Способ определения содержания редкоземельных элементов

 

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.

.СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК рц g G 01 N 23/223

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

l10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4495551/24-25 (22) 19.10.88 (46) 07. 10.90. Бюл. Р 37 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) Ю. П. Гангрский и Ю. Г. Тетерев (53) 539.1.06(088.8) (56) Вольдсет Р. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. — М.:

Атомиздат, 1977, с. 16-27.

Proceedings of the Third Internal

Conference on PIXE and its Analytical

Applications. — Nuclear Instruments

and Methods 1984, В. 3, р. 181-189, Изобретение относится к ядерно-физическим методам анализа материалов.

Цель изобретения — снижение предела обнаружения.

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

При облучении исследуемьгх образцов ускоренными ионами происходит как непосредственное возбуждение ХРИ атомов вещества образцов, так и кулоновское возбуждение ядер. Кулоновское возбуж=" дение 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 облучаемых элементов показано на чертеже пунктирной линией (1 и 2 — облучение о-частицами с энергией 2 МэВ/нуклон;

ÄÄSUÄÄ 1597704 A1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (57) Изобретение относится к ядернофизическим методам анализа материалов.

Цель изобретения — снижение предела обнаружения. Анализируемую и калибро- вочные 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.

3 и 4 — облучение протонами с энерги- С ей 3,5 МэВ; 5 и 6 -.облучение ионами

Cd с энергией 1 МэВ/нуклон). Кри- ф вые 1, 3 и 5 соответствуют L-серии, а кривые 2, 4 и 6 — К-серии.

Из чертежа видно, что сечение не- Q3 посредственного возбуждения ХРИ -ce- Я, 1 рии быстро убывает с ростом Z, и при Д

Z >50 его регистрация становится трудной из-за малой интенсивности излучения, сравнимой с естественным фоном детектора. Поэтому для аналитических целей используют регистрацию ХРИ L-ceрии редкоземельных элементов (РЗЭ).

Но излучение L-серии, по сравнению с

К-серией обладает значительно меньшей,3 Ь энергией излучения. й, На чертеже кружками также показано сечение возбуждения ХРИ К-серии ионами 4 Са с энергией 1 МэВ/нуклон с уче том кулоновского возбуждения. На чертеже видно, что в области редкоземель.1597704 (1) ЗО

В(Е2) ЕЕ (ф), где E

В (Е2) Е2

12,65 ных элементов имеет место значительное возрастание сечения возбуждения. Оно становится сравнимым с сечением возбуждения легкими ионами ХРИ L-серии, т.е. при облучении анализируемых об- . разцов тяжелыми ионами интенсивность излучения К-серии редкоземельных элементов сравнима с интенсивностью излучения L-серии при облучении образ10 цов легкими ионами, а мешающий фон на несколько порядков ниже.

Такое значительное возрастание сечения возбуждения РЗЭ за счет кулоновского возбуждения связано со спе 15 цифическими свойствамн, присущими деформированным ядрам. Основная доля кучоновского возбужде(шя при взаимодействии ионов, имеющих заряд ядра

Z и атомную массу Л,, с ядрамн мишени Z, и А, приходится на квадру-польное 3JIpKтриче (.о. возбуждение перехода Е2. Сечение экого процесса описывается формулой — энергия иона, МэВ/нуклон» приведенная веРоятность 35 ядерного перехода, безразмерная функция, убывающая с ростом ф, безразмерная переменная, вычисление которой для тяжелых ионов может быть проведено по формуле (А +А) i 45

2, Z 4Е

А, А з (2) где dE - энергия возбуждения.

Сечение кулоновского возбуждения для большинства существующих в природе ядер не превьппает сечения непосредственного возбуждения ХРИ, которое м возникает в результате ионизаций, вьг зываемых бомбардирующими частицами.

