Группа ядерной спектроскопии и активационного анализа

Руководитель группы Ю.Е.Логинов, канд. физ.-мат. наук


ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА ВЕЩЕСТВА ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ


   В ПИЯФ РАН разработаны ядернофизические методы (ЯФМ) количественного элементного анализа состава вещества. Получаемые разными методами результаты находятся во взаимном согласии (в пределах погрешности измерений) и дают наиболее полную информацию о составе исследуемых образцов. В некоторых случаях возможен изотопный анализ.

1. ИНАА - Инструментальный Нейтронный Активационный Анализ (INAA).

   Определение элементов производится по гамма-лучам, испускаемым радиоактивными ядрами, образовавшимися при облучении исследуемого образца в нейтронном потоке. Образцы весом от 10 до 100 мг и мониторы нейтронного потока (обычно металлические железо и цирконий) запаиваются в ампулы из сверхчистого кварца и облучаются в течение от нескольких часов до нескольких дней в потоке тепловых нейтронов 1014н/см2с с кадмиевым отношением около 30. Спектры гамма-лучей от каждого образца измеряются три раза.

  1. Первое измерение производится не ранее, чем через 5 часов, но не позднее, чем через 3 дня после окончания облучения. Спектры гамма-лучей измеряются с помощью полупроводникового планарного детектора из сверхчистого германия GPL 32355/10P фирмы "ORTEC" в энергетическом диапазоне 40 -1800 кэВ с разрешением 0.7 кэВ при энергии 122 кэВ. В этом измерении определяются в основном Na, K, As, Br, Mo, Sb, Ho, Hg, Au и U.
  2. Второе измерение проводится обычно через 8 дней после облучения. Здесь используется коаксиальный детектор из сверхчистого германия фирмы "PGT". Эффективность детектора - 25%, энергетическое разрешение – 1.7 кэВ при энергии 1333 кэВ. Во втором измерении определяются Na, Cr, Fe, As, Br, Rb, Sb, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Tb, Dy, Yb, Lu, Hf, Ta, Au, Th и U.
  3. Третье измерение проводится спустя 20 – 25 дней после облучения с тем же детектором, что и во втором измерении. Здесь определяется содержание Sc, Fe, Co, Zn, Se, Zr, Sr, Sb, Cs, Ce, Eu, Tb, Tm, Yb, Hf, Ta, Hg и Ir.

   Обработка измеренных спектров проводится с помощью ряда компьютерных программ, разработанных в ПИЯФ /1/. Алгоритмы обработки основаны на использовании априорной информации о спектрах и ограничениях на возможное содержание элементов в образцах. При вычислении концентрации любого элемента принимаются во внимание все надежно установленные в измеренном спектре пики всех изотопов этого элемента. Вычисления производятся с использованием ежегодно обновляемой версии базы данных по структуре ядра - ENSDF (Evaluated Nuclear Data Structure File, /2/), получаемой нами из Брукхевенской Национальной Лаборатории в США. Величины сечений захвата нейтронов и резонансных интегралов берутся из /3/. Окончательно содержание элементов в образце проверяется по стандартам состава вещества (ССВ), таким как 1633А, BCR и др. Результаты анализа ССВ обычно находятся в хорошем согласии с табличными данными, т.е. согласуются в пределах погрешности измерений.

   Чувствительность измерений находится на уровне 0.1 % для основных элементов и на уровне ppm (10-6) и даже ppb (10-9) для микроэлементов нашего списка. Обычно погрешность определения составляет 5 - 15 %.

   Преимущество ИНАА – отсутствие какой-либо пробоподготовки образцов перед измерениями. Отсюда – чистота измерений. Нет ни потерь химических элементов, нет загрязнений исследуемых образцов. Кроме того, для некоторых элементов может быть определено изотопное обогащение.

   Недостаток ИНАА – полный цикл анализа (a+b+c) занимает около месяца или более во время работы реактора ВВР-М. Чувствительность измерений в большой степени зависит от ядерных констант изотопов исследуемых элементов (сечение захвата нейтронов, период полураспада, и т.п.) и значительно различается для разных элементов периодической системы.

2. НРА - Нейтронный Радиационный Анализ (NRA).

