«Активационный анализ»

метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на активации атомных ядер и измерении их радиоактивного излучения. Впервые применен венгерскими химиками Д. Хевеши и Г. Леви в 1936. При проведении А. а. исследуемый материал в течение некоторого времени облучают (активируют) ядерными частицами (нейтроны, протоны, дейтроны, α-частицы и т. д.) или жёсткими γ-лучами, а затем с помощью специальной аппаратуры определяют вид и активность каждого из образующихся радиоактивных изотопов. Каждый радиоактивный изотоп обладает своими, свойственными только ему одному, характеристиками: периодом полураспада Т¹/₂ и энергией излучения Е_изл, которые никогда не совпадают с аналогичными характеристиками др. изотопов; эти характеристики собраны в таблицы. Поэтому, если определить вид излучения и измерить Е_изл и (или) Т¹/₂ изотопов, присутствующих в активированном образце, то по таблицам можно провести их идентификацию (т. е. установить порядковый номер и массовое число). Ядерные реакции, которые при выбранном способе активирования приводят к образованию тех или иных радиоактивных изотопов, обычно хорошо известны, и с их помощью легко найти, из каких исходных изотопов образовались обнаруженные в активированном образце радиоактивные изотопы, т. е. определить исходный состав исследуемого материала.

Для проведения количественного А. а. используют то обстоятельство, что активность радиоактивного изотопа после облучения образца пропорциональна числу ядер исходного изотопа, участвовавшего в ядерной реакции. Количественный А. а. может быть выполнен абсолютным или относительным способом. В первом случае измеряют абсолютную активность изотопа и, зная факторы, от которых зависит её значение, — время облучения, число активирующих частиц, проходящих через образец в единицу времени, эффективное сечение ядерной реакции (оно характеризует вероятность протекания ядерной реакции), изотопный состав химического элемента, Т¹/₂ образующегося радиоактивного элемента и время, прошедшее после прекращения облучения до момента измерения активности, — рассчитывают исходное содержание анализируемого элемента. Точность абсолютного метода невелика (20—50% ), а выполнение его связано с рядом трудностей, поэтому он не получил широкого распространения. Во 2-м случае вместе с исследуемым образцом в строго идентичных условиях облучают специально приготовленный эталон или серию эталонов, содержание определяемого элемента в которых точно известно. Далее сравнивают активность образца с активностями эталонов и, учитывая, что количество радиоактивных атомов, образующихся при облучении, пропорционально содержанию исследуемого элемента, находят требуемое значение (при использовании серии эталонов определение обычно ведут по калибровочной кривой зависимости активности от содержания анализируемого элемента). Если таким путём необходимо определить в образце содержание нескольких элементов, то сравнивают активность каждого из активированных в образце изотопов с активностями соответствующих эталонов.

Для определения качественного и количественного состава с помощью А. а. можно применять инструментальный или радиохимический метод. Инструментальный А. а. заключается в исследовании излучения образовавшихся радиоактивных изотопов с помощью радиотехнической аппаратуры, обычно с использованием сцинтилляционных датчиков. Он проводится без разрушения образца, отличается экспрессностью, малой трудоёмкостью и экономичностью, но чувствительность его часто ниже, чем радиохимического метода. Радиохимический А. а. состоит в химическом разделении активированных элементов и определении активности каждого из них. Он пригоден для одновременного определения большого числа различных элементов, но требует больших затрат времени на выполнение химических операций.

Из-за того, что ядра многих изотопов легче всего активируются нейтронами, источники которых достаточно разнообразны и доступны, а А. а. на нейтронах обладает высокой чувствительностью, нейтронный А. а. получил наибольшее распространение по сравнению с А. а. на др. ядерных частицах или γ-лучах. Различия эффективных сечений отдельных изотопов в ядерных реакциях с нейтронами достигают сотен тысяч раз и более, поэтому нейтронный А. а. обладает высокой специфичностью. С помощью нейтронного А. а. определяют следовые количества примеси в материалах, используемых в реакторо- и ракетостроении (например,10^-4% гафния в цирконии), в полупроводниковой технике (чувствительность нейтронного А. а. на мышьяк, присутствие которого в германиевых транзисторах должно быть строго ограничено, достигает 10^-10 — 10^-11 г) и т. д. Нейтронный А. а. пригоден для определения таких редких элементов, как золото при содержании до 10^-9 — 10^-10% и платина (до 10^-5 — 10^-6% ).

