометр быстро-медленных совпадений. Вся анализирующая аппаратура, за исключением некоторых звеньев, собрана из унифицированных блоков, выпускаемых отечественной промышленностью, что даетвозможность решать разнообразные задачи аналитической прак­

приятия.

Основные ядернофизические данные изотопов и производствен­ но-экономические характеристики некоторых разработанных на генераторе НГ-200 методик приведены в таблице.

С точки зрения промышленного применения первое место зани­ мает методика определения содержания кислорода в различных образцах, использованная, в частности, для анализа промышлен-

63

наладить технологический процесс и улучшить контроль при про­ изводстве молибдена на комбинате. Была разработана автомати­ ческая установка, позволяющая получать данные о процентном содержании кислорода непосредственно на табло цифрового при­ бора [4].

Решались также вопросы, связанные с распределением кисло­ рода по объему образца при выращивании монокристаллов раз­

и.снижению стоимости анализов по сравнению с другими метода­ ми, применяемыми в настоящее время в аналитической практике производственных лабораторий. Одним из путей для достижения поставленной цели является одновременное определение несколь­

67

ких элементов за одно облучение. Примером может служить мето­ дика определения свинца, меди, цинка и железа в полиметалличес­ ких рудах [13].

Содержание свинца определяется по короткоживущему изоме­ ру*®7 т РЬ при цикличном облучении образца и измерении наведен­ ной активности спектрометром быстро-медленных совпадений {см. таблицу). Время облучения и измерения — 4—5 сек., выдерж­ ка 0,7 сек. Содержание меди и цинка может быть определено без дополнительного облучения измерением активности в области Е =0,511 Мэе дважды через промежуток времени Д£=30—40 мин.

между двумя последовательными измерениями. Содержание же­ леза и величина его вклада при определении меди определяется дополнительным измерением активности в области фотопика, соот­ ветствующего у-квантам с Е =8,43 Мэе. Высокая производитель­

ность методики (до 25 образцов за смену) выгодно отличает ее от используемых в настоящее время химических методов.

При анализе по долгоживущим радиоактивным изотопам (до нескольких дней) экономически выгодно одновременное облуче­ ние расположенных вокруг мишени нескольких образцов с после­ дующим определением целого комплекса элементов. Удобно также сочетать анализ одних образцов по короткоживущим изотопам с использованием пневмопочты и одновременное облучение других

.для последующего их анализа. В частности, определение Sn, Sb, As ш оловянных рудах при таком облучении и последующем изме­ рении активности одновременно в трех энергетических интервалах происходит в 5—6 раз быстрее по сравнению с химическим методом.

Обычно при определении какого-либо одного элемента возника­ ет необходимость учитывать мешающее влияние других. С другой стороны, знание концентраций последних может дать дополни­ тельные полезные сведения об анализируемом объекте. Соответст­ вующим образом должна строиться и методика анализа. Так, при определении содержания германия в углях по радиоактивному изо­

меру 75mGe основными мешающими элементами являются А1 и Si. Определение одновременно трех элементов позволяет получить сведения о содержании германия в углях и зольности их.

Анализ чистых материалов также возможен с использованием

•нейтронных генераторов. Несмотря на то, что методика определе­ ния алюминия, кремния и магния в очищенном молибдените за­ труднена вследствие сильной активации основы и не является высокопроизводительной и дешевой, она вполне может служить ■контролем для проверки результатов, полученных другими ме­ тодами.

Широкое применение нейтронные генераторы могут найти при анализе образцов металлургического производства, прежде всего при определении содержания кислорода в металлах. Анализ не­ которых сплавов вольфрама и иттрия с использованием ядерной

.68

Методика определения вольфрама, молибдена и цинка в спла­ вах на основе ниобия аналогична методике анализа полиметалли­ ческих руд. Содержание вольфрама определялось при цикличном облучении образцов и измерении величины наведенной активности

mZr в области Е 1 =0,48—0,62 Мэе дважды с последующим реше­ нием системы уравнений.

Новые возможности для более широкого применения нейтрон­ ного генератора открывает комбинированное облучение образцов в поле быстрых нейтронов и нейтронов, замедленных до тепловых

3%) определяется следующим образом. При облучении образца в потоке быстрых нейтронов определяется содержание Si, Fe и Cf, а облучение в поле тепловых нейтронов и измерение наведенной активности в соответствующем энергетическом интервале позво­ ляет с достаточной точностью судить о концентрации Мп в об­ разце. Учет активности изотопа 56Мп, получаемого в результате реакции 56Fe (п, р) на быстрых нейтронах, присутствующих в спектре, производится по измеренной активности эталона железа, облучаемого в тех же условиях, что и образец.

При облучении образцов полиметаллических руд в потоке быстрых нейтронов не представляется возможным определить со­ держание в них серебра из-за мешающего влияния активности изо­ топов 62Си и 63Zn (см. таблицу), так как в результате наиболее приемлемой для анализа реакций на серебре образуется позитроно­ активный изотоп 100Ag (£ =0,511 Мэе, Г1/2=24 мин.,а=520 мбарн)

[15, 16]. При облучении же образца в поле тепловых нейтронов

Довольно широкое применение активационный анализ на быст­ рых нейтронах может найти при исследовании биологических объ­ ектов, для определения кцелорода, азота, кремния, фосфора, желе­ за, марганца и ряда других, элементов в биологических тканях. ,с целью диагностики (и прогнозирования) 11екоторых заболевай ий, для анализа растительных срезов, почв и т. д, ,-,,,

Как показывает накопленный, опыт, рктивацйонный,; анализ,,,с использованием низковольтных ускорителен является, доетаторцо точным^,чувствительным] экспрессным., и, прожнюдительныл: ;мехрдом...Соответствующие методики в аналитической ,практике , науч­ но-исследовательских учреждений, обогатительных, металлурги­

ей

69

ческих и др. предприятий позволят значительно снизить затраты ща производство анализов и могут применяться для налаживания технологических процессов, повышения эффективности научных исследований.

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА НА ПАРАМЕТРЫ И ОПТИМАЛЬНОСТЬ у-АБСОРБЦИОННОГО

ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА

При у-абсорбционном анализе различных продуктов обычно ис­ ходят из постоянства плотности поглощающего слоя образца [1]. Однако при анализе сталей на вольфрам, например, гораздо удоб­ нее пользоваться постоянством линейной толщины просвечиваемо­ го слоя [2]. При этом массовая толщина слоя поглощения меняет­ ся в зависимости от плотности образца в связи с изменением кон­ центрации вольфрама (или другого резко отличающегося от ма>/ рицы элемента по поглощению у-излучения). Это изменение плот­ ности влияет на чувствительность и другие параметры у-абсорб- ционного элементного анализа. В работе выводятся формулы для оценки основных параметров и оптимальности условий анализа на

70

примере определения вольфрама в сталях. Тем не менее, получен­ ные результаты могут быть без особых изменений распространены в другие области у-абсорбционного элементного анализа.

Закон ослабления моноэнергетического пучка у-излучения ин­ тенсивностью / в образце толщиной х см с плотностью р можно представить в виде

где с1 т. — весовая доля и полный массовый коэффициент ослаб­

ления у-излучения вольфрама (г = 1) и матрицы (г = .2); х — эф­ фективный полный массовый коэффициент ослабления.

Поскольку

71