Адаптация метода инструментального нейтронно-активационного анализа для исследования элементного состава геологических проб с использованием исследовательских реакторов НЯЦ РК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АДАПТАЦИЯ МЕТОДА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО НЕЙТРОННО-АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РЕАКТОРОВ НЯЦ РК

Алейников Ю.В., Попов Ю.А., Кожаханов С.Б.

Реферат

Цель работы: адаптация методик инструментального нейтронно-активационного анализа геологических проб при использовании исследовательских реакторов НЯЦ РК с учетом условий облучения, физических и технических особенностей реакторов.

Методы исследования: инструментальный нейтронно-активационный анализ; выбор оптимальных режимов облучения геологических проб, гамма-спектрометрический анализ, оценка чувствительности.

Практическая ценность: В рамках работ по адаптации инструментального нейтронно-активационного анализа получена дополнительная информация об условиях облучения геологических проб в реакторах ИВГ.1М и ИГР и возможности дальнейшего неразрушающего анализа облученных проб гамма-спектрометрическим методом.

Результаты: В результате проведенных физических исследований с использованием стандартных образцов горных пород получены экспериментальные данные по оценке содержания элементов-аналитов в образцах проб с неизвестным содержанием. Определены основные принципы и подходы к проведению исследований и работ, обеспечивающих проведение количественного анализа элементного состава геологических проб - определение содержания элементов в пробах методом инструментального нейтронно-активационного анализа с использованием исследовательских реакторов НЯЦ РК.

Ключевые слова: нейтронно-активационный анализ, исследовательский реактор, гамма-спектрометрия, чувствительность метода.

Введение

В статье приведены результаты проведенных исследований по адаптации методики проведения инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) на экспериментальной базе НЯЦ РК с учетом условий облучения, физических и технических особенностей реакторов ИВГ.1М и ИГР. Проведен анализ чувствительности метода ИНАА для конкретных условий облучения и измерений.

ИНАА является методом с высокой чувствительностью, в котором важным параметром является предел обнаружения элементов. Представленные экспериментальные результаты при облучении стандартных образцов позволяют заявить о приемлемой точности обнаружения. Использование исследовательских реакторов НЯЦ РК для выполнения ИНАА позволяет расширить область применения этих реакторов [1]. В зависимости от типа реакторной установки, ее нейтронно-физических и технических характеристик возникают различные возможности в облучении проб и проведении анализов. Для реализации этих возможностей требуется разработка специальных методов и технологий, наиболее полно отвечающих экспериментальной базе и содержанию аналитических задач. Перспективность работ, связанных с определением элементного состава геологических проб, определяется постоянным и устойчивым спросом на их проведение [2]. В этой связи важной задачей является изучение возможности адаптации метода ИНАА на реакторах ИВГ.1М и ИГР.

Проведение исследований на реакторных установках НЯЦ РК позволило получить дополнительную информацию об условиях облучения геологических проб в экспериментальных каналах реакторов и возможности дальнейшего неразрушающего анализа облученных проб гамма-спектрометрическим методом, а также отработать методику проведения ИННА с использованием исследовательских реакторов ИВГ.1М и ИГР.

Основная часть исследования

Целью физических исследований являлось получение экспериментальных данных по активации элементов в образцах геологических проб, облученных в экспериментальных каналах реакторов ИВГ.1М и ИГР при различных режимах облучения, а также исследование условий выдержки и измерения образцов.

Физические исследования включали в себя подготовку образцов геологических проб к облучению, проведение реакторного эксперимента с экспериментальным устройством (ЭУ), оснащенным образцами проб и постреакторные исследования, включающие гамма-спектрометрические измерения облученных образцов проб с последующей обработкой результатов измерений.

Эксперименты проводились с использованием размещенного в экспериментальном канале реактора ЭУ, представляющего собой полиэтиленовый контейнер с образцами проб. Конструктивная схема контейнера представлена на рисунке 1. Образцы находились на уровне центра активной зоны реактора. Подготовка образцов заключалась в расфасовке и взвешивании образцов. Для облучения были подготовлены стандартные образцы горных пород СТ-2а, СГД-2а, СГ-4 и JA-1.

1 - крышка, 2 - контейнер, 3 - образец

Рисунок 1 - Конструктивная схема контейнера для облучения образцов проб горных пород

Стандартные образцы, изображенные на рисунке 2, которые были использованы для исследований, не требуют специальной подготовки. Подготовка образцов заключалась в расфасовке и взвешивании образцов в соответствии с методикой по подготовке проб.

Рисунок 2 - Стандартные образцы состава горных пород

Масса некоторых образцов проб приведена в таблице 1. Ядерно-физические характеристики изотопов-продуктов реакции активации на ядрах изотопов-мишеней определяемых элементов (элементов-аналитов) представлены в таблице 2 [3, 4].

Таблица 1 - Масса образцов

Таблица 2 - Ядерно-физические характеристики изотопов-продуктов реакции

Измерение спектров гамма-излучения образцов проводилось на многоканальных спектрометрах с полупроводниковыми детекторами из особо чистого германия CANBERRA [3].