Пример: определение с помощью нейтронного А. а. процентного содержания марганца в алюминиевом сплаве. Природный марганец состоит только из одного изотопа ⁵⁶Mn, а алюминий — только из изотопа ²⁷Al. При облучении нейтронами эти изотопы дают соответственно β-активные ⁵⁷Mn с Т¹/₂ = 2,58 ч. и ²⁸Al с Т¹/₂= 2,3 мин. Из-за малости Т¹/₂ ²⁸Al практически нацело распадается через 15—20 мин после прекращения облучения, и активность сплава будет определяться присутствием в нём ⁵⁷Mn. Если одновременно с анализируемым образцом провести в строго аналогичных условиях активирование ряда эталонов, процентное содержание марганца в которых известно, а затем измерить активность эталонов и исследуемого сплава, которую они будут иметь через определённый промежуток времени после облучения, то, построив кривую зависимости активности от процентного содержания марганца в сплавах, легко по активности анализируемого сплава найти требуемую величину. Чувствительность определения будет тем выше, чем больше используемый нейтронный поток и эффективность измерения активности на аппаратуре.

Распространение получил и А. а., основанный на ядерных реакциях, протекающих под действием γ-излучения. Так, измеряя поток нейтронов, испускаемых анализируемым образцом после облучения его γ-лучами, удаётся определить присутствие 10^-4% бериллия в пробе массой 100 г. Определение лёгких элементов, изотопы которых плохо активируются нейтронами (углерод, азот, кислород), может быть проведено путём измерения излучения изотопов, образующихся в результате облучения жёсткими γ-лучами ядер соответственно ¹²C, ¹⁴N и ¹⁶O. А. а. на заряженных ядерных частицах (протоны, дейтроны, (α-частицы и др.) также даёт в ряде случаев удовлетворительные результаты. Например, с помощью ускоренных протонов удаётся определить до 10^-7% бора в кремнии, 10^-5% ниобия в тантале и т. д. Однако из-за отсутствия удобных источников излучений и ряда др. факторов этот метод А. а. пока не получил такого широкого распространения, как нейтронный А. а.

Большое преимущество любого вида А. а. — отсутствие опасности загрязнения анализируемого вещества примесями, содержащимися в химических реактивах. Возможность анализа образцов без разрушения позволяет использовать А. а. для контроля чистоты готовых изделий, в криминалистике, археологии и т. д. Недостатки А. а. связаны главным образом с тем, что не все элементы хорошо активируются, и с необходимостью использовать дорогостоящее оборудование и соблюдать специальные меры предосторожности.

Лит.: Тейлор Д., Нейтронное излучение и активационный анализ, пер. с англ., М., 1965; Плаксин И. Н., Старчик Л. П., Ядерно-физические методы контроля вещественного состава. Ядерные реакции и активационный анализ, М., 1966; Кузнецов Р. А., Активационный анализ, М., 1967.

С. С. Бердоносов.

АКТИВАЦИОННЫЙ анализ (радиоактивационный анализ) - метод качественного и количественного элементного анализа вещества, основанный на исследовании радиоактивного излучения нуклидов, образовавшихся под воздействием потока нейтронов, протонов, г-квантов и др.

activation analysis

АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

- метод определения состава вещества, основанный на активации атомных ядер и исследовании радиоакт. излучения, возникающего вследствие изменения нуклонного состава или энергетич. состояния ядер. А. а.- наиб. распространённый ядерно-физ. метод определения состава вещества. Впервые предложен Д. Хевеши (G. Hevesy) и Г. Леви (Levi) (1936). Образец облучается потоком частиц или -квантов (активация). В результате ядерных реакций часть ядер превращается в радиоактивные или возбуждённые. Идентификация элементов и количеств. анализ производятся путём измерения интенсивности и энергии излучений, а также по периоду полураспада радиоакт. ядер. Т. к. в основе А. а. лежат ядерные процессы, то результаты А. а. не зависят от того, в какое хим. соединение входят атомы определяемых элементов, но чувствительны к изменению изотопного состава элементов.

