Радіометричні методи аналізу

Методи засновані на вимірі радіаційного спектра випромінювання досліджуваного зразка як по характері випромінювання, так і по його інтенсивності. Метод дозволяє визначати характер випромінювання, енергію й інтенсивність випромінювання.

Виділяють 2 методи в радіометрії: прямій і активаційний.

Прямий метод. Якщо природний зразок містить у своїй сполуці домішка радіоактивної речовини, то концентрацію цієї домішки визначають, безпосередньо вимірюючи інтенсивність радіоактивного випромінювання. Серед звичайних природних речовин такі об'єкти вкрай рідкі, тому що більшість елементів періодичної системи являють собою суміші стабільних ізотопів.

Щоб досліджувати систему, що представляє собою в природних умовах суміш стабільних ізотопів, прибігають до її радіохімічної активації, тобто викликають у ній реакції радіоактивного розпаду. Активаційний метод полягає в опроміненні речовини, при звичайних умовах не радіоактивного випромінювання, що має, шляхом впливу на зразок потужним джерелом радіоактивного випромінювання. Для цього досліджуваний зразок поміщають у реактор, що представляє собою свинцевий контейнер з ампулою, заповненої радіоактивною речовиною, Наприклад Sr⁹⁰ (джерело γ-випромінювання). У деяких випадках як джерело з невеликою енергією ?-випромінювання використовують ізотоп Гідрогену - тритій. Викликана в результаті опромінення в досліджуваному зразку, радіохімічна реакція досліджується, тобто виміряється характер випромінювання і його інтенсивність.

Види випромінювання: α-частки – це двічі іонізовані іони Гелію Не²⁺; β^- – потік електронів; β⁺ – потік позитронів; γ – електромагнітні коливання з довжиною хвилі менше рентгенівського; p – потік протонів, іонізовані атоми Гідрогену; n – потік нейтронів, часток з масою = 1 і зарядом 0 (кількість нейтронів визначають: n = A-z); мезони …

Випромінювання можна характеризувати по величині енергії в електрон-вольтах (еВ).

эВ – це така енергія, який володіє частка, що має елементарний заряд у поле напруженістю 1У/див². Чим більше енергія частки, тим більше її проникаюча здатність у матеріал.

Період напіврозпаду характеризує тривалість життя радіоактивного ізотопу.

Це час, за яке розпадається половина радіоактивних ізотопів.

Ізотопи – нукліди, що мають однаковий заряд, але різну масу, наприклад, і .

Ізобари - нукліди з однаковим масовим числом.

Ізотони - це нукліди з однаковим числом нейтронів.

Інтенсивність випромінювання – це число радіоактивних розпадів в одиницю часу. За одиницю інтенсивності прийнято 1 кюрі – це становить 3,7·10¹⁰ распадов в секунду. Такую радиоактивность имеет 1 г Радия. В аналитической практике пользуются объектами, излучение которых не превышает сотни микрокюри.

Як прилади для виміру радіоактивності застосовують лічильники Гейгера-Мюллера

( β - лічильники). R

Лічильник являє собою трубку з алюмінієвої фольги, заповнену молекулами газоподібної органічної речовини. Корпус підключений до негативного полюса джерела електричного струму. У центрі трубки перебуває металева нитка, підключена до позитивного полюса джерела електричного струму високої напруги.

Процеси в лічильнику. Електрони, пронизуючи стінку лічильника, попадають у позитивне циліндричне поле, створюване ниткою. Напруженість цього поля збільшується в міру наближення електронів до центра. Таким чином, електрон прискорюється й у близи нитки здобуває таку енергію, що здатна іонізувати молекули газоподібної речовини. У результаті, до нитки підходять не електрони, а іонізована ними лавина іонів. При її розряді в зовнішньому ланцюзі виникає імпульс електричного струму. У сучасних радіометрах замість гальванометра, що реєструє цей імпульс, використовуються лічильники імпульсу - механічні або електричні.

Таким чином, схема радіометра для виміру ?-імпульсів включає ?-лічильник (детектор), підсилювач і перерахунковий пристрій, що вважає число імпульсів.

Приклад використання методу для аналізу калію

Калій є одним з деяких легких елементів, в ізотопну сполуку якого входить у невеликій кількості (0,011 %) радіоактивний ізотоп К⁴⁰. Цей ізотоп піддається розпаду з β- і γ- випромінюванням. β-випромінювання становить 88% усього випромінювання, його енергія = 1,82 еВ. Енергія γ– випромінювання становить 1,42 еВ. Період напіврозпаду цього ізотопу становить 1,3·10⁹ лет. Такое содержание радиоактивного изотопа в естественном элементе позволяет при отсутствии других источников радиации определять Калий по его радиоактивности среди других веществ.

С

Оскільки радіоактивність зразка, що містить Калій, є пропорційної його концентрації, залежність інтенсивності випромінювання від концентрації буде линейна й виходить не з початку координат, а із крапки, що відповідає природному радіоактивному тлу.

РАДІОМЕТРІЯ (від лат. radio - випромінюю і грец. metreo-вимірюю), реєстрація за допомогою радиометрич. приладів випромінювань, що випускаються ядрами радіонуклідів. Заснована на разл. ефекти взаимод. випромінювання з в-вом (йонізація, люмінесценція, випромінювання Черепкова - Вавилова, освіта треків в прозорих середовищах, теплове дію випромінювання, вплив на фотографич. матеріали і ін.).

Радиометрич. прилади складаються з детекторів, у яких відбувається перетворення енергії випромінювання в електричну або ін. сигнали, і реєструючих пристроїв. Детектори м. б. іонізаційними, сцинтилляционными, трековыми та ін., в залежності від того, на якому з ефектів засновано їх дію. За агрегатному станом робочого тіла розрізняють газонаповнені, рідинні, твердотільні детектори; за типом реєстрованого випромінювання-детектори а-частинок, р-частинок, -квантів, нейтронів.

Серед газонаповнених ионизац. детекторів відповідно до характеру процесу, що забезпечує реєстрацію випромінювання, розрізняють ионизац. камери, пропорційні лічильники, лічильники Гейгера-Мюллера. У радиометрич. практиці поширені лічильник Гейгера-Мюллера, оскільки в них під дією випромінювання виникають потужні электрич. імпульси, що знижує вимоги до реєструючої апаратурі. Простота і надійність конструкції сприяли їх широкому розповсюдженню в 30-50-х років. 20. В даний час вони застосовуються головним чином в дозиметрії, а в радиохим. дослідженнях поступово витісняються сцинтилляционными і напівпровідниковими детекторами. Пов'язано це з тим, що лічильник Гейгера Мюллера дозволяють відзначати лише факт попадання іонізуючої частки в лічильник, тоді як більшість інших детекторів (газонаповнених, рідинних і твердотільних) дає можливість, крім того, визначати розподіл енергії реєстрованих частинок або квантів.

Сцинтиляційні детектори засновані на реєстрації люмінесценції, що викликається дією випромінювання на люмінофори, у яких енергія випромінювання перетворюється в світлові спалаху (сцинтиляції). Люмінофори, які використовуються для цих цілей, звичайно зв. сцинтилятора-мі. Використовують твердотільні неорг. (Nal або Csl, активоване Т1) і орг. сцинтилятори (антрацен, стильбен, сцинтилляц. пластмаси) і рідкі сцинтилятори (р-ри 2,5-дифенилоксазола в толуолі, діоксані та ін.). Широко розвивається техніка рідкою-сцинтилляц. вимірювань, при до яких препарати радіоактивних-в вводяться (розчиняються, эмульгируются і т.п.) безпосередньо в рідкою-сцинтилляц. суміш, що забезпечує простоту приготування препаратів, вигідні завантажити умови вимірювань, виключає втрати, пов'язані з ослабленням випромінювання. Апаратура, призначена для рідкою-сцинтилляц. вимірювань, дозволяє також реєструвати випромінювання Черепкова - Вавилова, що розпочинається в прозорих середовищах висо-коэнергетич. р-частками (гранична енергія для порушення цього випромінювання у воді становить 0,267 Мев).

Напівпровідникові детектори засновані на тому, що реєструється частка, проникаючи в кристал, генерує в ньому доповнить. (нерівновагі) электронно-діркові пари. Носії заряду (електрони та дірки) під дією прикладеного электрич. поля "розсмоктуються", переміщаючись до електродів приладу. В результаті під зовн. ланцюга детектора виникає электрич. імпульс, до-і далі посилюється і реєструється.

Важлива характеристика детектора-його ефективність, тобто вірогідність реєстрації частинок або квантів, що потрапляють в чувствит. обсяг детектора. При реєстрації g-квантів вона може складати від часток відсотка (для лічильників Гейгера - Мюллера або напівпровідникових детекторів порівняно невеликого обсягу) до ~ 100% для сцинтилляц. детекторів з неорг. сцинтилляторами досить великих розмірів. Для а-частинок высокоэнергетич. р-часток ефективність більшості суч. детекторів близька до 100%. Ефективність рідкою-сцинтилляц. детекторів при реєстрації р-часток тритію з макс. енергією всього 18 кев досягає 56-60%.Радіоактивного випромінювання препарату реєструється у вигляді числа імпульсів N, зафіксованих детектором за час t. Швидкість рахунку імпульсів в одиницю часу J = N/t та радіоактивність а препарату пов'язані співвідношенням: J = fа, де f-коеф., що враховує ефективність реєстрації, а також особливості схеми розпаду досліджуваного радіонукліда, поправки на завантажити умови вимірювання, ослаблення випромінювання в стінках детектора і самоослабление в шарі препарату і т. п. Для вирішення багато радиохим. завдань досить проведення сравнит. вимірювань, коли не потрібно визначати радіоактивність препарату, а можна лише порівняти активність препарату з активністю еталону або стандарту, визначеної в ідентичних умовах (при постійному ф).Вибір детектора для реєстрації радіоактивних випромінювань виробляють на основі критерію якості (КК) (коеф. якості критерію надійності). Значення Кк назад пропорційно часу t, необхідного для отримання результату з заданою похибкою: КК = 1/t ~ e2 /Ф, де e - ефективність реєстрації випромінювання, а Ф-фон приладу. Оскільки у більшості суч. приладів ефективність реєстрації корпускулярного випромінювання (a і b-часток) близька до теоретично прийнятного межі, підвищення КК визначається можливістю придушення фону детектора, до-який обумовлений реєстрацією космич. випромінювання, зовн. випромінювання від радіонуклідів, що містяться в навколишнього середовища (повітря, строит. матеріали, ґрунт), і радіоактивних забруднень у конструкц. матеріали, з яких виготовлений детектор; фон пов'язаний також з нек-рыми процесами в самому детекторі ("помилкові" імпульси в лічильниках Гейгера-Мюллера, шуми фотоелектронних помножувачів у сцинтилляц. детекторах і т. п.). Для зниження фону детектор поміщають в "пасивну" захист з важких матеріалів (свинець, чавун і т. п.), яка екранує детектор від зовн. у-випромінювання і послаблюючу м'яку компоненту космич. випромінювання. Для придушення головною на рівні моря складової космич. випромінювання - мюонной - застосовується т. зв. активний захист-додаткові детектор, навколишній основний і включений з ним в спец. схему антизбігів. При цьому виключається реєстрація імпульсів осн. детектора, що збігалися за часом з імпульсами, суб детектором активного захисту (такі збігаються імпульси як раз і обумовлені в осн. проходженням мюонів одночасно через обидва детектора).При реєстрації у-квантів часто доводиться вибирати між ефективністю реєстрації та роздільною здатністю детектора за енергії. Так, ефективність реєстрації сцинтилляц. детекторами великих розмірів з неорг. сцинтилляторами може наближатися до 100%, але роздільна здатність їх порівняно низька (7-10%). В той же час суч. напівпровідникові детектори на основі Ge мають набагато кращою роздільною здатністю, але ефективність їх зазвичай становить частки відсотка. Ведуться інтенсивні пошуки напівпровідникових матеріалів для більш ефективної реєстрації у-випромінювання.Вимірювання випромінювань, що володіють порівняно Малими пробігами, з допомогою зовн. детекторів (розташованих поза досліджуваного препарату) висуває жорсткі вимоги до детектора, до-який повинен забезпечувати мінімальний втрати, пов'язані з завантажити умовами вимірювання і з ослабленням випромінювання на шляху між препаратом і детектором. Важливо також, щоб при приготуванні препаратів забезпечувалося зниження втрат, пов'язаних з самоослаблением випромінювання в шарі самого препарату, рівномірність нанесення препарату на підкладку і т.п.

Суч. радиометрич. прилади дозволяють автоматично виконувати вимірювання сотень радіоактивних препаратів по заданій програмі з обробкою результатів вимірювань за допомогою ЕОМ.