Активационный анализ. 
Ядерная геофизика

Гамма-активационный анализ. При взаимодействии г-квантов высоких энергий с ядрами атомов возникают разнообразные реакции, получившие общее название фотоядерных реакций. Продукты этих реакций — радионуклиды и изомеры, анализ излучения которых позволяет определить элементный состав вещества.

Фотоядерные реакции имеют энергетический порог, ниже которого взаимодействие не наблюдается. Значение пороговой энергии зависит от типа фотоядерной реакции и ядра, с которым происходит взаимодействие. Зависимость сечений фотоядерных реакций от энергии г-квантов имеет резонансный характер (т.е. точку экстремума). Значение резонансной энергии и сечение реакции в области резонанса индивидуальны для различных нуклидов.

При энергии г-квантов до 20 Мэв для подавляющего числа нуклидов наиболее вероятна реакция (г, n). В отличие от других фотоядерных реакций, эта реакция характеризуется более низкими значениями пороговой и резонансной энергий, причем спектр этих энергий достаточно широк. Используя эту особенность, можно увеличить избирательность анализа путем выбора энергии г-квантов, при которой активируется наименьшее число мешающих атомов. Как правило, элементы, из которых состоят породообразующие минералы, обладают более высокими значениями порогов активации по сравнению с рудными элементами. Отсутствие эффекта самоэкранирования (т.е. поглощения вторичного излучения самой пробой) позволяет использовать для анализа пробы весом более 1 кг, что увеличивает представительность (достоверность) анализа.

Гамма-нейтронный метод (ГНМ) — основной метод поисков и разведки бериллиевых руд. ГНМ применяется для определения бериллия в пробах, опробования горных выработок и изучения ореолов рассеяния бериллия на поверхности.

Для большинства элементов пороговая энергия реакции (г, n) 6 ч 12 Мэв, и лишь для Be ЕПОР = 1,67 Мэв (ЕMAX = 22 Мэв). Из числа известных источнтков г-излучения для анализа на бериллий подходит изотоп Sb124 с периодом полураспада 60 дней и испускающий г-кванты в жесткой части спектра двух энергий: 1,69 Мэв (50% выхода) и 2,09 Мэв (6,5% выхода). Этот источник способен возбуждать только ядра беррилия, что обеспечивает высокую селективность анализа и отсутствие помех со стороны других фотонейтронных реакций.

Нейтроны, возникающие при облучении изотопа Be9 г-квантами источника Sb124 имеют энергию 24 Кэв и 422 Кэв (соответственно от гамма-квантов 1,67 Мэв и 2,09 Мэв). Вклад фотонейтронов от г-квантов 2,09 Мэв примерно в 20 раз меньше, чем от г-квантов 1,69 Мэв, поэтому нейтронное излучение изотопа Be9 можно считать моноэнергетическим с энергией 24 Кэв.

Для поисков и разведки бериллиевых руд применяют портативный переносной прибор — бериллометр. Основными элементами бериллометра являются источник гамма-излучения и сцинтилляционный детектор надтепловых нейтронов, разделенных свинцовым экраном. Приборы весом до 6 кг, чувствительность 900 имп/мин, порог определения содержания бериллия — 0,01%.

Нейтрон-активационный анализ — это метод (НАМ) определения состава вещества с помощью излучения ядер, ставшими радиоактивными в результате облучения нейтронами.

Главными достоинствами НАМ — высокая чувствительность селективность определения элементов. Высокая чувствительность обусловлена появлением интенсивных источников излучения, позволяющих исследовать очень малые образцы. Селективность отражает индивидуальные особенности структуры возбужденных состояний каждого изотопа.

Физические основы метода. В отличие от заряженных частиц, нейтроны легко проникают в ядро даже при малых энергиях, почти для всех элементов наблюдаются реакции радиационного захвата (n, г) на тепловых и надтепловых нейтронах, что определяет широкие возможности НАМ. При взаимодействии нейтронов с ядрами атомов образуются составные (или промежуточные) ядра путем слияния нейтрона с ядром-мишенью, Составное ядро неустойчиво, переходя в устойчивое состояние ядро испускает частицы или г-кванты.

