Нейтронно активационный анализ реферат

Обновлено: 04.07.2024

Нейтронно-активационный анализ представляет собой метод качественного и количественного определения элементов, основанный на измерении характеристик излучения радионуклидов, образующихся при облучении материалов нейтронами.

Методика нейтронно-активационного анализа основана на измерении параметров излучения, испускаемого при распаде радиоактивных ядер, образовавшихся в результате облучения материала нейтронами. Наиболее подходящим источником нейтронов для такого применения, как правило, является исследовательский реактор. Образцы, которые могут быть проанализированы с помощью этого метода, связаны с рядом различных областей, включая медицину, питание, биологию, химию, криминалистику, охрану окружающей среды и добычу полезных ископаемых.

Нейтронно-активационный анализ может проводится различным образом. Это зависит от элемента и соответствующих уровней излучения, подлежащего измерению, а также от характера и степени помех от других элементов, присутствующих в образце. Большинство используемых методов являются неразрушающими и основываются на регистрации гамма-излучения, испускаемого облученным материалом после или во время облучения.

Нейтронно-активационный анализ является наиболее широко используемым после образования и обучения применением исследовательских реакторов. Практически любой реактор, работающий в режиме тепловой мощности 10-30 киловатт, способен создавать поток нейтронов, достаточный для облучения образцов, используемых в некоторых применениях этого метода анализа.

Затраты на создание установки для нейтронно-активационного анализа относительно невелики по сравнению с затратами на инструментальные средства рассеяния нейтронов. Так как многие из применений определения микроэлементов (идентификация элементов при их низкой концентрации, например, используется в пищевой промышленности и анализе воды, медицине и т.д.) могут быть непосредственно связаны с потенциальными экономическими выгодами, нейтронно-активационный анализ рассматривается в качестве ключевого компонента большинства стратегических планов в отношении исследовательских реакторов.

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Нейтронно-активационный анализ. Презентация на заданную тему содержит 5 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

Нейтронно-активационный анализ В химии, нейтронно-активационный анализ (НАА) — это ядерный процесс, используемый для определения концентраций элементов в образце. НАА позволяет дискретным образом определять элементы, так как не учитывает химическую форму образца, и сосредотачивается исключительно на ядрах элементов. Метод основан на нейтронной активации и, следовательно, требуется источник нейтронов. Образец подвергается бомбардировке нейтронами, в результате чего образуются элементы с радиоактивными изотопами, обладающими коротким периодом полураспада. Радиоактивное излучение и радиоактивный распад хорошо известны для каждого элемента. Используя эту информацию, можно изучать спектры излучения радиоактивного образца и определять в нём концентрации элементов. Особым преимуществом этого метода является то, что он не разрушает образец, а продолжительность наведенной радиации обычно составляет от нескольких наносекунд до часов. Метод используется для анализа произведений искусства и исторических артефактов. НАА также может быть использован для определения активности радиоактивных образцов и благородных металлов в рудах.

Нейтронно-активационный анализ является чувствительным многоэлементным аналитическим методом для качественного и количественного анализа практически всех элементов. НАА был открыт в 1936 году Хевеши и Леви, которые обнаружили, что образцы, содержащие определенные редкоземельные элементы стали очень радиоактивны после контакта с источником нейтронов.

Для получения нейтронов могут быть использованы различные источники : Реакторы Некоторые реакторы используются для нейтронного облучения образцов при производстве радиоизотопов для различных целей. Образец для облучения может быть помещён в контейнер, который затем помещают в реактор. Если нет эпитепловых нейтронов, необходимых для облучения, то кадмий может быть использован для фильтрации тепловых нейтронов. Фузор Относительно простой фузор Фансуорта-Хирша может быть использован для создания нейтронов при экспериментах НАА. Преимуществом такого аппарата является то, что он компактен (настольный размер), и то, что его можно просто выключить и снова включить. Недостатком является то, что этот тип источника не будет производить поток нейтронов, которые могут быть получены с использованием реактора. Изотопный источник Очень часто в области реактора используется дорогой элемент, и его заменяют сочетанием источников α-излучения и бериллия. Эти источники, как правило, гораздо слабее, чем реакторы. Газоразрядные трубки Они могут быть использованы для создания импульсов нейтронов, и там, где распад целевого изотопа происходит очень быстро. Например, в нефтяных скважинах.

