активационный анализ

АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ (радиоактивационный анализ)

метод качественного и количественного элементного анализа вещества, основанный на активации ядер атомов и исследовании образовавшихся радиоактивных изотопов (радионуклидов). Вещество облучают ядерными частицами (тепловыми или быстрыми нейтронами, протонами, дейтронами, частицами и т. д.) иликвантами. Затем определяют вид, т. е. порядковый номер и массовое число, образовавшихся радионуклидов по их периодам полураспада Т_1/2 и энергиям излучения Е, которые табулированы. Поскольку ядерные реакции, приводящие к образованию тех или иных радионуклидов, обычно известны, можно установить, какие атомы были исходными.

Количеств. А. а. основан на том, что активность образовавшегося радионуклида пропорциональна числу ядер исходного изотопа, участвовавшего в ядерной реакции. При т. наз. абсолютном анализе измеряют активность радионуклида и рассчитывают исходное содержание определяемого элемента по формуле:

где т-масса определяемого элемента, г; N-измеренная скорость счета, имп/с; М-атомная масса определяемого элемента; Е-полная эффективность регистрации измерит, аппаратуры (отношение числа регистрируемых импульсов к числу актов радиоактивного распада); Ф-поток частиц иликвантов, облучающих образец, число частиц/см²*с; σ — сечение (вероятность) ядерной реакции, барны (10⁻²⁴ см²);

— доля исследуемого нуклида в прир. смеси; -постоянная распада (т. е. 1/Г_1/2 образующегося радионуклида, с⁻¹); t₁ — время облучения образца, с; t₂-время выдержки (время, прошедшее с момента окончания облучения до начала измерения активности образца), с.

Абс. метод характеризуется высокой погрешностью (относит. стандартное отклонение 0,4–0,6), что связано с неконтролируемыми колебаниями величины Ф, сложностью определения E, погрешностями табличных значений а и т. д. Поэтому обычно анализ выполняют относит. методом, основанным на сравнении активностей анализируемого образца и образцов сравнения с точно известным содержанием определяемых элементов. Облучение и измерение активности образцов проводят в одинаковых условиях.

Существуют два осн. варианта А.а. — инструментальный и радиохимический. Первый применяют при анализе веществ, которые либо слабо активируются, либо образуют короткоживущие радионуклиды. Анализируемый образец и образцы сравнения одновременно получают и затем обычно неск. раз измеряют (с помощью полупроводникового спектрометра высокого разрешения) и сопоставляют их спектры. При первом измерении идентифицируют и определяют содержание элементов, образующих короткоживущие радионуклиды, при втором-элементы, образующие радионуклиды с большим Т_1/2, и т. д. Кроме того, последоват. измерениеспектров позволяет идентифицировать радионуклиды не только по энергиям испускаемыхквантов, но и по T_1/2. Пример инструментального А. а. — нейтронноактивационное определение примесей в Nb. Невысокий уровень активности радионуклидов, образующихся при облучении нейтронами, позволяет измерятьспектры уже через 5–7 ч после облучения. При первом измерении определяли радионуклиды с Т_1/2 = 2–30 ч, напр. ⁵⁶Mn, ⁶⁵Ni, ²⁴Na, ⁶⁴Cu, ^l87W, при втором (через 3–4 сут после первого)-радионуклиды с Т_1/2 от 25 сут до 5 лет, напр. ⁵¹Cr, ⁶⁰Со, ⁵⁹Fe. Если в Nb содержание примесей легкоактивирующихся элементов (Cu, Na, Ta, W) не превышает 10⁻⁵%, удается определить 30–35 элементов с пределами обнаружения 10⁻⁵ — 10⁻⁹%.

Осн. достоинства инструментального варианта: быстрота проведения, сравнительно небольшая трудоемкость, высокая информативность, возможность проводить анализ без разрушения образца и использовать радионуклиды с небольшими Т_1/2 (от неск. минут до неск. секунд). Широкое использование электронно-вычислит. техники для оптимизации условий анализа и обработки спектрометрич. информации повысило точность и надежность метода и позволило создать полностью автоматизир. системы А.а. Осн. недостаток инструментального варианта: невозможность анализировать сильно активируемые вещества, образующие долгоживущие радионуклиды.

