Способ определения содержания редкоземельных элементов Советский патент 1990 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к ядерно-физическим методам анализа материалов.

Цель изобретения - снижение предела обнаружения.

На чертеже приведены графики зависимости сечения ё возбуждения характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) элементов от атомного номера.

При облучении исследуемьпс образцов ускоренными ионами происходит как непосредственное возбуждение ХРИ атомов вещества образцов, так и кулоновское возбуждение ядер. Кулоновское возбуждение ядер снимается путем испускания -квантов и конверсионных электронов, в результате чего происходит дополнительное возбуждение ХРИ. Сечение непосредственного возбуждения ХРИ в зависимости от атомного номера Z облу- чаемых элементов показано на чертеже пунктирной линией (1 и 2 - облучение (А частицами с энергией 2 МэВ/нуклон;

3 и 4 - облучение протонами с энергией 3,5 МэВ; 5 и 6 -. облучение ионами Cd с энергией 1 МэВ/нуклон). Кривые 1, 3 и 5 соответствуют L-серии, а кривые 2, 4 и 6 - К-серии.

Из чертежа видно, что сечение непосредственного возбуждения ХРИ К-серии быстро убывает с ростом Z, и при Z 50 его регистрация становится труд- ной из-за малой интенсивности излучения, сравнимой с естественным фоном детектора. Поэтому для аналитических целей используют регистрацию ХРИ L-серии редкоземельных элементов (РЗЭ). Но излучение L-серии, по сравнению с К-серией обладает значительно меньшей энергией излучения.

На чертеже кружками также показано сечение возбуждения ХРИ К-серии ионами с энергией 1 МэВ/нуклон с учетом кулоновского возбуждения. На чертеже видно, что в области редкоземельел

со

-ч

ных элементов имеет место значительно возрастание сечения возбуждения. Оно становится сравнимым с сечением возбуждения легкими ионами ХРИ L-серии, т.е. при облучении анализируемых образцов тяжелыми ионами интенсивность излучения К-серии редкоземельных элементов сравнима с интенсивностью излучения L-серии при облучении образцов легкими ионами, а мешающий фон на несколько порядков ниже.

Такое значительное возрастание сечения возбуждения РЗЭ за счет куло- новского возбуждения связано со специфическими свойствами, присущими деформированным ядрам. Основная доля купоновского возбуждения При взаимодействии ионов, имеющих заряд ядра Z, и атомную массу Л, с ядрами мишени Z, и АЗ приходится на квадру- польное электричес1.ие ыогзбуждение перехода Е2. Сечение этого процесса описывается формулой

V - f iT i;:

X B(E2)f.,,(),

Е X

(1) 30

де Е

энергия иона, МэВ/нук- лон,

В(Е2) - приведенная вероятность ядерного перехода, безразмерная функция, убывающая с ростом , безразмерная переменная, вычисление которой для тяжелых ионов может быть проведено по формуле

с „

0

5

0

25

30

35

зультате чего функция ) в указан ном выше диапазоне энергий близка к единице, сечекие кулоновского возбуждения (1) на один-два порядка превышает сечение непосредственного возбуждения. Именно такими сильно деформированными ядрами являются большинство РЗЭ. Кроме того, низкие уровни возбуждения ядер РЗЭ сильно конвертированные, т.е. возбуждение их в основном снимается путем испускания электронов конверсии, что ведет к испусканию ХРИ. За счет кулоновского возбуждения практически не увеличивается сечение возбуждения ХРИ более распространенных РЗЭ: La, Се, Рг, Nd. Величины В (Е2) для этих элементов имеют, по сравнению с другими РЗЭ, весьма малые значения. Большую величину В (Е2) имеет изотоп , но в природной смеси изотопов его содержание только 5,6%.

Таким образом, при регистрации ХРИ К-серии указанные элементы не мешают анализу других РЗЭ. Хотя, как следует из (1), сечение кулоновского возбуждения растет с увеличением энергии иона, при проведении анализов эта энергия должна быть ниже кулоновского барьера для ядерных реакций, чтобы избежать вызванного ими фона. Фон от ядерных реакций сильно увеличивает предел обнаружения или дАже делает измерения невозможными.