Детекторы Существует целый ряд детекторов, используемых в НАА. Большинство из них предназначены для обнаружения испускаемого гамма-излучения. Наиболее распространёнными типы детекторов: газ-ионизирующие, сцинтилляционные и полупроводниковые. Из них сцинтилляционные и полупроводниковые являются наиболее широко используемыми.

Аналитические возможности НАА может обнаружить до 74 элементов в зависимости от экспериментальной процедуры. Минимальные пределы обнаружения от 0,1 до 1x106 нг г−1 в зависимости от элемента. Более тяжелые элементы имеют большее ядро, поэтому они имеют большую площадь сечения захвата нейтрона и, скорее всего, будут активированы. Некоторые ядра могут захватывать нейтроны и остается относительно стабильным, не подвергаясь трансмутации или распаду в течение многих месяцев или даже лет. Другие ядра мгновенно распадаются, и образуются только стабильные изотопы, которые и могут быть идентифицированы по БНАА.

Активацией называется процесс получения радиоактивного вещества в результате ядерных реакций при облучении стабильных ядер нейтронами, гамма-квантами, протонами или другими частицами.
Пусть на образец, содержащий i ядер изотопа A падает j частиц в секунду на единицу площади. В результате ядерной реакции A(a,b)B за время dt образовывается ijσ _i dt ядер радиоактивного изотопа B. Здесь σ _i − парциальное сечение данной реакции. Количество ядер изотопа B определяется соотношением

где m_A − масса изотопа A в образце, M − его молярная масса, N_A − число Авогадро. Образовавшийся изотоп B распадается по закону радиоактивного распада с постоянной распада λ. Дифференциальное уравнение, описывающее изменение количества ядер изотопа B, можно записать в виде

Первый член в (2) описывает образование ядер изотопа B, второй − их распад. Проинтегрировав (2), получим

Через некоторое время рост числа активных ядер прекратится (dN/dt = 0). Это произойдет тогда, когда в единицу времени будет образовываться столько же радиоактивных ядер сколько и распадаться. Величина

называется активацией насыщения .

где t_обл − время облучения, t_охл − время охлаждения, т.е. время с момента окончания облучения до момента начала измерения.
На активации основан мощный метод определения состава вещества активационный анализ . Он был впервые предложен Г. Хевеши (G. Hevesy) и Х. Леви (H. Levi) (1936).
В этом методе идентификация химических элементов, содержащихся в образце и их количественный анализ производятся путем измерения активности, энергии излучений и периода полураспада образовавшихся в результате ядерной реакции радионуклидов. Пусть в естественной смеси элемента доля изотопа A, который в результате реакции A(a,b)B превращается в радиоактивный изотоп B равна k. Идентифицировав в облученном образце по периоду полураспада и энергии излучения наличие изотопа B, по его активности можно определить массу соответствующего элемента m по формуле

где М − атомная масса определяемого элемента, i определяется по активности I (5) изотопа B. Подставив (5) в (6), получим

Радиоизотопные (ампульные) источники.
Ядерные реакторы.
Нейтронные генераторы.

Около 70% элементов имеют свойства, позволяющие использование нейтронно-активационный анализ для их идентификации и количественного анализа.
Для гамма-активационного анализа используется тормозное излучение высокой интенсивности (10 14 -10 15 квант/с), получаемое на электронных ускорителях. Фотоядерные реакции позволяют активировать практически все элементы периодической системы элементов с пределом обнаружения ~10 -4 -10 -7 %. Существуют ситуации, когда использование гамма-активационного анализа предпочтительно. Гамма-активационный анализ в частности позволяет эффективно анализировать такие элементы, как Ca, Ni, Ti, Tl и Pb. Преимуществом гамма-активационного анализа перед нейтронно-активационным анализом является также то, что гамма-кванты могут глубже проникать в образец, следовательно анализу могут подвергаться образцы бо'льших размеров.
Активационный анализ на заряженных частицах, в связи с их малыми пробегами в веществе, используется главным образом для анализа тонких слоев и поверхностей.