Пусть имеется поток нейтронов Ф (нейтр/см2*сек), постоянного во времени и в пространстве, сечение взаимодействия активации (нейтронов с ядром-мишенью) уа, первоначальное число ядер-мишеней N0. Дифференциальное уравнение для числа N активированных ядер будет:

dN/dt = ФуаN0 — лN.

где л — постоянная распада активированного изотопа. Решением этого уравнения будет выражение:

где ta — время активации.

После активации, т. е. после остановки потока нейтронов, начинается распад радиоактивного изотопа, образованного во время активации (процесс остывания). Активность изотопа It в момент времени t (t — время остывания):

Максимальная наведенная активность будет в конце времени активации (t = 0), при условии, что время активации значительно больше периода полураспада активируемого изотопа (ta >> T):

где: А — атомный вес изотопа; Р — масса пробы, г; С — содержание активируемого элемента (весовые доли); и — распространенность активируемого изотопа. Р*С*и — масса активируемого изотопа в граммах.

Излучение активированных ядер. Активация нейтронами ядер-мишеней приводит к образованию таких радиоактивных ядер, которые испытывают либо враспад, либо электронный захват (К-захват). Радиоактивные активированные ядра, испытывающие в+ распад возникают редко. в-распад сопровождается г-излучением.

При активации нейтронами золота (Au197 стаб) образуется составное ядро Au198, которое, в некоторых случаях, испуская в-частицы превращается в стабильное ядро ртути Hg198. В большинстве случаев изотоп Au198, при испускании в-частицы, остается возбужденным до энергии 412 Кэв, время жизни этого возбужденного состояния 10−9 секунды. Переходя в стабильное состояние, возбужденное ядро испускает г-квант энергии 412 Кэв.

В результате захвата нейтрона из гафния образуется изотоп Hf175. Это составное ядро испытывает в-распад (К-захват) с периодом полураспада 70 суток с образованием двух метастабильных возбужденных уровней.

Возбуждение с уровня 433 Кэв может сниматься как испусканием г-кванта с энергией 433 Кэв, так и путем испускания каскада 90 + 343 Кэв. Таким образом, распад изотопа Hf175 сопровождается излучением трех групп г-квантов, у которых различна как энергия, так и интенсивность. Дополнительно, при К-захвате образуется вакансия на К-уровне, следовательно, этот тип в-распада будет сопровождаться испусканием характеристического излучения.

Источники нейтронов. Возможности НАМ во многом определяются типом источников нейтронов, т.к. интенсивность наведенного излучения прямо пропорционально плотности потока нейтронов Ф при активации. Существует три типа источников нейтронов.

Радиоизотопные источники. Описание их и принцип действия приведены выше, в разделе «Источники ядерных излучений». С изотопными источниками не удается получить плотности потока нейтронов выше 106 нейтрон/см2*сек. Этой плотности потока недостаточно для проведения многоэлементного НАМ.

Генераторы нейтронов. Это электростатические ускорители заряженных б-частиц, которые направляются на мишень из дейтерия Н3, в результате реакции получается гелий и нейтрон с энергией 14 Мэв. Эти быстрые нейтроны замедляются до тепловой энергии. Максимальная плотность поттока, достижимая на генераторах нейтронов, единицы на 109 нейтр/см2*сек.

Ядерные реакторы, в которых используется реакция деления ядер урана. В реакторе удается получить плотность потока тепловых нейтронов до 1013 — 1014 нейтрон/см2*сек. Потоки нейтронов в реакторе однороднее, чем в других нейтронных источниках, поэтому появляется возможность активации большой серии образцов при одной и той же плотности потока, чем резко увеличивается производительность анализа.

