Материал: Бушуев Методы и приборы измерений ядерных материалов 2011

Работа 5 Определение концентрации ЯМ в растворах с помощью

рентгено-флюоресцентного анализа (РФА)

Цель работы – изучение метода РФА, широко применяемого на практике для измерений концентрации ядерных материалов в растворах.

Анализ элементного состава образцов по характеристическому рентгеновскому излучению (РФА) относится к неразрушающим методам измерения состава материалов. Анализируемое вещество может находиться в разных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном, в виде порошка, пульпы и т.д. Можно анализировать образцы разных размеров, форм и видов. Можно определять содержание в образце нескольких элементов одновременно, проводить анализ в широком диапазоне концентраций растворов.

Флюоресценция (вторичное излучение атома) происходит вследствие удаления электрона с внутренней оболочки. Атом стремится вернуться в состояние с наибольшей возможной энергией связи, путем заполнения вакансии другим электроном с внешней оболочки. Переход сопровождается испусканием фотона с энергией, равной разности энергий связи на оболочках, между которыми совершается электронный переход:

Еγ= Еf - Еi, (5.1)

где Еi , Еf – начальная и конечная энергии связи электрона, испытавшего переход, Еγ – энергия фотона, испускаемого в результате электронного перехода.

В результате многократных переходов формируется спектр характеристического излучения. Пики в спектре имеют разные амплитуды в соответствии с вероятностями электронных переходов. Энергии переходов практически не зависят от химических связей атомов. Спектры характеристического излучения достаточно просты, что облегчает их анализ.

Фотоэлектрическое поглощение γ-квантов атомами вещества сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Энергия поглощенного кванта затрачивается на освобождение

86

электрона и на передачу ему кинетической энергии. При этом минимальный необходимый расход энергии равен энергии связи электрона в атоме.

Вероятность возбуждения рентгеновского излучения K (или L) серии (w) зависит от разности между энергией квантов источника

возбуждения Е0 и энергией связи электронов на K-оболочке ЕK:

w ~ 1/(Е0 – ЕK)3 (5.2)

Вероятность возбуждения максимальна, когда энергия гаммакванта лишь немного превышает энергию связи электрона. Эффективность возбуждения быстро падает при увеличении разности между энергией связи и энергией возбуждающего излучения.

Для возбуждения характеристического излучения используют подходящие радиоактивные источники или рентгеновские трубки. Преимущество радиоактивных источников заключается в простоте их устройства и стабильности энергии возбуждающего излучения. Спектр возбуждающего излучения должен быть как можно проще. В случае сложного спектра присутствуют "неработающие" высокоэнергетические линии, создающие фон в области пиков измеряемого рентгеновского излучения или даже интерферирующие с ними.

В табл. 5.1 представлена информация об энергии и относительной интенсивности K-серии рентгеновского излучения ЯМ.

Таблица 5.1

Энергии и относительные интенсивности линий рентгеновского излучения K-серии Th, U, Pu

На рис. 5.1 показан спектр рентгеновского излучения образца уранового раствора с концентрацией 45 г/л (источник возбуждения 57Со). В спектре хорошо видны наиболее интенсивные рентгеновские линии Kα1 (94,66 кэВ) и Kα2 (98,44 кэВ).

87

Для успешного проведения РФА очень важен выбор геометрии измерительной системы. Основное значение имеют фотоэлектрические взаимодействия возбуждающего излучения с анализируемым материалом (атомами ЯМ). Обратное комптоновское рассеяние (широкий пик слева от Kα2) может мешать измерениям, создавая значительный фон под рентгеновскими пиками при неправильном выборе геометрии измерений.

Энергия γ-квантов, испытавших комптоновское рассеяние, определяется формулой:

где Е и Е′ – энергии падающего и рассеянного γ-квантов соответственно, φ – угол между рассеянным и падающим γ-квантами.

Энергия Е′ минимальна при φ =180°. Кванты, рассеянные под таким углом, образуют широкий пик обратного рассеяния в измеренном спектре. Для квантов с энергией 122 кэВ, испускаемых 57Со (подходящий источник для РФА урана и плутония), энергия пика обратного рассеяния равна 82,6 кэВ. Если φ=90°, то энергия пика рассеяния Е′ равна 98,5 кэВ, что мешает измерениям K-серии рент-

88

геновского излучения урана и плутония. Поэтому выбирают такое расположение исследуемого образца и источника, чтобы угол φ был максимально близок к 180° для рассеянных квантов, попадающих в детектор, что минимизирует фон в диапазоне измерения Kα- линий.

Конструкция измерительной системы должна обеспечивать максимальную эффективность возбуждения с помощью оптимальной геометрии и компактного расположения источника, образца и детектора. При этом следует выполнять требования радиационной безопасности для участников эксперимента и минимизировать попадание первичного и рассеянного излучений источника в детектор. Чтобы стабилизировать фон измерений, относительное положение источника, образца и детектора, необходимо четко зафиксировать.

Источник 57Со из набора ОСГИ мал и прост в обращении. Его основной недостаток – необходимость периодической замены из-за спада активности (период полураспада 57Со равен 272 дням). Другой недостаток – источник мощностью 1 мКи или больше требует надежной защиты для персонала и детектора. Геометрия измерительной установки, представленная на рис. 5.2, обеспечивает защиту детектора от прямого попадания гамма-квантов от источника возбуждающего излучения 57Со и приемлемый уровень фона от рассеянных квантов.

89