Радиоизотопные источники нейтронов

В радиоизотопных источниках используются нейтроны спонтанного деления ( 252 Cf) или реакции типа (α,n) и (γ,n). Один миллиграм 252 Cf испускает 2.28·10 9 нейтронов в секунду с энергией 1.5 МэВ.
Нейтронный источник, использующий реакции (α,n), должен содержать альфа-источник и легкий изотоп (Li, Be, B) на котором происходит реакция (α,n). Использование легких изотопов связана с тем, что энергия альфа-частиц должна быть больше высоты кулоновского барьера. В противном случае сечение реакции будет сильно подавлено. Например, в Pu/Be источнике используется смесь металлического порошка бериллия с небольшим количеством α-излучателя - полония. Нейтроны образуются в реакции 9 Be(α,n) 12 C. В этом источнике получаются нейтроны, обладающие практически сплошным спектром энергий от 0 до 13 МэВ.
Источником нейтронов, основанным на фотоядерной реакции, является смесь радия и бериллия. В этом случае источник нейтронов представляет собой систему из двух запаянных ампул. Внутри ампулы с порошком бериллия помещается ампула с солями радия таким образом, что на бериллий действует только гамма-излучение, проходящее через стенки внутренней ампулы. Нейтроны образуются в реакции 9 Ве(γ,n) 8 Ве. , Такой источник испускает монохроматические нейтроны с энергией 110 кэВ.
Интенсивность радиоизотопных источников 10 6 -10 8 нейтронов/c, чувствительность (предел обнаружения) элементов ~10 -4 -10 -6 %.

Ядерные реакторы

Ядерные реакторы являются мощными источниками нейтронов. Спектр нейтронов очень широк. В нем выделяют 3 компоненты - тепловые, эпитепловые (резонансные) и быстрые нейтроны (рис.2).
Тепловые нейтроны это нейтроны с энергией 13 (cм -2 с -1 ). Предел обнаружения большинства элементов при использовании таких потоков составляет 10 -5 -10 -10 %.
Эпитермальные нейтроны имеют энергии в диапазоне от 0.5 эВ до ~0.5 МэВ. Их доля в реакторе ~2%. Кадмиевая пластинка толщиной 1 мм поглощает все тепловые нейтроны, но пропускает эпитепловые и быстрые нейтроны. Как тепловые, так и эпитепловые нейтроны вызывают в мишени реакции (n,γ).
Доля быстрых нейтронов (> 0.5 МэВ) в реакторе составляет ~5%. Они вызывают реакции (n,p), (n,n') и (n,2n) и практически не вызывают реакции (n,γ).

Нейтронные генераторы

Нейтронные генераторы это ускорители в которых нейтроны образуются в результате ядерных реакций на соответствующих мишенях. Чаще всего используются реакции

2 H(d,n) 3 He, Q = 3.270 МэВ;	(7)
3 H(d,n) 4 He, Q = 17.590 МэВ.	(8)

Рис. 3. Функция возбуждения (зависимость сечения от энергии налетающих частиц) для реакции
(J.P.Conner, T.W.Bonner, J.R.Smith. A Study of the 3 H(d,n) 4 He Reaction. PhysRev, 88, 468, 1952)

В результате реакций (7,8) получаются нейтроны с энергиями ~2.5 МэВ и ~14.1 МэВ. Так как сечения этих реакций достаточно велики при небольших энергиях дейтронов, можно обойтись небольшими ускорителями. Максимум сечения реакции (8) при энергии Td 120 кэВ. Обычно используются каскадные генераторы. Типичный выход нейтронов у нейтронных генераторов ~10 10 c -1 . Использование быстрых нейтронов позволяет проводить анализ легких элементов (C, N, O), которые плохо активирующихся тепловыми нейтронами.

