§ 26. Метод активационного анализа

В основе метода лежит образование радиоактивного изотопа из определяемого элемента под воздействием облучения анализируемого образца ядерными частицами.

Активность образовавшегося радиоактивного изотопа пропорциональна числу атомов определяемого элемента, интенсивности потока ядерных частиц и сечению ядерной реакции этих частиц с определяемым элементом. В соответствии с законом накопления радиоактивного изотопа при облучении какого-либо вещества активность (распад/сек) к концу облучения может быть вычислена по формуле:

где m — количество определяемого элемента, г; к — относительное содержание активируемого изотопа в элементе; а — эффективное сечение ядерной реакции,

— интенсивность потока бомбардирующих частиц, сек); — время облучения, сек; атомный вес элемента, из которого образуется радиоактивный изотоп; — период полураспада образующегося изотопа, сек.

Для определения величины m необходимо, следовательно, знать величину , и найти величину , зная . На практике измерение активности ведется через некоторое время h после прекращения облучения, вследствие чего следует в формулу (46) ввести поправку на распад радиоактивного изотопа. В этом случае

где — активность образовавшегося при облучении радиоактивного изотопа из определяемого элемента к моменту времени h после окончания облучения.

Этот так называевый абсолютный метод может дать правильные результаты при условии постоянства интенсивности потока ядерных частиц в течение всего времени облучения и во всем объеме мишени, постоянства энергетического спектра частиц, от которого зависит величина 0, и постоянства числа активируемых атомов в мишени, т. е. число их не уменьшается в процессе облучения мишени.

Постоянство интенсивности потока нейтронов нарушается, если основной материал облучаемой мишени имеет высокое сечение ядерной реакции с нейтронами и последние сильно поглощаются поверхностными слоями мишени.

Абсолютный метод обладает малой точностью (ошибка достигает ), так как соблюдение перечисленных выше условий затруднительно, а сечение ядерных реакций определено с невысокой точностью. Поэтому на практике пользуются относительным методом, в котором одновременно с исследуемым образцом облучению подвергается один или несколько эталонов с известным содержанием определяемого элемента. Состав эталонов должен быть близок к составу анализируемых образцов. В этом случае величина сечения ядерной реакции и изменение интенсивности потока ядерных частиц, вносящие основные ошибки в определение, не играют роли. Расчет проводится по формуле:

где — содержание элемента в анализируемом образце и эталоне; — активность анализируемого образца и эталона, приведенных к одному времени измерения.

При наличии серии эталонов пользуются графическим методом. Точность относительного метода около 10%.

Измерение активности облученных образцов можно проводить непосредственно после их переведения в раствор, а также после предварительного химического выделения определяемого элемента в осадок, экстракт или раствор любыми доступными методами.

В большинстве случаев в результате облучения вследствие параллельных ядерных реакций образуется смесь радиоактивных изотопов ряда элементов из элементов, входящих в состав анализируемого образца.

В отдельных случаях возможно образование и того изотопа, по которому ведется определение, но не по основной, а по параллельным реакциям. Так, при облучении кремния по реакции

образуется фосфор, и, следовательно, определению фосфора мешает кремний. Это сильно снижает точность определения фосфора в кремнии. Поэтому прямое измерение радиоактивности мишени, как правило, неприменимо. Если основной материал мишени активируется мало, может применяться измерение излучения определенной энергии, отвечающей искомому радиоактивному изотопу, с помощью -спектрометров. Однако чувствительность такого метода мала.

Предварительное разделение химическими методами дает возможность отделить изотоп, образовавшийся при облучении определяемого элемента, от мешающих определению активности радиоактивных компонентов смеси частично (для спектрометрических определений) или полностью (в случае дальнейшего измерения с помощью счетчиков).

Химическое разделение также позволяет определять несколько элементов из одной облученной мишени.

По типу частиц, применяемых для облучения, различают: нейтронный активационный анализ (облучение нейтронами), фотоактивационный анализ (облучение фотонами высокой энергии) и активационный анализ с помощью заряженных частиц.

Наиболее важным явится нейтронный активационный анализ, который проводится с применением тепловых или быстрых ) нейтронов. В первом случае образование радиоактивного изотопа идет по реакции захвата нейтрона с испусканием фотона Во втором случае протекают главным образом реакции захвата нейтрона с выбрасыванием протона , -частицы или двух нейтронов .

Для осуществления нейтронного активационного анализа необходимы потоки нейтронов высокой интенсивности, поэтому он проводится в ядерном реакторе или иногда с помощью нейтронного генератора.

Чувствительность нейтронного активационного анализа в реакторах с замедлителем нейтронов при потоке сек показана ниже:

С увеличением времени облучения чувствительность определения повышается.

Таким образом, нейтронный активационный анализ обладает невысокой точностью, но очень высокой чувствительностью. Поэтому он применяется главным образом для определения ультрамалых примесей в чистых материалах.

Активационный анализ обладает высокой специфичностью, так как радиоактивный изотоп, образующийся из определенного элемента или одного из изотопов изотопной смеси данного элемента, обладает только ему присущим периодом полураспада, характером и энергией излучения.

Применение активационного анализа связано с необходимостью принятия мер предосторожности при работе. Для его проведения необходима специально оборудованная лаборатория.

При наличии реактора, оборудованного пневмопочтой, для активационных определений используют реакции образования короткоживущих радиоактивных изотопов. В этом случае проводятся измерения активности облученных образцов без химической обработки с использованием -спектрометров. В отдельных случаях использование для активационного анализа короткоживущих изотопов возможно и не в реакторе. Так, для определения кислорода образцы облучают фотонами с энергией с помощью бетатрона или линейного ускорителя электронов, при торможении которых на мишени появляется поток тормозного излучения — фотонов высокой энергии. Из кислорода по реакции 150 образуется радиоактивный изотоп кислорода с мин и энергией позитронов .