В радиохим. варианте облученный образец растворяют, а затем отделяют от основы образовавшиеся радионуклиды определяемых элементов, обычно вместе с их изотопными носителями (неактивными изотопами), которые специально добавляют в раствор. Методы разделения-экстракция, хроматография, дистилляционные методы и др.; они позволяют получать препараты определяемых элементов радиохим. степени чистоты, активность которых можно измерять на полупроводниковом спектрометре. При доминирующем содержании одного или неск. элементов прямой гамма-спектральный анализ затруднен и необходимо эти радионуклиды разделять на группы, удобные для измеренияспектров. Для достижения особенно низких пределов обнаружения выделяют индивидуальные элементы.

Наиб. распространен нейтронно-активационный анализ, в котором исследуемое вещество облучают потоком тепловых нейтронов с энергией 0,025 эВ, т. к. сечения ядерных реакций (и, ) в этом случае для большинства элементов на неск. порядков выше сечений др. ядерных реакций. Поток нейтронов из ядерных реакторов достигает 10¹³–10¹⁵ частиц/см²*с. Метод позволяет определять большинство элементов периодич. системы начиная с Na с пределами обнаружения 10⁻⁴ — 10⁻¹²%, в т. ч. 53 элемента — с пределами обнаружения менее 10⁻⁶%. Однако определение с помошью активации тепловыми нейтронами легких элементов от Н до Ne, а также Mg, Al, Si, P и некоторых др. связано со значит. трудностями из-за небольших сечений ядерных реакций, слишком малых или слишком больших Т_1/2 образующихся радионуклидов, низких энергий испускаемого, излучения или рентгеновского излучения. В этом случае используют нейтронно-активационный анализ на быстрых нейтронах (с энергией ~ 14 МэВ). Источник последних — нейтронный генератор. Сечение ядерных реакций на 3–4 порядка меньше, чем при активации тепловыми нейтронами. Однако быстрые нейтроны активируют легкие элементы — О, N, Si, F, Al, Mg и некоторые др., пределы обнаружения которых составляют 10⁻³ — 10⁻⁵%.

Предельно низкие концентрации (10⁻⁷ — 10⁻⁸%) О, С, N и В определяют путем активации образца ускоренными протонами иличастицами. Источник излучения в этом случае-циклотрон. При использовании для активации заряженных частиц можно определять в чистых веществах Ca, Ti, V, Nb, Y с пределами обнаружения 10⁻⁵ — 10⁻⁷%.

Для определения газообразующих примесей (6, N, С) используют также активациюквантами (т. наз. фотонейтронный анализ). Источник последних-линейные ускорители, микротроны и бетатроны. В этом случае предел обнаружения составляет 10⁻⁵ — 10⁻⁶%.

Достоинства А.а.: высокая чувствительность, возможность в ряде случаев проводить определение без разрушения образца, высокая избирательность, возможность одновременного определения ряда примесей в одной навеске образца, отсутствие поправки контрольного опыта (т. к. все хим. операции, в т. ч. травление образцов для удаления поверхностных загрязнений, проводят после облучения). Кроме того, при работе с короткоживущими радионуклидами анализ м. б. выполнен быстро — в течение неск. минут. Недостатки метода: относительно малая доступность источников ядерных частиц или-квантов, возможность деструкции и даже разрушения образцов при облучении мощными потоками излучений, относит. сложность выполнения анализа, радиац. опасность.

Осн. области применения А.а.: анализ особо чистых веществ, геол. объектов и объектов окружающей среды; экспрессный анализ металлов и сплавов в промышленности; определение содержания микроэлементов в крови, плазме, тканях животных и растений; судебно-мед. экспертиза.

А.а. впервые был проведен Д. Хевеши и Г. Леви в 1936 и А. А. Гринбергом (1940).

^{Лит.: Кузнецов Р.А., Актнвационный анализ, 2 изд., М., 1974; Зайцев Е. И., Сотсков Ю. П„ Резников Р. С., Нейтронно-активационный анализ горных пород на редкие элементы, М., 1978; My ми нов В.А., Мухаммедов С., Ядернофизнческие методы анализа газов в конденсированных средах, Таш., 1977; De Soete D., Gijbels R., Hoste J., Neutron activation analysis, L., 1972; Nondestructive activation analysis, ed. by S. Amiel, Amst.-[a. o.], 1981.}

_{М. Н. Щулепников}