Количеств. определение состава вещества при А. а. основано на том, что при соблюдении нек-рых условий активность образовавшегося радионуклида (аналитич. изотопа) пропорц. кол-ву ядер исходного нуклида определяемого элемента. При пост. плотности потока Ф активирующего излучения и пренебрежимо малом уменьшении числа п ядер определяемого элемента за время облучения активность А радионуклида в момент t после конца облучения равна:

(1)

где - сечение реакции, используемой для образования аналитич. изотопа, - доля исходного изотопа в естеств. смеси изотопов, - постоянная распада аналитич. изотопа, t _обл., - время облучения образца. Отсюда масса анализируемого элемента:

(2)

где М - атомная масса элемента, N_A. - число Авогадро.

Точность анализов, основанных на (2), составляет 20-50%. Более распространённым является относит. метод измерений, при к-ром активность образца А _x сравнивается с активностью эталона А _э, содержащего известное кол-во определяемого элемента и облучённого в идентичных условиях с образцом. Искомая величина т _х находится (точность 1-10%) из соотношения

(3)

А. а. подразделяется по виду активирующего излучения на нейтронно-активац. анализ, гамма-актива ц. анализ, анализ на заряж. частицах (протонах, дейтронах, a-частицах и тяжёлых ионах). Наиболее распространены первые два метода. А. а. на заряж. частицах, в связи с их малыми пробегами в веществе, используется гл. обр. для анализа тонких слоев и при изучении поверхностных явлений (адсорбции и др.).

Широкое распространение нейтронно-активац. анализа обусловлено его высокой чувствительностью, связанной с большим сечением реакции захвата ядрами тепловых нейтронов и наличием мощных источников нейтронов (ядерные реакторы, ускорители и др.). Чувствительность (предел обнаружения) большинства элементов при использовании нейтронных потоков ~ 10¹³ см ^-2c^-1 составляет 10^-5-10^-10 %. Предел обнаружения ~ 10^-4-10^-6 %, достаточный для решения многих задач, может быть получен при использовании ампульных нейтронных источников (калифорниевого, сурьмяно-бериллиевого).

Анализ лёгких элементов, плохо активирующихся тепловыми нейтронами (С, N, О), производится с помощью быстрых нейтронов, получаемых на ускорителях и нейтронных генераторах, а также -излучения.

Для -активационного анализа используется тормозное излучение высокой интенсивности (10¹⁴- 10¹⁵ квант/с), получаемое на электронных ускорителях. Фотоядерные реакции позволяют активировать практически все элементы периодич. системы элементов с пределом обнаружения ~ 10^-4-10^-7%.

Различают т. н. инструментальный А. а., состоящий в измерении активности облучённого образца (без его разрушения) методами ядерной спектрометрии, и более точный А. а. с использованием хим. реакций для отделения аналитич. изотопов от др. ядер, активность к-рых препятствует измерениям. Измерение активности производится с помощью детекторов частно;. Наилучшие результаты дают -спектрометры высокого разрешения с использованием полупроводниковых детекторов, обладающих энергетич. разрешением до неск. десятых долей КэВ (рис.). Для анализа полученных спектров и обработки результатов измерений применяются многоканальные анализаторы, микропроцессоры, ЭВМ, позволяющие в совокупности с автоматич. системой перемещения образцов полностью автоматизировать процесс (см. Автоматизация эксперимента, Ядерная электроника).

Гл. достоинства А. а.: возможность определения малых содержаний элементов в разл. объектах и проведение массовых экспрессных анализов образцов. А. а. применяется для определения примесей в сверхчистых материалах (в реакторостроении и электронной промышленности), содержания микроэлементов в биол. объектах при экологич. и медицинских исследованиях, а также в археологии и криминалистике. А. а. успешно используется также при поиске полезных ископаемых, для контроля технол. процессов и качества выпускаемой продукции.