Методика проведения НАМ. Аналитические лаборатории, проводящие НАМ горных пород, обычно располагаются не при реакторах, и измерение проб возможно лишь через некоторое время после активации (требования техники безопасности).

Коротко, смысл определения элементного состава пробы заключается в изучении энергетического спектра вторичного г-излучения, т.к. энергия г-квантов строго определена для каждого элемента, а его интенсивность определяется содержанием данного элемента в пробе. Так как все работы проводятся в лабораторных условиях, использование гамма-спектрометров с полупроводниковыми детекторами позволяет получить хорошее энергетическое разрешение, следовательно, резко уменьшаются помехи (наложение спектральных линий, влияние мешающих излучений, фон рассеянного излучения и т. п.) и повышается точность анализа.

Условно называют нуклиды, образованные во время активации, с периодом полураспада Т от 2 часов до 2 суток короткоживущими, с Т > 2 суток — долгоживущими.

Основная доля активности проб горных пород в первые дни после облучения обусловлена содержанием в них изотопа Na24 (Т = 15 часов), образовавшимся в результате нейтронного захвата Na23, входящим в состав породообразующих минералов. При среднем содержании натрия в породах, равном 3%, общей массе проб в навесках 20 г (50 проб по 400 мг каждая), длительности активации 6 часов в потоке 1013 нейтр/см2*сек, г-активность проб за счет Na24 достигает 0.4 Ки. При работе с веществами, обладающими такой радиоактивностью, требуются специальные меры защиты. После времени остывания 7 — 10 суток общая активность проб снижается до 1 — 2 мКи и можно работать без специальных средств защиты.

Для обеспечения необходимой активности долгоживущих изотопов и обеспечения высокой чувствительности их определения, необходимо облучать пробы при большом интегральном потоке нейтронов (время активации 20 часов при Ф = 1013 нейтр/см2*сек). Измерения проводят после почти распада изотопа Na24. Нуклиды с относительно долгоживущими изотопами имеют различные периоды полураспада — от 2 суток до нескольких лет. Оптимальная длительность остывания тоже различна, поэтому при групповом анализе полезно разделить все элементы на группы с близкими Т с тем, чтобы свести к минимуму число повторных измерений. В большинстве случаев достаточно трех измерений, включающее определение следующих элементов:

tост = 5 ч 8 суток — Au, La, Sm, Yb, Lu, W, Cd …

tост = 12 ч 15 суток — Nd, Cs, Rb …

tост = 30 ч 40 суток — Eu, Gd, Tb, Hf, Sr, Ag …

Основным фактором, ограничивающим чувствительность анализа горных пород по короткоживущим нуклидам, является г-активность проб, обусловленная содержанием в них распространенных элементов Na и Mn. Изотопы Na24 и Mn56, образующихся в результате активации, приводят к перегрузке счетчика, что резко снижает чувствительность определения элементов. Для определения короткоживущих нуклидов измерения гамма-спектра пробы необходимо проводить через несколько часов после начала остывания, время активации при этом не более 10 минут. Групповой анализ целесообразно проводить путем двух последовательных измерений:

tост = 5 ч 10 часов — Lu, Dy, Er, Sr, In, Eu;

tост = 20 ч 30 часов — La, Se, Fr, Sm, Gd …

Необходимо отметить, что НАМ является довольно затратным лабораторным методом. В той модификации, о которой говорилось выше (источник нейтронов — ядерный реактор, лабораторные спектрометры с полупроводниковым детектором, для обработки спектров вторичного излучения необходимы ЭВМ т.д.) нет смысла проводить определения обычных полезных ископаемых — с этой задачей успешно справляется РРМ. Предел обнаружения РРМ — примерно 0.1 — 0.2% содержания в полевом варианте. НАМ используется для анализа проб: на драгоценные металлы (золото, серебро, платина); редкие земли (осмий, иридий и др.); лантаноиды и актиноиды. То есть на те элементы, распространенность которых в земной коре крайне низкая. Пределы обнаружения некоторых элементов приводятся ниже в таблицах.