Только для сильно деформированных

55 ядер, для которых велика приведенная вероятность ядерного перехода В (Е2) и низки уровни возбуждения dE, в результате чего функция f (() в указан-" ном выше диапазоне энергий близка к единице, сечение кулоновского возбуждения (1) на один-два порядка превьг шает сечение непосредственного возбуждения. Именно такими сильно деформи- рованными ядрами являются большинс:во

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: Ьа, Се, Pr, Nd. Величины В (F2) для этих элементов имеют, по сравнению с другими РЗЭ, весьма малые значения. Большую величину В (Е2) имеет изотоп Мо, 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 Еа для иона в лабораторной системе координат может .быть рассчитан по формуле

Е 0,96 - - ††(МэВ/нукZ Z А. +А

А / А где А, и Z — соответственно атомная масса и атомный номер элемента, для которого рассчитывают кулоновский барьер.

Например, при использовании для

И облучения ионов Са кулоновский барьер для взаимодействия с ядрами кислорода Е = 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.

5 1597704 б

При облучении образцов ионами с нии К другие сопутствующие малоин 1 энергией ниже кулоновского барьера тенсивные линии, создает мешающий источниками фона при регистрации ХРИ фон в той области энергий, в которую являются только тормозное излучение попадает ХРИ элементов с Z = Z, + 5, и естественное космическое. т.е. ионы с Е „ Z — 5 создают фон в

Отношение эффект/фон при облуче- аналитической области РЗЭ, что привонии ионами исследуемого вещества с дит к повышению предела обнаружения. атомной массой А, и атомным номером Из анализа (4) следует, что для

Z, может быть записано в виде проведения анализов РЗЭ энергия Е бомбардируемых ионов должна выбираться из условия

ЕЯ

3,934 10 к т ных реакции. где Е энергия фотона. О УчитываЯ, что в Реальных УсловиЯх озного излу

Z и изменяются в при прохождении бомбардирую- А1 щего иона через вещество; довольно узких пределах, можно чисE1 — дипольный электрический пере- ленно оценить диапазон энергий в коо gногo Hg1 y eHия р5 ором ионы мо У бы ь использованы

H „,„, BblpaKeHHH,„„„,, „„ „„ ДЛя проведения анализов Ы ибыт е еличения отношения эффект/фон необ- роят ые значения указанных параИЬтров ходимо, чтобы отношение Z,/А, бомбардирующего иона быпо наиболее близким Z 60 Ф E О, 1 М1эВ. к отношению 42 /А2 для матрицы иссле- 3О дуемого вещества.

Подставив эти значения в (5), полуПри сложном составе матрицы исслечают дуемого вещества отношение Z /А долж1 1 0 7(Е (Но быть 6JIH3KHM K эффективному значе КЭВ/нуклон, нию отношения Zg /А2

При неизвестном составе матрицы 35 Способ бып реализован при определеэффективное значение Z /А может быть найдено экспериментальным путем, ва- Основными составными элементами рьируя сорта ионов, используемых для матрицы исследуемого вещества являютоблучения. При соответствующем выборе 4О ся углерод и кислород, имеющие отно.ВТоМНоН массе бомбардирующего иона можно достичь, шение заряда ядра Z к атомн что величина †" — - - ) будет . 10 .

/ 1 Е 2 А авное 0 5 Дл р ное 0,5. Для возбуждения харакА, A2 теристического рентгеновского излучеУсловию близости отношения Х,/А, . ния РЗЭ исследуемое вещество облучают к 42 /А могут удовлетворить большое . ао число различньгх ионов. Из их числа

45 ионами Са отношени

t ие заряда ядра Z> для проведения облучений надо исполь- которых к атомной массе А также рав1 зовать ионы с максимальной величиной но 0,5. Эти ионы имеют наибольшее

А1, так как при взаимодействии с эти- значение атомной массы А, из всех доми ионами сечение кулоновского воз- 50 ступных ионов, имеющих указанное отбуждения будет наибольшим (формула 1), ношение.