Кулоновский барьер Eg для иона в лабораторной системе координат может быть рассчитан по формуле

0

Е.

0,96

Z,

А« + А,

А-.

1 /S

МэВ/нук- лон J, (3)

Изобретение относится к ядерно-физическим методам анализа материалов. Цель изобретения - снижение предела обнаружения. Анализируемую и калибровочные пробы облучают ускоренными ионами и регистрируют характеристическое рентгеновское излучение определяемых элементов. Атомную массу, заряд ядра и энергию ускоренных ионов выбирают такими, чтобы обеспечить условия кулоновского возбуждения ядерных уровней. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

12,65

л А.

АЗ

, А,)

4Е

где dE - энергия возбуждения.

Сечение кулоновского возбуждения для большинства существующих в природе ядер не превьш1ает сечения непосредственного возбуждения ХРИ, которое возникает в результате ионизации, вызываемых бомбардируюш 1ми частицами. Только для сильно деформированных ядер, для которых велика приведенная вероятность ядерного перехода В (Е2) и низки уровни возбуждения ЛЕ, в регде Aj и Zj

45

50

55

соответственно атомная масса и атомный номер элемента, для которого рассчитывают кулоновс- кий барьер.

Например, при использовании дЛя облучения ионов , Са кулоновский барьер для взаимодействия с ядрами кислорода Eg 2,26 МэВ/нуклон.

При облучении образцов сложного состава для исключения фона от ядерных реакций энергия ионов должна быть меньше кулоновского барьера для взаимодействия с ядрами любых макроэлементов, .содержащихся в исследуемом веществе.

При облучении образцов ионами с энергией ниже кулоновского барьера источниками фона при регистрации ХРИ являются только тормозное излучение и естественное космическое.

Отношение эффект/фон при облучении ионами исследуемого вещества с атомной массой А и атомным номером Zj может быть записано в виде

с

с/бт 3,934-10

Ai А,

U,.A,)z,(|..j,(«

B(E2)fz (g) 15

(4)

где Ejj. - энергия фотона;20

6 - сечение тормозного излучения при прохождении бомбардирующего иона через вещество; Е1 - дипольный электрический переход для тормозного излучения.25 Из этого выражения видно, что для увеличения отношения эффект/фон необходимо, чтобы отношение Z,/Aj бомбардирующего иона быпо наиболее близким к отношению Z /А для матрицы исследуемого вещества.

При сложном составе матрицы исследуемого вещества отношение Z,/A должно быть близким к эффективному значению отнов ения Zj /А, .

30

35

При неизвестном составе матрицы эффективное значение Zj/А может быт найдено экспериментальным путем, варьируя сорта ионов, используемых для облучения. При соответствующем вьЕбор бомбардирующего иона можно достичь, Z, Z. 2

что величина

- Z;L

А, А,

)

будет ,10-3

Условию близости отношения к Zj/Aj могут удовлетворить большое число различных ионов. Из их числа для проведения облучений надо использовать ионы с максимальной величиной А, так как при взаимодействии с этими ионами сечение кулоновского возбуждения будет наибольшим (формула 1 Это дает возможность повысить эффект по отношению к естественному космическому фону и снизить таким образом предел обнаружения.

В то же время из-за собственного ХРИ нельзя для облучения использовать ионы с Zj-j Z - 5. Собственное ХРИ ионов, имеющее кроме интенсивной лиИ

15977046

НИИ к / другие сопутствующие малоин- а 1

тенсивные линии, сопдает мешающий фон в той области энергий, в которую

попадает ХРИ элементов с Z Z, + 5, т.е. ионы с Z Zj - 5 создают фон в аналитической области РЗЭ, что приво дит к повышению предела обнаружения.

Из анализа (4) следует, что для проведения анализов РЗЭ энергия Е бомбардируемых ионов должна выбираться из условия

,34

Fil ЬLA, А,

(А,

АЗ)

Е

2 з Е :Е

И

(5)

«/

где Eg- пороговая энергия для ядерных реакций.

