книги из ГПНТБ / Кузнецов, Р. А. Активационный анализ

активации небольшого количества этого элемента при облуче­ нии в фильтре из кадмия (толщиной 0,5—1 мм) и без него. Оче­ видно, что в отсутствие кадмия активация элемента происходит при участии тепловых и резонансных нейтронов, а с фильтром — только при участии последних, так как фильтр из кадмия пол­ ностью поглощает все нейтроны с энергией менее 0,4 эв.

На основании облучения и последующего измерения актив­ ности имеем

Фр/р

где Led — кадмиевое отношение; Лт и Ар — активность радио­ изотопа, обусловленная соответственно действием тепловых и резонансных нейтронов.

Из уравнения (4.3) видно, что кадмиевое отношение зависит от чувствительности детектора к тепловым 02200 и резонансным /р нейтронам и поэтому оказывается неодинаковым у разных детекторов.

Если кадмиевое отношение определено экспериментально, то при известных 02200 и /р отношение плотностей потоков тепло­ вых и резонансных нейтронов можно рассчитать по уравнению

Для подобных определений очень удобны детекторы, у кото­ рых сечение радиационного захвата подчиняется закону 1/v. Соответствующий расчет показывает, что для таких детекторов отношение сг22ооДр= 2, поэтому

(4.5)

Кадмиевое отношение внутри активной зоны графитового или тяжеловодного реактора для детекторов типа l/v равно при­ мерно 33, что соответствует отношению Фт/Фр=16.

Очень часто кадмиевое отношение для используемых условий облучения определяется по активации золота. Можно подсчи­ тать, что для отмеченных выше условий кадмиевое отношение золота будет равно 2. Кадмиевое отношение для других детек­ торов можно выразить через кадмиевое отношение золота:

^pa 2200

где один штрих в индексе относится к золоту, а два штриха — к другому элементу.

80

2) облучение с резонансным фильтром; 3) анализ по времени замедления нейтронов. Эти методы способствуют определению элементов с четко выраженными нейтронными резонансами, сре­ ди которых можно отметить: As, Mo, Ru, Rh, Pd, In, Sb, I, Nd, Sm, Tb, Lu, Та, Re, Pt, Au, Hg, U.

Облучение с нерезонансным фильтром. Этот метод приме­ няется для подавления тепловой компоненты нейтронного пото­ ка [96]. Наиболее удачный фильтр для такой цели — кадмиевый.

удельной активности элемента в такое число раз, которое равно его кадмиевому отношению в принятых условиях облучения. В результате повышается избирательность определения элемен­ тов с высоким резонансным интегралом в присутствии элемен­ тов с низким резонансным интегралом. Экспериментальное оп­ ределение кадмиевых отношений для 42 элементов, проведенное Н. А. Дамбургом и Л. Л. Пелекис в канале реактора ИРТ-2000 с кадмиевым фильтром толщиной 0,5 мм, дало величины, кото­ рые лежат в интервале от 2 до 240 [96]. Следовательно, приме­ няя этот метод, в предельном случае можно достигнуть повы­ шения избирательности активации почти на два порядка.

Иногда в качестве материала для фильтра используют бор, который имеет высокое сечение поглощения медленных .нейтро­ нов, подчиняющееся закону \/v. Ослабление потока моноэнер-

где Ф0 и Фж— соответственно исходная плотность потока нейтро­ нов и плотность после прохождения слоя вещества толщиной А',. — число атомов на единицу объема поглотителя; 0 ПОг л .— се­ чение поглощения.

Экспоненциальная зависимость ослабления потока нейтронов от величины сечения поглощения при изменении последней по закону 1/ц приводит к тому, что борный фильтр обеспечивает достаточно четкую границу поглощения, ниже которой поток нейтронов ослабляется в значительной степени. Увеличение тол­ щины фильтра перемещает границу поглощения дальше в об­ ласть более высоких энергий, что приводит к возрастанию сред­ ней энергии нейтронов, проходящих через фильтр (см. рис. 15). Борный фильтр приходится применять в сочетании с кадмиевым в связи с тем, что необходимо уменьшить количество тепла, вы­

•82

активность элементов меняется от 2 до 900 раз, т. е. заметно больше, чем в случае одного кадмиевого фильтра.