Облучение образцов было проведено на экспериментальных пусках реакторов ИВГ.1М и ИГР. Измерения проводились через сутки, а затем через 6…9 и 25…30 сут после окончания облучения. Время экспозиции составило до 83000 с. Расстояние от образцов до крышки криостата полупроводникового детектора (ППД) выбиралось в зависимости от оптимальной загрузки спектрометрического тракта и составило от 200 до 0 мм.

Чувствительность определения элементов для реальных спектров образцов с известным содержанием элемента в образце, рассчитывалась по формуле

(1)

где m_min - чувствительность определения элемента, г;

m - масса элемента в образце, г;

S_i(Е) - площадь ППП с энергией Е;

- критический уровень при отсутствии интерферирующих пиков в области интересов (ROI) [2, 3, 5];

k - коэффициент, зависящий от доверительного уровня р [5], для р = 0,95 k = 1,64;

B - континуум (подложка) под ППП в области ROI.

Флюенс тепловых нейтронов в месте размещения образцов составил приблизительно 2,4•10¹⁶ см^-2. Как показали исследования, этого флюенса достаточно для определения большинства элементов, указанных в таблице 2. Загрузка спектрометра при измерении образцов массой до 100 мг на крышке детектора и времени выдержки образцов до 10 суток не превысила 3 %, что является приемлемым при проведении спектрометрических измерений.

Таблица 3 - Результаты определения пределов обнаружения ЭА

Анализ чувствительности метода ИНАА

Чувствительность метода ИНАА обычно приводится в виде минимально определяемого количества элемента с размерностью мкг элемента на 1 г пробы. Значения пределов обнаружения были определены с использованием планарных и коаксиальных ППД. Все элементы-аналиты были разбиты на три основные группы в зависимости от периода полураспада радионуклида-продукта реакции активации элемента и, соответственно, времени выдержки образцов перед измерениями. Время выдержки образцов при определении элементов Ga, К, Mn, Na (первая группа) cоставило от 0,9 сут до 1,5 сут, а время измерения образцов ? от 1,5 ч до 2,8 ч. Время выдержки образцов для второй группы элементов cоставило от 5 сут до 9 сут, а время измерения образцов составило от 3 ч до 16 ч. Соответствующие параметры для элементов третьей группы составили: время выдержки от 24 сут до 40 сут и время измерения образцов - от 3 ч до 23 ч.

Можно выделить элементы с большими значениями пределов обнаружения и соответственно низкой чувствительностью от 200 мкг/г до 14000 мкг/г, такие как Ba, Ca, Fe, K, Ni, Sr. Средние значения чувствительности метода в пределах от 5 мкг/г до 100 мкг/г наблюдаются для таких элементов, как Cr, Ga, Na, Nd, Rb, Zn. И высокая чувствительность метода до 2 мкг/г наблюдается для остальных представленных элементов.

Образцы, время выдержки для которых составило 5 сут и более, измерялись на крышке ППД планарного типа с относительной эффективностью регистрации около 1 %. При этом загрузка спектрометрического тракта составляла менее 1 %. При использовании для регистрации излучения более чувствительного детектора с относительной эффективностью регистрации 30 % при тех же экспозициях чувствительность метода может быть повышена. Как следует из результатов работ, чувствительность метода повышается при замене планарного детектора на коаксиальный с большей чувствительностью. Например, при использовании гамма-линий ⁵⁹Fe чувствительность увеличилась в 3 раза, а при увеличении времени измерения образцов на коаксиальном ППД от 7 ч до 23 ч чувствительность может увеличиться в 5 раз.

Флюенс нейтронов, реализованный при проведении экспериментов, оказался достаточным для проведения анализа. Дальнейшее увеличение флюенса не приведет к существенному повышению чувствительности метода при анализе образцов геологических проб с использованием коаксиальных детекторов. При использовании детекторов с меньшей относительной эффективностью для повышения чувствительности метода необходимо увеличить флюенс нейтронов.

Чувствительность метода ИНАА зависит от таких параметров, как:

- режим облучения образцов;

- параметры измерения образцов (эффективность регистрации, разрешение детектора, время выдержки образцов и др.);

- состав матрицы пробы (содержание в пробе породообразующих и некоторых следовых элементов).

Состав матрицы важен с точки зрения содержания в пробах «мешающих» элементов. Радионуклиды, образующиеся при активации и имеющие мощные гамма-линии в высокоэнергетической части спектра, создают комптоновскую подложку под анализируемыми пиками (полезным сигналом). Так, при коротких временах облучения и выдержки образцов проб в качестве «мешающих» выступают такие элементы как Na, Mn и, частично, Al. При длительных временах облучения и выдержки в качестве «мешающих» элементов в образцах проб можно отметить Na, Fe и Sc. При длительных выдержках и экспозициях заметно присутствие в гамма-спектрах линий элементов, входящих в состав материалов, из которых изготовлены элементы конструкций самого здания лаборатории.

При длительных выдержках (более 5 сут) измерения должны проводиться в малофоновой защите, а оборудование должно быть размещено в хорошо проветриваемых, вентилируемых наземных помещениях. Такие элементы как K, Ra и Th, а также продукты их распада, создают дополнительный фон в помещениях лаборатории, который необходимо учитывать при длительных измерениях.