Это дает возможность повысить эффект Ионы кальция ускоряют на циклотропо отношению к естественному косми- не до энергии 1,5 МэВ/нуклон. Для расческому фону и снизить таким образом чета нижней границы диапазона в качепредел обнаружения. стве Z и А используют наибольшие

В то же время из-эа собственного значения из возможных, соответственХРИ нельзя для облучения использовать но Равных 71 к 176. Используют такионы с Z,> Z — 5. Собственное ХРИ же наибольшее значение из нижних ионов, имеющее кроме интенсивной ли- ЯДерных Уровнеи

34 1 — з (A< + Ag) — пороговая энергия для ядер(4) 1597704 вакуумные окна толщиной 50-100 мкм.

Это позволяет располагать детектор ХРИ вне вакуумной камеры и для повышения эффективности регистрации сразу за мишенью.

Фон от 3 -квантов, которые-также испускаются при снятии возбуждения ядерных уровней, пренебрежимо мал так

° ) как в случае РЗЭ основная доля возбужденных уровней высвечивается путем испускания конверсионных электронов.

Формула изобретения

1. Способ определения содержания резкоземельных элементов, включающий облучение анализируемой и калибровоч"ных проб ускоренными ионами и регистрацию характеристического.рентгеновского излучения определяемых элементов отличающийся тем, что, с целью снижения предела обнаружения, 1 заряд, атомную массу и энергию ионов выбирают из условия осуществления кулоновского возбуждения ядерных уровней определяемых элементов, а регистрируют излучение К-серии определяемых элементов.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а— ю шийся тем, что для осуществления кулоновского возбуждения заряд ядА ра ионов Z „ „и наибольшее значение атомной массы А выбирают из условия, 1 что Z,/A „наиболее близко к отношению

Zz /Az, где Zz и А - соответственно эффективные значения заряда ядра и атомной массы для матрицы анализируемой пробы, а Е „ < Е, — 5, где Е, — наименьшее значение из зарядов ядер определяемых элементов, при этом энергию ионов Е (МэВ/нуклон) выбирают из диапазона

Эле

4 10 4p

5. 10

16,2

33,5

Се

4 10

21,2

1 10

5 ° 10 3

2,9

3 5

0,34(— - . (А + А )аЕ) / сЦ <К

Z f

5 10

2,7

6 ° 10

8 10 50 где ВЕ2,1

1,2

Е

А

В результате расчета получают нижнюю границу диапазона, равную 1 МэВ/нуклон. Верхняя граница определяется наименьшей величиной кулоновского ба5 рьера для взаимодействия ионов кальция с углеродом и кислородом. Рассчитанная величина составляет 2,18 МэВ/нуклон. Заведомо выполняют условие Z (c . Z — 5. Мишень из исследуемого ка- 1р менного 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 Al толщиной

70 мкм. После нанесения смеси подложка выдерживается при 240 С до полного

o обугливания клея. Толщина нанесенного слоя угля составляет примерно 6мг/см2, диаметр пятна нанесенного слоя 34 мм.

Для уменьшения тепловой нагрузки и повышения представительности анализа пучок ионов расфокусирован по всей площади мишени. При испытании набран 25 интегральный поток ионов на мишени равный 3 ..10 ионов.

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

Результаты измерения содержаний

РЗЭ и достигнутые пределы обнаружения приведены в таблице.

35 ержание, г/т Предел обнаружения, г/т

По сравнению с прототипом, предлагаемый способ обеспечивает снижение предела 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 энергия возбуждения ядерного уровня определяемого элемента; кулоновский барьер для взаимодействия ионов с любыми макроэлементами, содержащимися в исследуемом веществе; атомная масса определяемого элемента.

159 7704

10 га

Составитель А. Колесников

Редактор А. Шандор Техред Л.Олийнык Корректор Т. Малец

Заказ 3048 Тираж 495 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/S

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101