Учитьшая, что в реальных условиях Z.

значения

А.

Z, и dE изменяются в

25

30

35

0

5

0

5

довольно узких пределах, можно численно оценить диапазон энергий, в котором ионы могут быть использованы для проведения анализов. Наиболее вероятные значения указанных napahffeTpoB

,5; Zj 60; 0,1 МэВ.

Подставив эти значения в (5), получают

0,7 Е 2,26 МэВ/нуклон.

Способ бьт реализован при определении содержания РЗЭ в составе угля.

Основными составными элементами матрицы исследуемого вещества являются углерод и кислород, имеющие отношение заряда ядра Zj к .атомной массе Aj равное 0,5. Для возбуждения характеристического рентгеновского излучения РЗЭ исследуемое вещество облучают

40 „ ионами , отношение заряда ядра Z

которых к атомной массе А, также равно 0,5. Эти ионы имеют наибольшее значение атомной массы А из всех доступных ионов, имеющих указанное отношение.

Ионы кальция ускоряют на циклотроне до энергии 1,5 МэВ/нуклон. Для расчета нижней границы диапазона в качестве Zj и АЗ используют наибольшие значения из возможных, соответствен- но, равных 71 в 176. Используют также наибольшее значение из нижних ядерных уровней РЗЭ лЕ 0,125 МэВ.

В результате расчета получают нижнюю границу диапазона, равную 1 МэВ/нук- лон. Верхняя граница определяется наименьшей величиной кулоновского ба- рьера для взаимодействия ионов кальция с углеродом и кислородом. Рассчитанная величина составляет 2,18 МэВ/нуклон. Заведомо вьтолняют условие Z, Zj - 5. Мишень из исследуемого каменного угля приготавливается по известной технологии. Каменный уголь истирается до мелкодисперсного состояния и смешивается с клеем БФ. Затем эта смесь ровным слоем наносится кисточкой на подложку из А1 толщиной 70 мкм. После нанесения смеси подложка вьщерживается при до полного обугливания клея. Толщина нанесенного слоя угля составляет примерно 6мг/см диаметр пятна нанесенного слоя 34 мм. Для уменьшения тепловой нагрузки и повышения представительности анализа пучок ионов расфокусирован по всей площади мишени. При испытании набран интегральный поток ионов на мишени равный 3-10 ионов.

В измеренном спектре рентгеновского излучения отчетливо наблюдаются пики ХРИ редкоземельных элементов La, Се, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb.

Результаты измерения содержаний РЗЭ и достигнутые пределы обнаружения приведены в таблице.

По сравнению с прототипом, предлагаемый способ обеспечивает снижение обнаружения на порядок. В техническом смысле способ существенно 55 проще в реализации ХРИ К-серии, имеющего энергию в диапазоне 40-60 кэВ, практически без потерь проходит через

50

вакуумные окна толпдшой 50-100 мкм. Это позволяет располагать детектор ХРИ вне вакуумной камеры и для повышения эффективности регистрации сразу за мишенью.

I

Фон от -квантов, которые также

испускаются при снятии возбуждения ядерных уровней, пренебрежимо как в случае РЗЭ основная доля возбужденных уровней высвечивается путем испускания конверсионных электронов.

0

15 Формула изобретения

ю щ и и с я тем, что для осуществления кулоновского возбуждения заряд ядра ионов Z и наибольшее значение атомной массы А выбирают из условия, что Z,/A, наиболее близко к отношению Z2/Aj, где Zj и Aj - соответственно эффективные значения заряда ядра и атомной массы для матрицы анализируемой пробы, а Z Zj - 5, где Z - наименьшее значение из зарядов ядер определяемых элементов, при этом энергию ионов Е (МэВ/нуклон) выбирают из диапазона

+ А,) Е Eg,

где /ЗЕ - энергия возбуждения ядерного уровня определяемого элемента;

Е. - кулоновский барьер для взаимодействия ионов с любыми макроэлементами, содержащимися в исследуемом веществе;

АЗ - атомная масса определяемого элемента.