Выбор оптимальных условий облучения проб минерального сырья в реакторе с целью ИНАА

В результате выполненного с использованием экспериментальных данных расчета определены оптимальные условия облучения проб минерального сырья в реакторе с целью ИНАА. В таблице 4 приведены рекомендуемые режимы облучения проб для ИННА. Параметры облучения представлены для двух групп элементов-аналитов (ЭА). Первая группа ЭА: Al, Mg, V, Ti, Ca. Вторая группа ЭА: As, Ba, Ce, Co, Cr, Cs, Eu, Fe, Hf, K, La, Mn, Na, Sb, Sc, Sm, Ta, Tb, Th, U, W, Yb, Zn.

Таблица 4 Рекомендуемые режимы облучения проб

Рекомендации основаны на анализе данных, приведенных в [6], а также на основе практического опыта по проведению методических экспериментов по ИНАА горных пород в рамках работ по данной теме.

Анализ спектров гамма-излучения геологических проб показал, что для определения концентрации таких элементов, как Mn, Na и K образец пробы рекомендуется выдерживать (охлаждать) после облучения в течение 1 суток. Для определения концентрации таких элементов, как As, Au, Ba, Br, Ca, Ho, La, Lu, Na, Nd, Rb, Sm, U, W, Yb, образец рекомендуется выдерживать (охлаждать) после облучения в течение периода времени от 5 до 10 суток. Для определения таких элементов, как Eu, Ce, Co, Cr, Cs, Fe, Hf, Sb, Sc, Sr, Ta, Tb, Th, Zn, Zr, образец рекомендуется выдерживать после облучения в течение периода времени от 20 до 30 суток.

Выводы

Проведены физические исследования, в результате которых получены экспериментальные данные по активации элементов в образцах геологических проб, облученных в реакторах ИВГ.1М и ИГР, определены условия выдержки и измерения образцов.

В результате проведенных физических исследований с использованием стандартных образцов геологических проб получены экспериментальные данные по оценке содержания элементов-аналитов в образцах проб с неизвестным содержанием. В исследуемых образцах идентифицированы 34 элемента-аналита, определяемых с помощью метода ИНАА. К ним относятся породообразующие элементы: Al, Ca, Fе, K, Mg, Na, а также такие следовые элементы, как As, Au, Ba, Br, Cе, Co, Cr, Cs, Еu, Hf, Ho, La, Lu, Nd, Rb, Sb, Sc, Sm, Sr, Ta, Tb, Ti, U, V, W, Yb, Zn, Zr. Погрешность определения содержания для большинства элементов составляет менее 10 % и зависит от нейтронно-физических свойств аналитических изотопов. Для большинства из них определены пределы обнаружения и относительные погрешности измерения площади ППП в спектрах гамма-излучения образцов. Значения пределов обнаружения элементов при проведении ИНАА на реакторах ИВГ.1М и ИГР составляют для различных элементов от 6·10^-10 г до 10^-3 г при средней массе образца горной породы 100 мг. Результаты анализа показывают, что наименьшие значения предела обнаружения наблюдаются у таких элементов, как Еu, Co, Sc, Sm, Yb, а наибольшие значения у Fe, Mg, Mn, K.

Чувствительность метода ИНАА при использовании планарных детекторов с относительной эффективностью 1 % составляет для различных элементов от 0,01 мкг/г до 2300 мкг/г. При использовании для регистрации излучения коаксиальных детекторов чувствительность метода может быть увеличена в пять раз.

Результаты исследований были использованы при разработке методики инструментального нейтронно-активационного анализа на реакторах ИВГ.1М и ИГР для определения элементного состава минерального сырья. Разработанная методика устанавливает основные принципы и подходы к проведению исследований и работ, обеспечивающих проведение количественного анализа элементного состава проб минерального сырья - определение содержания элементов в пробах методом ИНАА.

чувствительность облучение реактор

Литература

1. Алейников Ю.В., Кожаханов С.Б., Попов Ю.А. и др. Расчетно-экспериментальные исследования по определению чувствительности метода ИНАА проб минерального сырья с использованием реакторов ИВГ.1М и ИГР. - Вестник НЯЦ РК, вып. 3, 2013, с. 69-74.

2. Фронтасьева, М.В. Нейтронный активационный анализ в науках о жизни: обзор / М.В. Фронтасьева // Физика элементарных частиц и атомного ядра.- 2011.- Том. 42, № 2.- Р. 636-716.

3. Inspector Volume Two. Advanced Topics: руководство пользователя спектрометрической системой Genie-PC: S404-USR.- 12/95.-V.2/3.

4. Схема распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения: публикация 38 МКРЗ. в 2-х ч./ Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1987.

5. Активационный анализ: курс лекции / В.И. Гутько.- Минск : МГЭУ им А.Д. Сахарова, 2008.- 74 с.

6. А.К. Лаврухина. Нейтронно-активационное определение ультрамалых количеств элементов в метеоритном веществе. Успехи аналитической химии. Наука, 1974 г.

Размещено на Allbest.ru