метода. Примером может служить работа Борга и др. [97] по определению марганца в биологических объектах, которые со­ держат значительные количества натрия и хлора. Анализируе-

Энергия, мэб

Рис. 16. Сцинтилляционные спектры уизлучения биологи­ ческой пробы, облученной неотфильтрованн-ым (а) и от­ фильтрованным (б) потоками нейтронов.

мые пробы облучали в алюминиевом контейнере, стенки которо­ го были выложены бором (обогащенным 10В до 93%). Тепловые нейтроны отфильтровали кадмиевым фильтром, покрывающим снаружи алюминиевый контейнер.

Толщина борного фильтра была подобрана таким образом, чтобы обеспечить поглощение нейтронов с энергией менее 6 эв. Облучение отфильтрованным потоком увеличило отношение удельных активностей марганца и натрия в 7 раз, а марганца и хлора в 14 раз по сравнению с облучением тепловыми нейт­ ронами. Влияние фильтра хорошо видно из рис. 16.

При облучении резонансными нейтронами анализируемая проба не должна содержать значительных количеств легких элементов (в основном водорода), которые могут привести к замедлению некоторой части нейтронов. Например, удельная активность индиевой фольги, облученной отфильтрованным с

помощью кадмия (0,5 мм) потоком нейтронов, возрастает в 1,44 раза в присутствии 120 мл воды [96].

Облучение с резонансным фильтром. Избирательность акти­

вации резонансными нейтронами можно несколько повысить, если в дополнение к кадмию в фильтр ввести резонансный по­ глотитель нейтронов. Естественно, что при облучении пробы в комбинированном фильтре заметно уменьшается активация того компонента, который совпадает с резонансным поглотителем. Это явление можно использовать либо для подавления актива­ ции мешающего компонента, либо для получения количествен­ ных оценок для определяемого компонента по изменению его активности при облучении с кадмиевым и комбинированным фильтрами.

Именно последний вариант был практически разработан Р. Г. Гамбаряном и А. С. Штанем [98]. Причем для достижения максимальной избирательности метод облучения с резонансным фильтром сочетается с у-спектрометрией. Тогда методика ана­ лиза включает следующие операции. Анализируемую пробу делят на две равные части. Одну из них облучают с кадмиевым

простым системам с известным качественным составом и увели­ чением статистической погрешности, поскольку конечный резуль­ тат получается как разность соизмеримых величин. При облу­ чении неизбежно происходит сильная активация резонансного фильтра, что затрудняет процесс извлечения пробы и повторное использование фильтра.

Анализ по времени замедления нейтронов. Идея этого мето­ да применительно к аналитическим целям была предложена Р. Г. Гамбаряном и др. [99]. Если через замедлитель из тяже­ лого элемента пропустить импульсный поток быстрых нейтронов, то потеря энергии ими будет происходить практически синхрон­ но. Поэтому энергия нейтронов в потоке оказывается пропор­ циональной длительности процесса замедления. Когда энергия потока становится равной энергии резонансного уровня вещест­ ва, введенного в замедлитель, происходит интенсивное поглоще­ ние нейтронов, которое сопровождается испусканием мгновен­ ного у-излучения (рис. 17). Интенсивность последнего служит мерой количества резонансного поглотителя, а длительность интервала замедления может быть использована для дополни­ тельной идентификации элемента (рис. 18).

Соответствующие оценки показывают, что чувствительность определения отдельных элементов этим методом при использо­ вании нейтронного генератора с интенсивностью 10w нейтрон!сек достигает 2 -10-3%.

84

800

I

Длительность замедления,мксек

Рис. 17. Зависимость интенсивности уизлучения радиационного за­ хвата от длительности замедления для Ag, Pt и Pd.

Энергия резонанса, э §

Рис. 18. Длительность замедления нейтронов в свинце до энергии основных резонансов некото­ рых изотопов.

(п, 2л) и (л, л'). Величина порога для большинства реакций составляет несколько мегаэлектронвольт, а функции возбужде­ ния имеют максимум при энергии нейтронов 8—20 Мэе [31].

Типичным примером может слу­ жить функция возбуждения ре­ акции 27А1(л, (x)24Na, порог кото­ рой равен 3,27 Мэе (рис. 19).

При облучении быстрыми нейтронами активируется подав­ ляющее большинство элементов периодической системы, и по­ этому в отношении круга определяемых элементов активацион­ ный анализ на быстрых нейтронах не уступает активационному анализу на тепловых нейтронах. Однако более низкая чувстви­ тельность предопределяет основное применение этого метода к определению элементов, для которых активационный анализ на тепловых нейтронах неблагоприятен (О, N, S, F и др.), и для массового инструментального анализа различных объектов со сравнительно высоким содержанием компонентов.

Взаимодействие быстрых нейтронов с ядрами элементов может протекать по нескольким каналам, которые часто связапы^с изменением заряда ядра. Эта особенность ядерных взаимо­ действий быстрых нейтронов, с одной стороны, облегчает под­ бор подходящей ядерной реакции, а с другой, представляет собой источник взаимных помех при определении соседних элементов. Облучение быстрыми нейтронами можно проводить

с помощью различных источников, основные характеристики которых суммированы в табл. 5.

Наибольшее значение для активационного анализа па быст­ рых нейтронах приобрели нейтронные генераторы на основе реакции 3H(d, п)4Не. Поток нейтронов от этих источников моно-

86

Т а б л и ц а 5

'Основные характеристики различных источников быстрых нейтронов

ароматичен и имеет достаточно высокую интенсивность. Наи­ более мощный источник быстрых нейтронов — реактор. Однако поток нейтронов в реакторе смешанный, т. е. содержит медлен­ ную компоненту. Присутствие в потоке медленных нейтронов приводит к определенным затруднениям, так как продукты ре-

.акции (п, у) вследствие более высоких сечений оказываются

.значительно активнее, радиоизотопов, образующихся в резуль­ тате реакций на быстрых нейтронах. Поэтому для подавления тепловой компоненты потока приходится использовать фильтры из кадмия или других материалов. Однако это лишь частично решает проблему, так как интенсивность потока резонансных нейтронов при этом уменьшается в незначительной степени.

Ускорители, как источники быстрых нейтронов, имеют хоро­ шие параметры. Хотя энергетическое распределение быстрых нейтронов сплошное, доля, медленных нейтронов в .. потоке ничтожна и не мешает анализам. Источники нейтронов этого типа пока не получили широкого распространения.

Аналитические возможности активационного анализа на быстрых нейтронах многократно исследовались для самых раз­ ных экспериментальных условий, причем основное внимание было уделено нейтронным генераторам. Прежде всего был изу­ чен круг определяемых элементов и образующихся изотопов, а также чувствительность метода, которая с распространенными нейтронными генераторами в настоящее время не превышает

1 мкг [100, 101].

87

[102]. Было отмечено, что на стадии облучения основным источ­ ником помех являются конкурирующие ядерные реакции, кото­ рые вместе с некоторыми другими полезными сведениями сум­ мированы в форме, удобной для практического использования.

Исследование возможностей активационного анализа на» нейтронах с энергией 2,8—3,0 Мэе показало, что в этом случае круг определяемых элементов уже, а достигаемая чувствитель­ ность много ниже (более 10 мг) [71]. Низкую чувствительность дает облучение быстрыми нейтронами изотопного источника.