    НРА - определение содержания элементов проводится по гамма-лучам, испускаемым ядрами мгновенно после захвата нейтронов. Измерительная установка располагается на выведенном из реактора пучке чисто-тепловых нейтронов 2·107н/см2с /4/. Повышение чувствительности измерений обеспечивается за счет использования специально изготовленного детектора GL2015R, "CANBERRA". Подготовка образца к измерениям (вес от 100 мг) производится аналогично ИНАА. Для одного образца измерение спектров и обработка результатов этих измерений занимают несколько часов.

   Чувствительность измерений элементного состава находится на уровне ppm (или, если указано, %): Li(%), B, Na(%), S(%), Cl, Ca(%), Ti, V(%), Cr(%), Fe(%), Co(%), Mn, Cu(%), Rh, Ag, Cd, In, Sb(%), I(%), Cs(%), La, Sm, Gd, Dy, Ho, Tm, Hf, Ta, Ir, Hg. Погрешность определения – несколько процентов от измеренной величины.

   Кроме того, возможен анализ изотопного состава некоторых элементов с погрешностью до 10%.

3. РФА - РентгеноФлуоресцентный Анализ (RFA).

   РФА проводится по общепринятой методике, детектирования флуоресцентного рентгеновского излучения элементов, индуцируемого радиоактивным источником 109Cd . Программное обеспечение и методика измерений разработаны в ПИЯФ /5/ , подтверждены сертификатом ВНИИМ им. Д.И. Менделеева No 2420-290-95 и используются для контроля загрязнений воздуха, воды и почвы на территории ПИЯФ (г. Гатчина). Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pb and U могут быть определены непосредственно в воздушных фильтрах и образцах почвы или в пробах воды после процедуры соосаждения на уровне, достаточном для определения загрязнений в соответствии с ПДК по нормам РФ.

4. РФАППО - РентгеноФлуоресцентный Анализ на Подложке с Полным Отражением (TXRFA).

   РФАППО – разновидность метода РФА, позволяющая проводить анализ химического состава микрообразцов, т.е. образцов с весом порядка одного микрограмма. Исследуемый образец помещается на подложку из сверхчистого кремния, которая обеспечивает полное отражение фотонов возбуждающего пучка, источником которого является рентгеновская трубка. Полное отражение значительно (на несколько порядков) уменьшает фон в спектре детектируемого вторичного излучения от образца и как следствие повышает чувствительность измерений. Методика описана в работе /6/.

   Преимущество РФАППО – малый вес образца (всего одна капля воды или один человеческий волос достаточны для анализа состава). Но малый вес исследуемого образца затрагивает проблемы гомогенности отобранных проб и повторяемости результатов.

Очень важное замечание:

   При количественных расчетах всегда следует иметь в виду гомогенность измеряемого образца и его представительность, особенно в задачах окружающей среды .

Литература

  1. L.P. Kabina, I.A. Kondurov and I.M. Shesterneva, Multielement Activation Analysis Data File, INDC (CCP) - 216/LI, IAEA, Vienna
  2. or L.P. Kabina and I.A. Kondurov, Automatisation of Data Evaluation of Multielement Neutron Activation Analysis, Leningrad, Preprint of LNPI no. 1027, 1985 (in Russian).
  3. W.B. Ewbank and M.R. Schmorak, Evaluated Nuclear Data Structure File, A manual for Preparation of Data Sets - Oak Ridge National ORNL - 5054/R1, 1977.
  4. E. Gryntakis, D.E. Cullen and G. Mundy, Thermal neutron cross-section and infinite dilution resonance integrals, Table 2 (pp.206-247), Handbook on nuclear activation data, technical reports series no. 273, IAEA, Vienna, 1987.
  5. Yu.E. Loginov et al., Neutron induced prompt gamma ray method in the quantitative elemental analysis of materials and compounds. Determination of antimony in Hi-Pb-Cu-Sr-Ca-Sb-O high temperature superconducting ceramics, J. Radioanal. Nucl. Chem. Letters 176 (5) 361-370, 1993.
  6. А.Е. Тихонова и др., Количественное определение содержания металлов в воде, воздухе и почве рентгенофлуоресцентным методом, Препринт ПИЯФ № 1859, 1993г.
  7. A.I. Egorov, et al., Determination of heavy metals in environmental water by total reflection X-ray fluorescence method using optimizing roentgen optic cut-off filter, Advances in X-Ray Analysis, Vol.35, Ed. by C.S. Barret et. al., Plenum Press, N.Y., 1992, 959-963.
На начало страницы


На главную страницу ОНИ