Лит.: Кузнецов Р. А., Активационный анализ, 2 изд., М., 1974; Тустановский В. Т., Оценка точности и чувствительности активационного анализа, М., 1976; Ваганов П. А., Нейтронно-активационное исследование геохимических ассоциаций редких эпементов, М., 1981.

Ю. С Замятнин.

(радиоактивационный анализ), метод качественного и количественного элементного анализа в-ва, основанный на активации ядер атомов и исследовании образовавшихся радиоактивных изотопов (радионуклидов). В-во облучают ядерными частицами (тепловыми или быстрыми нейтронами, протонами, дейтронами,частицами и т. д.) или квантами. Затем определяют вид, т. е. порядковый номер и массовое число, образовавшихся радионуклидов по их периодам полураспада Т _1/2 и энергиям излучения Е, к-рые табулированы. Поскольку ядерные р-ции, 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 р-ции. При т. наз. абсолютном анализе измеряют активность радионуклида и рассчитывают исходное содержание определяемого элемента по ф-ле:

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 или квантов, облучающих образец, число частиц/см ²*с; -сечение (вероятность) ядерной р-ции, барны (10^-24 см ²);

-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 в-в, к-рые 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. измерение спектров позволяет идентифицировать радионуклиды не только по энергиям испускаемых квантов, но и по T_1/2. Пример инструментального А. а.-нейтронноактивационное определение примесей в Nb. Невысокий уровень активности радионуклидов, образующихся при облучении нейтронами, позволяет измерять спектры 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, ⁶⁰ Со, ⁵⁹Fe. Если в Nb содержание примесей легкоактивирующихся элементов (Си, Na, Та, 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 в-ва, 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), к-рые специально добавляют в р-р. Методы разделения-экстракция, хроматография, дистилляционные методы и др.; они позволяют получать препараты определяемых элементов радиохим. степени чистоты, активность к-рых 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 измерения спектров. Для достижения особенно низких пределов обнаружения выделяют индивидуальные элементы.

Наиб. распространен нейтронно-активационный анализ, в к-ром исследуемое в-во облучают потоком тепловых нейтронов с энергией 0,025 эВ, т. к. сечения ядерных р-ций (и,) в этом случае для большинства элементов на неск. порядков выше сечений др. ядерных р-ций. Поток нейтронов из ядерных реакторов достигает 10¹³-10¹⁵ частиц/см ²*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 нек-рых др. связано со значит. трудностями из-за небольших сечений ядерных р-ций, 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 р-ций на 3-4 порядка меньше, чем при активации тепловыми нейтронами. Однако быстрые нейтроны активируют легкие элементы - О, N, Si, F, Al, Mg и нек-рые др., пределы обнаружения к-рых составляют 10^-3 - 10^-5%.

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

Для определения газообразующих примесей (6, N, С) используют также активацию квантами (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 в-в, геол. объектов и объектов окружающей среды; экспрессный анализ металлов и сплавов в пром-сти; 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. ПД 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. M. Н. Щулепников.

активацио́нный ана́лиз

(радиоактивационный анализ), метод качественного и количественного элементного анализа вещества, основанный на исследовании радиоактивного излучения нуклидов, образовавшихся под воздействием потока нейтронов, протонов, γ-квантов и др.

* * *

АКТИВАЦИО́ННЫЙ АНА́ЛИЗ (радиоактивационный анализ), метод качественного и количественного элементного анализа вещества, основанный на исследовании радиоактивного излучения нуклидов, образовавшихся под воздействием потока нейтронов, протонов, гамма-квантов и др.

то же, что радиоактивационный анализ.

activation analysis

analisi per attivazione

(радиоактивационный анализ), метод качест. и количеств. элементного анализа в-ва, осн. на исследовании радиоактивного излучения нуклидов, образовавшихся под воздействием потока нейтронов, протонов, yгамма) -квантов и др.