Быстрые нейтроны реактора обеспечивают наиболее высокую' чувствительность, которая на один-два порядка может превос­ ходить чувствительность, достигаемую с нейтронным генерато­ ром (14-Мэе нейтроны) [65]. Однако сложность работы со сме­ шанным потоком нейтронов затрудняет широкое применение реакторов для активационного анализа на быстрых нейтронах.

Множественность каналов и наличие конкурирующих ядерных реакций, а также некоторые особенности схем распада про­ дуктов активации оказывают неблагоприятное влияние на из­ бирательность активационного анализа на быстрых нейтронах,, особенно в его инструментальном варианте [102, 103]. Учитывая пороговый характер многих реакций, можно иногда исключить помехи от конкурирующей ядерной реакции путем применения нейтронов соответствующей энергии. Примером такого случая

имеющемся различии в порогах эта задача может быть решена при облучениях нейтронами, энергия которых лежит чуть ниже порога интерферирующей реакции. При этом можно использо­ вать три способа: 1) подбор источника с соответствующей энергией нейтронов; 2) применение источника, который допу­ скает регулировку максимальной энергии нейтронов; 3) измене­ ние энергетического спектра быстрых нейтронов при пропуска­

тому же для проведения разнообразных определений требуется наличие в лаборатории нескольких источников нейтронов.

Весьма перспективен второй способ [82], который при нали­ чии одного источника позволяет плавно регулировать энергию нейтронного потока. Однако сплошной характер нейтронного потока затрудняет избирательную активацию. Поэтому раз­ дельное определение этим способом возможно только при зна­ чительном различии в порогах основной и интерферирующей ядерных реакций (несколько мегаэлектронвольт).

Последний метод состоит в пропускании потока моноэнергетических нейтронов (обычно 14 Мэе) через водородсодержа-

88

тций материал, что приводит к замедлению нейтронов с соот­ ветствующим изменением энергетического спектра. Поскольку -функции возбуждения ядерных реакций различны, облучение пробы в исходном и измененном потоках может позволить раз­ дельное определение двух компонентов [104]. Однако из-за силь­ ного ослабления потока нейтронов фильтром и небольшой ве­ личины эффекта подобный метод, видимо, не может иметь осо­ бой практической ценности.

§ 4. Некоторые особенности и источники погрешности при облучении тепловыми нейтронами

Градиент потока

Уравнение активации (2.23) справедливо для облучения в условиях равномерного потока активирующего излучения. В то же время источники нейтронов дают потоки с некоторым гра­ диентом. Поэтому в уравнение активации следует подставлять

среднее значение плотности потока Ф, которое является функ­ цией размеров и формы пробы и распределения плотности потока в объеме, занимаемом пробой. Однако такая замена может быть сделана только для гомогенных проб. В противном случае полученный результат будет отличаться от среднего зна­ чения, причем отклонение может быть тем сильнее, чем выше градиент потока и негомогенность пробы. Так, атомные реакто­ ры обладают сравнительно небольшим градиентом. Например, в реакторе Merlin градиент равен 2% на 10 см в вертикальном

чительный градиент плотности потока нейтронов наблюдается у нейтронных генераторов.

Для исключения погрешности за счет градиента потока при­ ходится принимать специальные меры предосторожности или использовать особую методику анализа, которые определяются величиной градиента и конструктивными особенностями источ­ ника нейтронов. В потоках с небольшим градиентом стремятся к размещению пробы и эталона (монитора) по возможности бли­ же друг к другу. Иногда даже рекомендуют оборачивать ампу­ лу с пробой несколькими фольгами с нанесенным на них эта­ лоном. Фольги располагают определенным образом, что в результате позволяет оценить среднее значение активности эта­ лона. Более радикальным средством исключения погрешности является применение особого вращающего устройства, которое позволяет облучать большое число проб и эталоны в усреднен­ ном потоке [92].

Если градиент потока источника постоянен во времени, то можно применить метод мониторов. При этом необходимо обес­ печить четкую фиксацию как взаимного расположения пробы и

89