Рассмотрим схему активационного анализа на примере нейтронно-активационного анализа на тепловых нейтронах. Последовательность событий, происходящих в реакциях радиационного захвата (n,γ) представлена на рис. 4.

В результате неупругого взаимодействия теплового нейтрона с ядром образца образуется компаунд-ядро в возбужденном состоянии, энергия возбуждения определяется энергией связи нейтрона в ядре. Компаунд-ядро быстро сбрасывает свою энергию возбуждения и переходит в основное состояние, излучая один или несколько характеристических мгновенных гамма-квантов. Во многих случаях это ядро бета-радиоактивно и тоже распадается с характеристической постоянной распада. Более того, часто бета-распад идет на возбужденные состояния конечного ядра, которые в свою очередь сбрасывают энергию возбуждения испуская характеристические гамма-кванты (задержанные).
В принципе нейтронно-активационный анализ возможен на (1) мгновенных гамма-квантах, когда измерения проводятся в процессе облучения, или (2) на задержанных гамма-квантах, когда измерения проводятся во время бета-распада.
Первый метод обычно реализуется на выведенном из реакторе пучке нейтронов. При этом потоки, падающие на образец на ~6 порядков меньше, чем при облучении внутри реактора. Зато детектор может быть расположен очень близко к образцу. Этот метод в основном применим для элементов с экстремально большим сечением реакции радиационного захвата (B, Cd, Sm и Gd); элементов, изотопы которых имеют малые периоды полураспада, чтобы можно было использовать второй метод, элементов у которых в результате реакции (n,) образуются только стабильные изотопы или элементов аналитические изотопы испускают гамма-кванты с малой интенсивностью.
Второй метод применяется чаще. Он применим для подавляющего большинства элементов, у которых в результате радиационного захвата образуются радионуклиды.

Рис. 5. Схема распада 27 Mg

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Поэтому при воздействии одинакового излучения ток, возникающий в полупроводниковом детекторе значительно больше, чем в других детекторах, что существенно влияет на определение энергии излучения. 2.2 Основные понятия и определения в активационном анализе

нейтронный активационный анализ излучение

Активность. Под этим термином понимается радиоактивность. Радиоактивность, или, кратко активность есть число распадов, совершаемых радиоактивным изотопом в единицу времени. Измеряется в Беккерелях (Бк), или в Кюри (Кю). Беккерель показывает число распадов в одну секунду, т.е. активность изотопа, например в 570 Бк означает, что в данном изотопе в одну секунду совершается 570 распадов. 1 Кю равняется 3,7 1010 распадов в сек, или 3,7 1010 Бк.

Период полураспада. Период полураспада является одной из основных характеристик каждого радиоактивного изотопа и показывает время, в течение которого число ядер изотопа в результате ядерных превращений уменьшается ровно в два раза. Обозначается как Т1/2 . Например, для 60Co Т1/2 = 5,27 лет, а для 56Mn Т1/2 = 2,58 часов. Это означает, что, если число ядер обоих изотопов в начальный момент времени было по 10000 штук, то для того, чтобы их осталось по 5000 для 60Co потребуется 5,27 лет, а для 56Mn - достаточно всего 2,58 часа.

Сечение реакции. Количество радиоактивного изотопа, образующего при облучении стабильных ядер является пропорциональным сечению протекающей ядерной реакции. Что же такое сечение реакции (например сечение реакции активации)? Сечение реакции характеризует вероятность столкновения и взаимодействия облучающих частиц с ядрами. Оно обычно измеряется в барнах (1 барн = 10-24 см2) и обозначается буквой s. Сечение ядерных реакций можно сопоставить с геометрическим сечением ядра, но значения сечений реакции могут значительно отличаться от геометрических сечений.

Энергетическое разрешение. Одной из основных характеристик детекторов является энергетическое разрешение. Энергетическое разрешение есть способность отделять друг от друга две близкие по энергиям линии спектра. Измеряется в энергиях, обозначается Е

Читайте также: