Атомный отпечаток: нейтронно-активационный анализ

Бернард Кейш

CONTENTS

INTRODUCTION 4

WHAT IS NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS? 5

THE SENSITIVITY OF NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS 10

HOW AND WHERE TO USE IT 19

In a Physics Laboratory 19

In a Hospital 28

In a Plastics Plant 32

In a Museum 35

In a Criminology Laboratory 42

SUMMING UP: WHAT LIES AHEAD 46

APPENDIX 49

READING LIST 52

MOTION PICTURES 54

Управление энергетических исследований и разработок США, Отдел по связям с общественностью, Вашингтон, округ Колумбия, 20545

Номер в каталоге Библиотеки Конгресса: 79-182556, 1972

Управление энергетических исследований и разработок США публикует серию брошюр для широкой общественности.

Пожалуйста, обращайтесь по следующему адресу для получения списка изданий или информации по конкретной теме:

USERDA — Центр технической информации

А/я 62

Ок-Ридж, Теннесси 37830

Фотография XIX века, восстановленная с помощью нейтронно-активационного анализа. Этот снимок, находящийся в коллекции Смитсоновского института, был подвергнут воздействию нейтронов в ядерном реакторе, а затем приведен в контакт с современной фотопленкой. Оригинал, сделанный Уильямом Генри Фоксом Тальботом, начавшим свою карьеру в 1834 году, сильно выцвел.

ВВЕДЕНИЕ

Вы — физик, исследующий свойства полупроводников, материалов, используемых для изготовления транзисторов. Электрические свойства одного образца не совсем соответствуют другим, которые вы изучали. Что делает этот образец особенным?

ИЛИ

Вы — врач, лечащий пациента, который из-за острого дефицита кальция страдает остеопорозом (размягчением костей). Правильно ли вы выбрали курс лечения?

ИЛИ

Вы — химик-аналитик, работающий на заводе по производству пластмасс. Начальник цеха попросил вас выяснить, почему часть пластика, выпускаемого заводом, имеет постороннюю окраску.

ИЛИ

Вы — куратор, работающий с коллекцией древних монет в крупном музее. Даритель только что передал музею 50 золотых монет, предположительно возрастом около 1500 лет. Подлинные ли они?

ИЛИ

Вы — ученый, работающий в криминалистической лаборатории крупного мегаполиса. Детектив приносит вам крошечный образец краски, взятый с одежды жертвы наезда автомобиля. У него есть подозреваемый, краска автомобиля которого, по-видимому, совпадает с этим образцом. Можете ли вы определить его виновность или невиновность?

Нейтронно-активационный анализ может быть использован для решения каждой из этих задач и многих других. Решения этих конкретных проблем объясняются на страницах 19–46.

Атомный отпечаток: нейтронно-активационный анализ, Бернард Кейш

ЧТО ТАКОЕ НЕЙТРОННО-АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ?

Чтобы понять нейтронно-активационный анализ, вам следует ознакомиться с несколькими основными понятиями. Атомные ядра стабильны только тогда, когда они содержат определенное количество нейтронов и протонов. Количество протонов в ядре атома определяет принадлежность к химическому элементу; количество нейтронов обычно определяет, является ли этот атом радиоактивным или нерадиоактивным (стабильным).

Таким образом, хотя все атомы натрия содержат 11 протонов, стабильны только те атомы натрия, которые содержат 12 нейтронов. Радиоактивный атом натрия содержит другое количество нейтронов. Для других элементов может существовать более одного количества нейтронов, обеспечивающего стабильность; например, существует 10 стабильных атомов (изотопов) олова, каждый из которых содержит разное количество нейтронов в своих ядрах.

Тот факт, что ядра могут поглощать дополнительные нейтроны, что во многих случаях приводит к превращению стабильного ядра в радиоактивное, делает нейтронно-активационный анализ возможным. Поскольку радиоактивные ядра распадаются уникальными способами и испускают излучения, которые часто являются специфическими и могут быть измерены даже в очень малых количествах, измерения этих излучений позволяют определить тип и количество присутствующих радиоактивных атомов.

При наиболее распространенном типе активационного анализа бомбардировка образца нейтронами осуществляется в ядерном реакторе, где нейтроны, ударяющие по целевым атомам, замедлены, поэтому обладают очень малой энергией движения. В этом случае обычная реакция между целевыми атомами и нейтроном приводит к захвату нейтрона, что создает ядро с атомной массой на одну единицу больше, чем было изначально. Таким образом, для натрия, встречающегося в природе (символ ²³Na):

натрий-23 + нейтрон → радиоактивный натрий-24 + гамма-лучи

Цифры обозначают атомную массу атома, которая является общим количеством протонов и нейтронов в его ядре.

В ядерном реакторе имеется огромное количество нейтронов, которые могут быть использованы в этой реакции; примерно от 10¹² до 10¹⁴ (10¹² — это миллион миллионов; 10¹⁴ — это в сто раз больше 10¹²) проходят через каждый квадратный сантиметр площади мишени каждую секунду. Не все они ударят по ядрам атомов натрия. Из тех, что ударят, не все будут захвачены. Математическая зависимость, показывающая, сколько атомов натрия-24 будет создано в кубическом сантиметре мишени за одну секунду, выглядит так:

N₂₄ = N₂₃φσt

где N₂₄ — количество атомов натрия-24, создаваемых каждую секунду в кубическом сантиметре мишени; N₂₃ — количество атомов натрия-23 в кубическом сантиметре мишени; φ — количество нейтронов, проходящих через квадратный сантиметр в секунду (называемое потоком нейтронов); t — время в секундах, в течение которого мишень находится в реакторе; а σ — число, представляющее вероятность того, что произойдет превращение натрия-23 в натрий-24. Это последнее число называется «сечением взаимодействия» и выражается в «барнах». Один барн равен 10⁻²⁴ квадратного сантиметра, что примерно соответствует площади поперечного сечения типичного атомного ядра.

В эксперименте по активационному анализу аналитик хочет определить количество целевых атомов (N₂₃ в приведенном выше примере). Он может измерить, как долго мишень находилась в ядерном реакторе; существуют способы измерения потока нейтронов φ; а сечение взаимодействия является фиксированным и, как правило, известным для каждого целевого ядра. Таким образом, измеряя количество созданных радиоактивных атомов (N₂₄), он может вычислить количество целевых атомов. См. рисунок на следующих двух страницах.

На самом деле, для получения наиболее точных результатов существуют определенные практические приемы, которые повышают точность. Некоторые из них станут понятны в последующих разделах этой брошюры.

Самым важным из этих «приемов» является использование «стандарта» или «компаратора». Этот компаратор по форме и составу похож на измеряемый образец, но содержит известное количество определяемого элемента. Этапы анализа просты.

1. Поместите образец и компаратор вместе в реактор и подвергните их бомбардировке нейтронами.

2. Извлеките их и измерьте радиоактивность, возникшую в образце.

3. Сравните радиоактивность образца и компаратора и рассчитайте количество элемента в образце как пропорцию:

Radioactivity in sample

Radioactivity in comparator

=

Quantity of element in sample

Quantity of element in comparator

Нейтронно-активационный анализ: обнаружение натрия в образце пластика

Шаг 1. Взвесьте образец и стандарт в кварцевых трубках.

Шаг 2. Запечатайте трубки в упаковку для облучения в реакторе.

Шаг 3. Бомбардируйте нейтронами около 3 часов в реакторе.

Шаг 4. Извлеките образец и стандарт из трубок и поместите в отдельные пластиковые контейнеры для измерения гамма-лучей.

Шаг 5. Получите гамма-спектр для натрия-24 как в образце, так и в стандарте.

Шаг 6. Используйте стандарт для расчета количества гамма-лучей энергией 1,37 МэВ, зарегистрированных в минуту на грамм натрия (имп/мин/г Na).

c/m/gNa =

counts/minute measured in 1.37 peak (shaded area above)

grams of sodium known to be in standard (step 1.)

Шаг 7. Используйте значение имп/мин/г Na и количество гамма-лучей энергией 1,37 МэВ, зарегистрированных в минуту в образце, для расчета граммов натрия в образце.

grams Na in sample =

counts/minute measured in sample

c/m/gNa (step 6.)

Шаг 8. Рассчитайте процентное содержание натрия в образце.

% sodium =

grams sodium in sample (step 7.)

weight of sample (step 1.)

× 100

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ НЕЙТРОННО-АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА

Существует несколько факторов, определяющих чувствительность метода. Некоторые из них варьируются в определенных пределах, а некоторые, такие как сечение взаимодействия, являются фиксированными. Время варьируется в определенной степени, частично определяясь периодом полураспада созданного нуклида, а верхний практический предел определяется тем, как долго мы готовы ждать результатов анализа.

Ключевым этапом аналитической процедуры является измерение количества созданных радиоактивных атомов.

1. Как измерить, сколько радиоактивных атомов присутствует?

2. Поскольку в мишени обычно присутствует смесь элементов, и многие из них станут радиоактивными, как отличить один от другого?

3. Поскольку радиоактивные атомы постоянно «исчезают» в результате радиоактивного распада, как получить количество созданных атомов по измерению, сделанному спустя некоторое время после бомбардировки? И что делать с теми атомами, которые распадаются, пока другие еще создаются в реакторе?

Радиоактивные атомы почти всегда распадаются с испусканием отрицательно заряженных бета-частиц, обычно сопровождаемых гамма-лучами. Приборы могут обнаруживать эти виды излучения, и именно путем измерения излучения мы определяем, сколько радиоактивных атомов присутствует. Для этого мы должны знать типы излучения, испускаемого радиоактивными атомами, которые мы пытаемся измерить. К счастью, каждый вид радиоактивного атома распадается по уникальной «схеме», которую ученые называют «схемой распада». На рисунке на следующей странице показана упрощенная схема распада марганца-56, который образуется при активации марганца, и диаграмма, поясняющая, что означает эта схема распада.

Еще несколько лет назад было трудно измерить количество гамма-лучей определенной энергии, испускаемых смесью радиоактивных изотопов, если только таких гамма-лучей было немного и они имели сильно различающиеся энергии. Сегодня доступны приборы, которые действительно могут выделить их из сложной смеси. Таким образом, обычно возможно «отделить» с помощью электронных приборов тот радиоактивный элемент, который нас интересует. Некоторые из приведенных ниже примеров покажут, как это может быть достигнуто.

Каждый радиоактивный нуклид также имеет характерный период полураспада, который является мерой того, как быстро радиоактивные атомы превращаются в атомы другого элемента. В реакторе, даже в процессе их образования в мишени, атомы радиоактивного нуклида распадаются с характерным для этого нуклида периодом полураспада. Математические законы, управляющие этим процессом, говорят нам, что количество атомов определяет величину распада; то есть, чем больше атомов, тем больше величина распада за данный период времени. (Доля, которая распадается за это время, постоянна.) В результате мишень в конечном итоге становится «насыщенной», то есть скорость образования становится равной скорости распада. Когда облучение только начинается, количество радиоактивных атомов неуклонно растет. Но в конечном итоге эта скорость роста замедляется, пока при насыщении дальнейшее облучение уже не увеличивает количество радиоактивных атомов, присутствующих в мишени.

Диаграмма энергетических уровней. Наклонные стрелки указывают на радиоактивный распад путем испускания бета-частиц. В каждом случае марганец-56 распадается до определенного энергетического уровня железа-56. Справа указана энергия каждого уровня. После бета-излучения в высокоэнергетическое (возбужденное) состояние железа-56 испускается один или несколько гамма-лучей, пока ядро не перейдет в состояние с нулевым уровнем энергии. Вертикальные стрелки указывают на гамма-лучи, испускаемые в процессе девозбуждения. Энергия каждого гамма-луча — это разница между уровнями, участвующими в переходе. Цифры над вертикальными стрелками указывают относительные пропорции гамма-лучей разных энергий, испускаемых с этого уровня.

Математическая зависимость, точно описывающая процесс облучения, выглядит так:

A₀ = Nφσ (1 - e⁻λt)

где A₀ — возникшая радиоактивность (распадов на кубический сантиметр в секунду); N — количество целевых атомов на кубический сантиметр в образце; φ — поток нейтронов (нейтронов на квадратный сантиметр в секунду); σ — сечение взаимодействия для реакции (квадратные сантиметры); λ — постоянная распада для созданных радиоактивных атомов (число в секунду); число «e» — основание натуральных логарифмов; а t — время облучения в секундах. Заметьте, что для короткого времени облучения (t очень мало) выражение 1-e⁻λt приближается к λt, тогда как для длительного облучения (t очень велико) 1-e⁻λt приближается к 1.

Это резюмирует то, что показывает схема распада или диаграмма энергетических уровней в терминах относительных количеств бета- и гамма-излучения, испускаемых при распаде марганца-56. Таким образом, можно наблюдать более чем в три раза больше гамма-лучей с энергией 0,847 МэВ, чем с энергией 1,811 МэВ и т. д. Заметьте, что хотя при распаде одного атома марганца-56 испускается одна и только одна бета-частица, иногда при одном распаде могут испускаться два гамма-кванта.

Конечно, когда мишень извлекается из реактора, количество радиоактивных атомов начинает уменьшаться в соответствии с характерным периодом полураспада нуклида. Математическое выражение, описывающее процесс радиоактивного распада одного нуклида, выглядит так:

At = A₀e-λt

где Aₜ — радиоактивность изотопа в момент времени t после окончания облучения, а A₀ — радиоактивность в конце облучения.

Активация натрия-23 в натрий-24, который имеет период полураспада 15 часов. Горизонтальная линия, отмеченная 1.0, представляет уровень активности «насыщения» для образца натрия определенного размера в постоянном потоке нейтронов. Заметьте, что примерно через 120 часов активность образца находится в пределах 1% от значения при насыщении, что является максимальной активностью, которую этот образец когда-либо достигнет при данном φ. Заметьте также, что через первые 15 часов (1 период полураспада) образец находится ровно на полпути к своему значению при насыщении. Таким образом, длительное облучение полезно для повышения чувствительности анализа, но только до определенного момента.

Результатом всего этого является то, что чувствительность анализа на практике зависит от ряда как практических, так и теоретических факторов:

1. The cross section of the target element.

2. The half-life of the radioactive isotope produced.

3. The time available for irradiation.

4. The flux of neutrons available for irradiation.

5. The promptness with which we can begin measuring radioactivity and the efficiency of this measurement.

6. Possible interferences due to the presence of elements yielding the same radioactive elements or those yielding very similar radiations.

В следующем разделе этой брошюры приведено несколько примеров, которые покажут вам, как все это работает на практике. Но чтобы резюмировать, что означают эти факторы с точки зрения чувствительности, давайте посмотрим на таблицу на рисунке на странице 18. Здесь все элементы расположены в периодической таблице. Чувствительность заштрихована в закодированных диапазонах, представляющих измеримые количества. Они рассчитаны исходя из того, что нет никаких помех, поток нейтронов составляет 10¹⁴ нейтронов на квадратный сантиметр в секунду, и мы можем без особого труда измерить 100 гамма-лучей в минуту при условии эффективности гамма-детектора 10%. Элементы, помеченные β, дают радиоизотопы, которые испускают мало гамма-лучей или не испускают их вовсе, и могут быть проанализированы только путем нейтронной активации с использованием соответствующих процедур химического разделения с последующими измерениями бета-радиоактивности. Такие процедуры химического разделения (для удаления нежелательных радиоактивных изотопов других элементов) также иногда полезны для повышения чувствительности анализа гамма-излучателей, если это необходимо.

Кривая радиоактивного распада натрия-24. Вертикальная шкала не линейная, а логарифмическая. Таким образом, каждый коэффициент два в радиоактивности занимает одинаковое расстояние вдоль вертикальной оси. Когда два образца анализируются на натрий методом активационного анализа, их необходимо сравнивать в одно и то же время после того, как они были извлечены из потока нейтронов. Если этот период времени различается, то к одному из них необходимо применить поправку, основанную на показанной здесь кривой распада, чтобы учесть разницу во времени распада для них обоих. Слишком долгое ожидание после завершения облучения приводит к значительно более низкой чувствительности анализа в зависимости от периода полураспада продукта активации. В данном случае через 2 дня потребуется примерно в десять раз больше натрия, чтобы получить ту же радиоактивность, что была бы, если бы образец измерялся сразу после извлечения из реактора.

Непрактично определять несколько элементов, показанных черными квадратами, с помощью активационного анализа. Некоторые другие, такие как кислород и азот (помеченные HE), могут быть измерены с использованием других снарядов, таких как быстрые (более энергичные) нейтроны, или протоны, или дейтроны, полученные в устройстве, называемом ускорителем. Другие элементы, показанные белыми квадратами, могут быть обнаружены с такой высокой чувствительностью, что их можно найти почти во всем. Например, если бы у вас был куб «чистого» алюминия со стороной всего 1 миллиметр, вы могли бы обнаружить в нем золото, даже если бы на каждые пятьдесят миллиардов атомов алюминия приходился всего один атом золота.

Хотя нечасто возникает необходимость искать золотую иглу в стоге сена из алюминия, в следующем разделе представлены некоторые практические применения. Представьте себя человеком, столкнувшимся с проблемой в этих ситуациях.

* Торий (Th) и уран (U) радиоактивны, но имеют такие длительные периоды полураспада, что нейтронно-активационный анализ может быть использован для их определения.

† мкг = микрограмм (одна миллионная часть грамма)

КАК И ГДЕ ЭТО ИСПОЛЬЗОВАТЬ

В физической лаборатории

Проблема

Вы — физик, исследующий свойства полупроводников, материалов, используемых для изготовления транзисторов. Когда вы подаете напряжение на один образец кремния (полупроводника), он ведет себя не совсем так, как другие, которые вы изучали. Электрические свойства этого странного образца необычны и интересны, и могут привести к созданию нового типа транзистора. Что делает этот образец отличным от других? Очень малые количества примесей могут вызвать большие изменения в электрических свойствах полупроводников. Вы хотели бы получить химический анализ материала, но ваши коллеги-химики говорят вам, что им пришлось бы растворить значительную часть вашего образца для его анализа, а вы не хотите этого делать. Как вам поступить?

Решение

Вы решаете попробовать нейтронно-активационный анализ. Вы понимаете, что не сможете обнаружить все элементы, но многие из тех, которые могут повлиять на работу полупроводника, можно обнаружить довольно легко.

Что вам понадобится? Источник нейтронов для активации материала и гамма-спектрометр для последующего измерения излучения от материала. Этот спектрометр обнаруживает и измеряет гамма-лучи и сортирует их по энергии. Вы обнаруживаете, что у вашего коллеги в соседней лаборатории, который является ядерным физиком, есть гамма-спектрометр, включающий литий-дрейфовый германиевый кристалл в качестве детектора и амплитудный анализатор импульсов. Германиевый детектор — это устройство, которое улавливает входящие в него гамма-лучи и выдает электрические сигналы, связанные с энергией гамма-лучей. Он был изобретен всего несколько лет назад и обладает очень высоким разрешением. То есть он может легко «выделить» гамма-лучи, которые лишь незначительно различаются по энергии. Например, для гамма-лучей с энергией около 1 МэВ (миллион электрон-вольт) нетрудно различить гамма-лучи, которые отличаются всего на 2 или 3 десятых процента. Амплитудный анализатор импульсов — это электронное устройство, которое сортирует электрические импульсы от детектора в соответствии с их энергией.

Литий-дрейфовый германиевый гамма-детектор. Большой контейнер — это резервуар с жидким азотом, который поддерживает охлаждение детектора до температуры -196° по Цельсию (321 градус ниже нуля по Фаренгейту). Свинцовая кирпичная защита не пропускает большинство гамма-лучей, исходящих от естественно радиоактивных материалов в помещении. Пластиковые пазы удерживают карточки, на которых закреплены образцы для счета. Иногда детектор располагается вертикально, а образцы помещаются на полки над ним.

А как насчет нейтронов для облучения? Хотя в вашем городе нет подходящего ядерного реактора, он есть в университете, до которого всего час лету на самолете. Поскольку доставка образца к счетчику после облучения может занять несколько часов, вы не сможете искать короткоживущие продукты активации, то есть те, у которых период полураспада составляет до часа. Однако это исключит из обнаружения лишь несколько элементов.

Амплитудный анализатор импульсов, используемый для гамма-спектрометрии. Гамма-спектр отображается на экране телевизора. Данные автоматически распечатываются на электрической пишущей машинке, а также могут быть построены в виде графика на бумаге слева. В других системах данные могут быть закодированы на перфорированную бумажную ленту. Такая лента может быть «прочитана» компьютером, который можно запрограммировать на использование данных для расчета того, какие радиоактивные изотопы присутствуют и в каких количествах.

Теперь вы готовы начать анализ. Это будет качественный анализ, так как вы просто ищете значительно отличающийся элемент в этом кремниевом кристалле. Сколько его присутствует — представляет лишь вторичный интерес. Поэтому, если вы найдете что-то необычное, вы будете полагаться на приблизительный расчет, чтобы сказать вам, «сколько».

Это называется «бассейновым» реактором, потому что ядерное топливо, встроенное в металлические стержни, удерживается в каркасе на дне глубокого бассейна с водой. Вода служит защитой, оберегающей работников от радиации, а также помогает реактору «работать», замедляя нейтроны, чтобы сделать их более склонными к взаимодействию с целевыми атомами. «Бассейновые» реакторы часто используются для нейтронно-активационного анализа и обычно обеспечивают потоки нейтронов более 10¹³ (10 миллионов миллионов) нейтронов на квадратный сантиметр в секунду.

Эти герметичные кварцевые капсулы содержат образцы для облучения в ядерном реакторе. Они вот-вот будут помещены в алюминиевую банку, которая будет запечатана и установлена на конце алюминиевого шеста, близко к активной зоне «бассейнового» реактора. Часто образцы помещают в пластиковые трубки и доставляют в реактор и обратно с помощью давления воздуха в пневматической транспортной системе.

Вы осторожно соскабливаете небольшое количество материала, взвешиваете его на чувствительных весах и помещаете в короткий отрезок чистой кварцевой трубки. Вы делаете то же самое с обычным куском кремния для сравнения, а затем запечатываете обе трубки с помощью кислородно-газовой горелки. Хотя обе трубки имеют диаметр ¼ дюйма и длину около 1 дюйма, первая трубка чуть длиннее, поэтому вы сможете определить, где какая, после облучения.

Затем она отправляется в реактор в тщательно упакованном пакете вместе с инструкциями облучать трубки в течение 12 часов в потоке нейтронов около 10¹³ нейтронов на квадратный сантиметр в секунду и вернуть их как можно быстрее после извлечения из реактора.

На следующей неделе образцы доставляются примерно через 4 часа после того, как их извлекли из реактора. Работая быстро, но осторожно, вы отмечаете, что они радиоактивны, но с ними легко обращаться с помощью обычных лабораторных методов. Вы разбиваете кварцевые трубки по одной и прикрепляете каждый из двух кусков кремния к карточке с помощью самоклеящейся ленты. Затем вы помещаете каждую карточку по очереди на держатель рядом с гамма-детектором на 10 минут. Спектр, который представляет собой график количества излучения, зарегистрированного в каждом приращении энергии в наблюдаемом диапазоне для каждого из образцов, строится автоматически в конце периода счета, и теперь вы можете сравнить составы двух образцов. (См. рисунок на следующих двух страницах.)

Два спектра практически идентичны, за исключением того, что в подозрительном образце есть один явно отличающийся пик в канале 157 и несколько меньший пик в канале 183. Обратившись к кривой калибровки энергии для амплитудного анализатора импульсов, вы обнаруживаете, что эти каналы соответствуют 0,559 и 0,657 МэВ соответственно. Поиск в таблице нуклидов, упорядоченной по энергии гамма-лучей, показывает, что эта комбинация испускается мышьяком-76, который был бы продуктом активации для мышьяка. Другие данные также указывают на то, что для мышьяка должно быть несколько меньших пиков, включая те, что соответствуют энергиям 1,216, 1,228, 0,624 и 1,441 МэВ. Более внимательный взгляд на спектр подозрительного образца показывает, что они также присутствуют.

Наконец, отметив, что период полураспада мышьяка-76 составляет примерно 27 часов, вы ждете день и снова считаете образец в том же положении, что и при предыдущем счете. Уменьшение высоты пиков 0,559 и 0,657 МэВ чуть менее чем вдвое за 24 часа подтверждает, что мышьяк является необычным элементом в этом образце. Возможно, это не единственная примесь, вызывающая странное поведение этого полупроводника, но она кажется вероятным кандидатом.

Гамма-спектр, полученный после активации образца «чистого» кремния, имеющего «обычные» свойства для этого типа полупроводника. Указаны лишь очень малые количества различных следовых примесей.

Гамма-спектр, полученный после активации образца кремния, имеющего «необычные» электрические свойства. Хотя большая часть спектра идентична спектру, полученному от обычного материала, есть интересное отличие.

Используя уравнение, приведенное на странице 12, приблизительные известные значения периода полураспада, веса образца, потока нейтронов, периодов облучения и распада после облучения, а также оценочное значение количества атомов мышьяка-76, измеренное гамма-спектрометром, вы рассчитываете, что содержание мышьяка в образце составляет примерно 44 части на миллион (ppm). (См. приложение.)

Имея эту информацию в качестве отправной точки, вы теперь готовы приступить к дальнейшим исследованиям свойств вашего полупроводника, например, если вы удвоите концентрацию мышьяка, как это повлияет на его свойства?

В больнице

Проблема

Вы — врач, лечащий пациента, который из-за острого дефицита кальция страдает остеопорозом (размягчением костей). Вы думаете, что выбрали правильный курс лечения, но хотели бы быть уверены, чтобы знать, следует ли продолжать лечение или попробовать что-то другое. Вы получили бы ответ, если бы знали, что содержание кальция в его скелете перестало уменьшаться. Как определить количество кальция в живом человеке?

Решение

Вы знаете, что обычные методы определения кальция в костях не очень полезны. Они либо слишком неточны, чтобы показать, что потеря кальция у вашего пациента остановлена, либо могут быть использованы только для измерения содержания кальция в костях его конечностей. Последнее неудовлетворительно, потому что эти несколько костей могут не быть репрезентативными для остальной части его скелета.

Однако недавно появились сообщения о нейтронно-активационном анализе целого человека, при котором содержание кальция в его костях измерялось с необычайно высокой надежностью. Это было достигнуто учеными и врачами, работающими в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сиэтле.

Вам удается записать пациента на прием, и вы сопровождаете его в больницу для анализа. Там его помещают на вращающуюся платформу, его голова окружена пластиковым шлемом, а руки и ноги погружены в заполненный водой пластиковый контейнер. См. фотографию на следующей странице. Платформа расположена в пучке нейтронов, исходящих от бериллиевой мишени на расстоянии 15 футов, которая бомбардируется дейтронами из 22-МэВ циклотрона. Цель воды — окружить кости в этой части скелета субъекта нейтронным модератором, эквивалентным тканям тела, окружающим остальную часть его скелета. (Нейтронный модератор замедляет нейтроны и, таким образом, делает их более склонными к активации кальция в костях.) По обе стороны от пациента находятся два пластиковых контейнера, постоянно заполненных раствором, содержащим известное количество кальция. Они служат стандартами для анализа.

Пучок нейтронов включается на 35–40 секунд. Затем он прерывается, пока платформа и пациент поворачиваются на 180 градусов. Облучение возобновляется, так что равномерная доза нейтронов бомбардирует пациента как спереди, так и сзади.

Во время облучения ваш пациент получает дозу радиации, эквивалентную примерно 10 обычным рентгеновским снимкам грудной клетки, и один из изотопов кальция в его костях (кальций-48) активируется до кальция-49. Последний имеет период полураспада всего 8,8 минуты, поэтому подсчет должен начаться вскоре после облучения.

Пациент в положении для облучения всего тела нейтронами, генерируемыми ускорителем. Его руки и ноги окружены плексигласовыми контейнерами, заполненными водой, а голова заключена в плексигласовый шлем. По обе стороны от него находятся контейнеры, служащие стандартами, заполненные водным раствором соли кальция. Пациент стоит на поворотном столе, который поворачивается на 180 градусов после завершения половины облучения, чтобы доза нейтронов была равномерно распределена на переднюю и заднюю части тела пациента.

Пациент в положении для гамма-спектрометрии всего тела. Детекторы представляют собой сцинтилляционные кристаллы, которые производят вспышки света, интенсивность которых пропорциональна энергии гамма-луча, поглощенного в кристалле. Пациент сканируется от головы до ног примерно за 12,5 минут со скоростью, которая варьируется, чтобы компенсировать постепенный распад радиоактивности кальция-49 в течение этого периода. Рядом с головой пациента находятся два стандартных раствора кальция в плексигласовых контейнерах.

Пациент ложится в мягкий алюминиевый ящик, и всего через 4 минуты после завершения облучения кольцо из 4 гамма-сцинтилляционных детекторов начинает измерять гамма-лучи, испускаемые его телом. Эти детекторы, каждый из которых имеет толщину 4 дюйма и диаметр 9⅜ дюйма, проходят над его телом от головы до ног. Это занимает 12,5 минут, и поскольку кальций-49 распадается с периодом полураспада 8,8 минуты, детекторы сканируют с постепенно уменьшающейся скоростью, чтобы компенсировать сниженную радиоактивность в более поздние части периода счета. На рисунке на следующей странице показан гамма-спектр пациента. Обратите внимание на пик, соответствующий энергии 3,1 МэВ. Поскольку существуют небольшие вклады в этот энергетический пик от других активированных продуктов в организме, повторные подсчеты проводятся позже (после того, как кальций-49 распался), чтобы эти вклады можно было измерить и вычесть.

Через двадцать минут после периода облучения радиоактивность стандартов кальция измеряется тем же прибором. Отношение отсчетов от тела вашего пациента к отсчетам стандартов составляет 0,210; это служит индексом содержания кальция в его организме в этот день. Благодаря тщательности, проявленной для обеспечения повторяемости анализа, этот индекс, вероятно, точен примерно на 1 или 2%.

Болезнь вашего пациента обычно приводит к снижению содержания кальция в его организме примерно на 3% в год. Таким образом, сделав то же самое измерение через год, вы сможете сказать, успешно ли ваше лечение, отметив, что уровень кальция в костях вашего пациента перестал снижаться с опасной скоростью.

На заводе по производству пластмасс

Проблема

Вы — химик-аналитик, работающий в компании по производству пластмасс. Сейчас 11:30 утра, и вас вызвал начальник цеха, потому что часть пластика, выходящего с завода, имеет желтовато-коричневое обесцвечивание. Похоже, есть лишь несколько возможных причин для этого, но нет простого способа определить, какая из них верна. Одна из возможностей заключается в том, что медный резервуар, в котором готовится пластик, каким-то образом подвергается коррозии из-за избытка кислоты в сырье, и мельчайшие количества растворенной меди обесцвечивают пластик. Вы могли бы доказать, что это является причиной, если бы смогли найти медь в пластике, но начальник цеха хочет получить ответ немедленно, потому что задержка производства на несколько часов поставит под угрозу ценный контракт, а обычный химический анализ занял бы несколько часов. Как можно быстро определить, есть ли медь в пластике?

Часть гамма-спектра, полученного после нейтронной активации человеческого тела. Площадь пика 3,10 МэВ, который находится выше фонового уровня, обусловленного активностью натрия и хлора, является мерой количества кальция в теле исследуемого объекта. Компьютер может внести необходимые поправки на фоновое излучение (которое возникает из-за наложения части других гамма-пиков).

Решение

Одной из причин, по которой обычные аналитические методы в данном случае работают так медленно, является то, что количество меди, которое вы ищете, настолько мало, что вам пришлось бы растворить большое количество пластика, чтобы получить достаточно меди для измерения. Вы знаете, что почти весь пластик состоит из углерода, водорода и кислорода и что ни один из этих элементов не становится легко радиоактивным при бомбардировке нейтронами низкой энергии. Вы смотрите в таблицу, чтобы узнать, легко ли активируется медь. Вы обнаруживаете, что существуют два стабильных изотопа меди с атомными массами 63 и 65. Каждый из них легко активируется, образуя радиоактивные изотопы: медь-64 и медь-66. Последний имеет период полураспада около 5 минут и испускает гамма-лучи с энергией 1,039 МэВ, которые легко измерить.

В соседнем исследовательском корпусе есть небольшой реактор, который может облучать инкапсулированные образцы нейтронами низкой энергии с интенсивностью один триллион нейтронов на квадратный сантиметр в секунду (10¹² нейтронов/см²/с). Вы подсчитываете, что если облучать всего одну десятую грамма пластика в течение 10 минут и если пластик содержит только одну часть меди на миллион частей пластика, то к концу облучения образовавшаяся радиоактивная медь будет испускать более 400 гамма-квантов в секунду. Существует пневмопочта, которая может извлечь облученный образец за 20 секунд, и вы решаете, что потребуется всего минута или две, чтобы вынуть образец из капсулы и поместить его в расположенный неподалеку гамма-спектрометр. Этот счетчик представляет собой сцинтилляционный детектор, подключенный к амплитудному анализатору импульсов.

Если вы будете проводить подсчет всего 10 минут, вы обнаружите около 1000 гамма-квантов нужной энергии (с учетом неэффективности системы детектирования). Звучит так, будто это должно сработать. Но содержит ли медь качественный пластик? И сколько ее нужно, чтобы вызвать обесцвечивание?

Вы решаете использовать нейтронно-активационный анализ и проанализировать образцы бракованного пластика, нормального пластика и небольшой кусочек медной фольги, который вы взвесили и запечатали в маленький полиэтиленовый пакет в качестве эталона. Ваши результаты приведены в таблице ниже.

Sample | Counts in 10 minutes[11]
0.1 grams faulty plastic | 100,000
0.1 grams good plastic | 1,000
0.1 milligrams of pure copper | 1,000,000

Это сработало! Бракованный пластик содержит в 100 раз больше меди, чем качественный, а именно 100 частей на миллион. (Если 0,1 миллиграмма чистой меди дали 1 000 000 отсчетов, то 0,1 грамма бракованного пластика содержат (100 000/1 000 000) · 0,1 миллиграмма, или 0,01 миллиграмма меди. Это одна десятитысячная от веса пластика, или 0,01%, или 100 ppm.) Вы передаете эту информацию начальнику производства почти до того, как он заканчивает обед. Теперь он знает, что делать, и кризис миновал.

В музее

Проблема

Вы — куратор, работающий с коллекцией древних монет крупного музея. Даритель только что передал музею группу из 50 золотых монет, предположительно возрастом около 1500 лет. После месяцев тщательного изучения вы убедились, что большинство этих монет являются подлинными экземплярами того периода. Судя по вашему опыту, вы решаете, что небольшая группа из пяти монет — это явные подделки.

Однако есть еще три монеты, которые вы также подозреваете в подделке, но не уверены до конца. Вы знаете, что как настоящие монетные дворы, так и фальшивомонетчики часто пытались сэкономить, разбавляя золото менее дорогими металлами, такими как серебро и медь. Поскольку шансы на то, что продукт фальшивомонетчика имеет ту же концентрацию золота, серебра и меди, что и подлинные монеты, невелики, вы понимаете, что химический анализ помог бы вам определить, являются ли сомнительные экземпляры настоящими или поддельными.

Точный химический анализ потребовал бы образца такого размера, что монета была бы испорчена как музейный экспонат. Вам нужен аналитический метод, который можно применить к бесконечно малому образцу.

Решение

Вы не ученый, но слышали о нейтронно-активационном анализе. Поэтому вы связываетесь с радиохимиком из местного университета, который является экспертом в этой области.

Он решает использовать метод отбора проб, разработанный учеными Брукхейвенской национальной лаборатории для анализа металлических предметов, представляющих археологический интерес. Вы получаете от него набор из 50 кварцевых пластин, отшлифованных с одной стороны. Следуя его инструкциям, вы осторожно соскабливаете небольшую область на ребре каждой монеты. Затем вы проводите каждой свежеочищенной областью по шлифованной поверхности одной из пластин, оставляя крошечный след металла, похожий на след от карандаша.

В лаборатории ученого каждая пластина аккуратно помещается внутрь кварцевой трубки. Попытки взвесить крошечный след металла не предпринимаются, так как вы хотите лишь сравнить соотношения концентраций металлов. Однако, поскольку образцы образуют довольно громоздкий пакет, ученого беспокоит равномерность потока нейтронов, который «увидит» каждый образец. Поэтому он также помещает в каждую трубку проволоку из сплава золота, серебра и меди (известных пропорций) точно такого же веса, чтобы она служила эталонным монитором потока нейтронов. Затем трубки запечатываются и отправляются в реактор для облучения в течение 12 часов.

После того как образцы извлекаются из реактора, ученый осторожно вскрывает каждую из кварцевых трубок и помещает образец и эталонный кусочек проволоки в отдельные пронумерованные пластиковые капсулы с крышками. Для точного сравнения каждая капсула подготавливается одинаковым образом. Примерно через 4 часа после извлечения образцов из реактора он начинает измерения радиоактивности.

Капсулы с образцами загружаются в автоматический механизм смены образцов, который помещает каждую из них в идентичное положение над германиевым детектором с дрейфом лития. (См. главу, начинающуюся на странице 19.) Гамма-спектры собираются весь день: сначала с образца, затем с сопровождающего его эталона. Каждый подсчет занимает 2 минуты, и 3 минуты требуются между подсчетами для распечатки данных и смены образца. Типичный гамма-спектр выглядит так, как показано на рисунке на следующей странице. Обратите внимание, что за это короткое время счета проявляются только золото (золото-198) и медь (медь-64). Позже радиоактивность серебра (серебро-110m) можно будет измерить, используя более длительное время счета. Это возможно, потому что, хотя продукты активации меди и золота имеют относительно короткие периоды полураспада (12,8 часа и 2,7 дня соответственно), продукт серебра имеет период полураспада 270 дней. Чтобы повысить чувствительность анализа на серебро, ученый переупаковывает и повторно облучает образцы и проволоки в течение 100 часов. Серебро-110m — это один из двух радиоактивных изотопов серебра, имеющих одинаковую массу. В данном случае один имеет более высокую энергию, чем другой, и распадается иным способом. Это известно как изомерное состояние, и оно встречается у многих других элементов, так же как и у серебра.

Спектр, полученный со следа металла на кварцевой пластине после 3-часового воздействия нейтронов в реакторе и 6-часовой задержки перед измерением. Продукты активации золота и меди очевидно присутствуют и легко измеряются всего за 1 минуту.

Спектр, полученный с того же следа металла после повторного воздействия нейтронов в течение 100 часов и задержки примерно в 2 месяца перед измерением. Продукты активации золота и меди распались, и теперь наблюдается гамма-спектр серебра-110m. В этом случае образец находится ближе к детектору, чем при предыдущем измерении, и измерение занимает 100 минут.

Два месяца спустя ученый повторяет процедуру подсчета образцов и эталонов, за исключением того, что на этот раз пластиковые капсулы находятся ближе к детектору, каждый подсчет длится 100 минут, а устройство смены образцов работает около недели. Типичный спектр выглядит так, как показано на рисунке на странице 39.

Теперь ученый может вычислить соотношения для трех элементов в каждом образце и сравнить их с эталоном, но он решает, что компьютер сделает это быстрее и с меньшим количеством ошибок. Поэтому данные, собранные в ходе двух серий подсчетов, отправляются в центр обработки данных, где за считанные минуты компьютер выполняет следующее для каждого из 50 образцов:

1. Находит гамма-пик 0,411 МэВ для золота-198.

2. Определяет общее количество отсчетов в пике.

3. Повторяет процесс для соответствующего проволочного эталона.

4. Корректирует общее количество отсчетов для проволоки на небольшое количество радиоактивного распада, произошедшего за несколько минут между подсчетом образца и подсчетом эталона.

5. Вычисляет соотношение: [общее количество отсчетов для образца / общее количество отсчетов для эталона (скорректированное)].

6. Повторяет все вышеперечисленное для гамма-луча 0,511 МэВ для меди-64 и (в более длительных подсчетах) для гамма-луча 0,658 МэВ для серебра-110.

7. Вычисляет соотношения: [образец к эталону (для меди) / образец к эталону (для золота)] и [образец к эталону (для серебра) / образец к эталону (для золота)].

8. Табулирует и распечатывает соотношения, найденные на шаге 7.

Соотношения радиоактивности для 50 «золотых» монет. Выше приведены соотношения серебра к золоту. Существуют две группы подлинных монет. Пять известных подделок показывают значительно более высокие соотношения, чем подлинные монеты. Две из подозрительных монет также показывают высокие соотношения, но третья, подозрительная монета А, показывает соотношение, которое попадает в одну из групп подлинных монет. Ниже приведены соотношения меди к золоту. Опять же, существуют две группы подлинных монет. (Те же самые монеты составляют две группы здесь, что и выше.) Пять известных подделок снова показывают более высокие соотношения, чем подлинные, и снова те же два подозрительных экземпляра оказываются подделками. Подозрительная монета А, однако, показывает соотношение, похожее на одну из групп подлинных экземпляров. Таким образом, делается вывод, что подозрительная монета А подлинная, а В и С — нет.

Например, предположим, что для образца 1 имеется 20 000 отсчетов в пике 0,412 МэВ (золото), 190 отсчетов в пике 0,511 МэВ (медь) и 450 отсчетов в пике 0,654 МэВ (серебро). Предположим также, что эталон 1 дал 10 000, 500 и 400 отсчетов для этих трех пиков соответственно (скорректированных на распад). Тогда соотношение для золота составит (20 000/10 000) = 2,00, соотношение для меди составит (190/500) = 0,380, а соотношение для серебра составит (450/400) = 1,13.

Наконец, соотношение активности меди к золоту составит (0,380/2,00) = 0,190, а соотношение активности серебра к золоту составит (1,13/2,00) = 0,565.

Поскольку каждый образец облучался с идентичным эталоном и подсчитывался в идентичной установке, последние два соотношения будут одинаковыми для разных образцов тогда и только тогда, когда концентрации золота, серебра и меди в этих образцах находятся в идентичных пропорциях. Это будет верно независимо от того, где в реакторе и как долго происходило облучение.

Теперь ученый представляет вам данные. Вы сразу видите, что (а) хорошие монеты делятся на две группы: одна с соотношением активности серебра к золоту примерно 0,56 и соотношением меди к золоту примерно 0,20, а вторая группа с этими соотношениями примерно 0,51 и 0,18; (б) монеты, которые вы считали подделками, имеют отчетливо более высокие соотношения: от 0,60 до 0,65 для серебра к золоту и от 0,23 до 0,30 для меди к золоту; и (в) из трех подозрительных монет две имеют соотношения, попадающие в диапазон известных подделок, но одна, с соотношениями 0,552 и 0,198, вероятно, подлинная.

Вы представляете результат директору музея в виде графика (см. рисунок на странице 41), и несколько недель спустя 43 монеты добавляются в постоянную экспозицию музея, а 7 выбраковываются.

В криминалистической лаборатории

Проблема

Вы — ученый, работающий в криминалистической лаборатории крупного города. Детектив приносит вам крошечный образец краски, взятый с одежды жертвы наезда. У него есть подозреваемый, краска автомобиля которого, по-видимому, совпадает с этим образцом. Подозреваемый был найден в своем припаркованном автомобиле недалеко от места происшествия. Он, кажется, соответствует описанию, данному двумя свидетелями, и крайне нервничает. Вы соскабливаете небольшой образец краски с недавно поврежденного участка автомобиля подозреваемого и (с помощью микроскопа) обнаруживаете, что содержание пигмента, по-видимому, такое же, как в образце с одежды жертвы. Но действительно ли они от одной и той же краски?

Решение

Вы знаете, что краска, как и почти все остальное, содержит очень малые количества примесей, которые присутствуют только случайно и не влияют на ее свойства как полезного материала. Микропримеси, как их называют, будут варьироваться от партии к партии одной и той же краски. Очень редко можно получить совпадение как по типу, так и по концентрации микропримесей в двух образцах, если они не из одной партии.

Измеряя достаточное количество различных элементов, можно добиться того, что вероятность случайного совпадения двух образцов будет такой же редкой, как дублирование отпечатков пальцев у двух людей. Сопоставление микропримесей часто называют методом «отпечатков пальцев».

С помощью нейтронно-активационного анализа вы можете получить «отпечатки пальцев» двух образцов, чтобы увидеть, совпадают ли они. Хотя этот вид доказательств может быть трудно использовать в суде, положительное совпадение даст детективу понять, что он на правильном пути. Кроме того, подозреваемый может признаться, если его столкнуть с доказательствами и он поймет, что «пойман». С другой стороны, несовпадение полностью очистит подозреваемого, и детектив будет знать, что нужно искать преступника в другом месте.

Вы запечатываете каждый образец в крошечный полиэтиленовый пакет размером около ½ дюйма. Один образец взят с одежды жертвы, а второй, примерно такого же размера, как первый, — с поврежденного участка автомобиля. При подготовке этих образцов вы работаете со всеми материалами чистым пинцетом, потому что понимаете, что малейшая грязь с ваших пальцев будет обнаружена при анализе.

Два пакета облучаются вместе в течение 1 часа в ближайшем реакторе, и 2 часа спустя вы начинаете подсчет образцов с помощью гамма-спектрометра высокого разрешения с германиевым детектором с дрейфом лития. Это даст вам совпадение (или несовпадение) для элементов, которые дают радиоизотопы с довольно коротким периодом полураспада, такие как марганец (2,56 часа), медь (12,8 часа), натрий (15 часов), мышьяк (27,7 часа) и т. д. Вы планируете «подсчитать» образцы снова позже, если первые подсчеты совпадут, чтобы проверить радиоизотопы с более длительными периодами полураспада, такие как железо (45 дней), хром (27 дней), серебро (270 дней), кобальт (5 лет) и т. д.

Два гамма-спектра, которые вы получаете, выглядят так, как показано на рисунке на противоположной странице. Гамма-лучи от облученной краски, взятой с одежды жертвы, указывают на присутствие обычных элементов: натрия, калия и меди, но золото, лантан и европий также заметно присутствуют. Гамма-лучи от другого образца также выявляют натрий, калий и золото, но в довольно других пропорциях. Более поразительным является отсутствие меди и двух редкоземельных элементов, а также присутствие марганца и мышьяка, которые не были указаны в первом образце.

Образцы краски определенно не совпадают. Поэтому вы сообщаете детективу, что его подозреваемый все-таки невиновен. Вы решили свою проблему, но у него она осталась. Возможно, та же техника обеспечит положительное доказательство, когда он найдет настоящего преступника.

Гамма-спектры двух образцов краски. Эти два спектра очевидно различаются и, следовательно, не могли происходить из одного источника.

ПОДВОДЯ ИТОГИ: ЧТО ВПЕРЕДИ

Эти пять ситуаций призваны показать, почему используется нейтронно-активационный анализ, когда его можно применять и как он работает.

В реальном мире часто существует много причин, почему используется этот вид анализа. Как и в описанных здесь ситуациях, это может быть единственный рабочий метод. Иногда может быть выбор методов, но активационный анализ используется, потому что он обладает определенными специфическими преимуществами или потому что он оказывается наиболее удобным. Однако бывают и другие случаи, когда можно и нужно использовать другие аналитические методы. Такие ситуации возникают, когда искомый элемент нелегко активируется или когда существует удовлетворительный альтернативный метод, который является более экономичным или более удобным. Основные моменты, которые следует помнить об использовании активационного анализа:

1. Во многих случаях не требуется сложная процедура подготовки образца.

2. Для многих элементов это самый чувствительный из известных аналитических методов.

Разнообразие областей применения, в которых используется активационный анализ, огромно и, вероятно, будет оставаться таковым. Приведенные здесь примеры представляют лишь крошечную часть обстоятельств, в которых использовался этот метод. Учтите, что он успешно использовался:

1. В микроскопическом мире биологии и медицины;

2. Для метеоритов, прибывающих из бескрайних просторов космоса;

3. На производственных линиях потребительских товаров;

4. Для драгоценных образцов лунных пород;

5. В самом «приземленном» деле поиска новых источников минералов;

6. Для исследования причин смерти Наполеона почти 150 лет назад (см. фотографию на следующей странице). Сегодня практически нет области науки и техники, которой не коснулся бы этот метод.

Иллюстрации процедур, используемых в описанных в этой брошюре ситуациях, типичны для некоторых из тех, что применяются сегодня. Существует много других ситуаций, требующих еще других методов. Один из самых захватывающих, который будет использоваться с возрастающей частотой в будущем, включает использование компьютеров. Было показано, что данные, собранные гамма-спектрометрами высокого разрешения, могут быть «поданы» непосредственно в компьютер. Компьютер может быть запрограммирован на идентификацию неизвестных компонентов и определение концентраций элементов, представляющих интерес для аналитика. Вполне возможно включить поправки на радиоактивный распад, возможные помехи от других присутствующих элементов и многие другие факторы. Представляется весьма вероятным, что виды анализов, описанные здесь (а также другие), могут когда-нибудь выполняться автоматически, с гораздо меньшими шансами на ошибку и, вероятно, более экономично.

Образцы волос Наполеона. Нейтронно-активационный анализ этих волос показал, что он был отравлен мышьяком. (Однако он умер не от отравления мышьяком, а от острого отравления ртутью.)

Другие более новые методы, которые могут найти более широкое применение в будущем, иллюстрируются методом активационного анализа всего человеческого тела. Использование нейтронов, производимых ядерными машинами (такими как циклотроны или другие ускорители частиц) или производимых компактными портативными изотопными источниками, сделает нейтронно-активационный анализ еще более универсальным. Изотопные источники производят нейтроны в результате ядерной реакции. Одна из таких реакций использует альфа-частицы, испускаемые полонием-210 (или другим альфа-излучателем), для бомбардировки бериллия. Другой вид изотопного источника — это искусственный радиоизотоп калифорний-252, который распадается путем спонтанного деления (расщепления) и производит нейтроны в этом процессе. (Один миллиграмм калифорния-252 будет спонтанно производить более 10⁹ нейтронов в секунду.) Хотя калифорний-252 в настоящее время довольно дорог, вероятно, что производственные затраты будут значительно снижены в будущем.

Благодаря компьютерам, более удобным источникам излучения и постоянным улучшениям в технологии гамма-детекторов и ядерной электроники, нейтронно-активационный анализ будет все больше становиться рутинным инструментом аналитика.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Расчет концентрации мышьяка без эталона для сравнения.

1. Определение активности мышьяка-76, полученной из 1 микрограмма мышьяка в момент его выхода из реактора.

Мы используем уравнение со страницы 12:

A₀ = Nφσ (1 - e-λt)

где N — количество целевых атомов. (Один микрограмм мышьяка содержит (10⁻⁶ грамма / 75 граммов на моль) × 6,02 × 10²³ атомов на моль, что составляет 8 × 10¹⁵ атомов мышьяка.)

φ — поток нейтронов. (Это было бы известно оператору реактора. Обычно он измеряется путем вставки материалов известного состава и измерения их активации. В данном случае φ = 10¹³ нейтронов на квадратный сантиметр в секунду.)

σ — сечение активации. (Нейтронные сечения были измерены и табулированы учеными. Для активации мышьяка-75 в мышьяк-76 сечение, как известно, составляет 4,2 × 10⁻²⁴ квадратного сантиметра.)

λ — постоянная распада для мышьяка-76. (Здесь λ = (ln 2 / t½, (в часах); t½, период полураспада для мышьяка-76, составляет 26,6 часа, поэтому λ = (0,693 / 26,6) = 0,026.)

t — время облучения. (Здесь t равно 12 часам.)

Следовательно: A₀, активность мышьяка-76,

= 8 × 10¹⁵ × 10¹³ × 4,2 × 10⁻²⁴ × (1 - e⁻⁰,⁰²⁶ × ¹²)

(Примечание: e — физическая константа, 2,71+)

= 9 × 10⁴ распадов в секунду на микрограмм

2. Определение активности мышьяка, измеренной в образце и скорректированной на время извлечения из реактора.

Мы используем уравнение:

A₁ =

R

E × F

eλt

где R — измеренная скорость счета. (В данном случае R — это количество отсчетов в секунду, наблюдаемое в гамма-пике 0,559 МэВ, что составляет 5300 отсчетов за 20 минут, или 4,4 отсчета в секунду.)

E — эффективность детектора. (В данном случае это количество отсчетов, наблюдаемых в пике 0,559 для каждого гамма-кванта 0,559 МэВ, испускаемого радиоактивным материалом на расстоянии образца. Это известно для используемого детектора путем проведения других измерений и для используемой здесь установки составляет 0,010.)

F — среднее количество гамма-квантов 0,559 МэВ, испускаемых при каждом распаде мышьяка-76. (Это можно вывести из схемы распада мышьяка-76. См. схему распада марганца-56 на странице 13. При распаде мышьяка-76 количество испускаемых гамма-квантов 0,559 МэВ на распад составляет примерно 0,41.)

λ — постоянная распада для мышьяка-76. (0,026, см. страницу 49.)

t — время распада. (Это количество часов с момента извлечения образца из реактора до момента его измерения, или 5 часов.)

Следовательно, A₁, активность мышьяка-76, образовавшегося в образце в момент извлечения из реактора,

=

4.4 counts per second

0.010 × 0.41

e0.026 × 5 hours

= 1200 disintegrations per second

3. Расчет концентрации мышьяка в образце.

Мы используем уравнение:

Concentration in parts per million =

A₁

A₀ × W

10⁶

где A₁ и A₀ были определены выше, а W — вес проанализированного образца, или 300 микрограммов (0,0003 грамма).

Следовательно, концентрация составляет

1200

9 × 10⁴ × 300

× 10⁶ = 44 parts per million.

СНОСКИ

[1]There are exceptions. For a few elements there are no stable nuclei. In some cases, there are other differences that make certain atoms radioactive.

[2]These gamma rays (called prompt gamma rays because they are instantaneously produced when the neutron is captured) can also be used for analysis and sometimes are, but we will not be discussing this type of analysis in this booklet.

[3]Sensitivity in this case means how small an amount of an unknown element can be detected.

[4]Nuclide is a general term applicable to all atomic forms of elements. Whereas isotopes are the various forms of a single element (hence are a family of nuclides) and all have the same atomic number and number of protons, nuclides comprise all the isotopic forms of all the elements.

[5]The half-life of a radioactive nuclide is the time it takes for half the nuclei in a large sample to undergo decay. Note that after half of them are gone, a second half-life period will reduce the remainder by one half, leaving one quarter of the original number.

[6]The disintegration constant is related to the half-life, T½, by the expression: λ = natural logarithm of 2/half-life, or

λ =

ln 2

T½

=

0.693

T½

[7]The detector efficiency is the ratio of the number of gamma rays detected to the number emitted by the sample.

[8]A deuteron is the nucleus of a heavy hydrogen (deuterium) atom and consists of one neutron and one proton.

[9]Not all nuclear reactors are appropriate for this work. For example, reactors designed for electric power production do not have the means built into them for inserting and removing small samples for a “short” period of irradiation.

[10]A scintillation detector is a crystalline device, usually sodium iodide containing a small amount of thallium, which has the property of emitting light when energy is absorbed from nuclear radiation.

[11]After a 10-minute irradiation and a 3-minute delay before counting, corrected for decay to a common time.

[12]One mole is the atomic weight of an atom or molecule expressed in grams, or the weight of 6.02 × 10²³ atoms or molecules per mole.

[13]ln 2 is the natural logarithm of 2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Общая информация о ядерной науке

Secrets of the Nucleus, Joseph S. Levinger, McGraw-Hill Book Company, New York, 1967, 127 pp., $0.50.

Working With Atoms, Otto R. Frisch, Basic Books, Inc., Publishers, New York, 1965, 96 pp., $3.50.

The Atom and Its Nucleus, George Gamow, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1961, 153 pp., $1.95.

Inside the Nucleus, Irving Adler, The John Day Company, Inc., New York, 1963, 192 pp., $4.95.

Радиоизотопы и радиация, Джон Х. Лоуренс, Бернард Мановиц и Бенджамин С. Леб, Dover Publications, Inc., Нью-Йорк, 1964, 131 стр., $2,50.

Справочник по атомной энергии (третье издание), Сэмюэл Глэстон, Van Nostrand Reinhold Company, Нью-Йорк, 1967, 883 стр., $15,00.

Полупроводниковая революция в подсчете ядерного излучения, Дж. М. Холландер и И. Перлман, Science, 154: 84 (7 октября 1966 г.).

Об активационном анализе

Популярный уровень

Neutron Activation Analysis, Vincent P. Guinn, International Science and Technology, Prototype Issue, 74 (1961).

Распределение мышьяка в волосах Наполеона, Гамильтон Смит, Стен Форшуфвуд и Андерс Вассен, Nature, 194: 725 (26 мая 1962 г.).

Ядерный активационный анализ, Ричард Э. Вайнерди и Норман П. ДюБо, Science, 139: 1027 (15 марта 1963 г.).

Нейтронно-активационный анализ, У. Х. Уол и Х. Х. Крамер, Scientific American, 68: 210 (апрель 1967 г.).

Технический уровень

Activation Analysis Handbook, Robert C. Koch, Academic Press, Inc., New York, 1960, 219 pp., $8.00.

Эксперименты по нейтронной активации в радиохимии, К. С. Воррес, Journal of Chemical Education, 37: 391 (август 1960 г.).

Radioactivation Analysis, H. J. M. Bowen and E. Gibbons, Oxford University Press, London, England, 1963, 295 pp., $8.00.

Нейтронное облучение и активационный анализ, Денис Тейлор, Van Nostrand Reinhold Company, Нью-Йорк, 1964, 185 стр., $8,95.

Guide to Activation Analysis, William A. Lyon (Ed.), Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1964, 186 pp., $5.95.

Достижения в активационном анализе, том 1, Дж. М. А. Ленихан и С. Дж. Томсон (ред.), Academic Press, Inc., Нью-Йорк, 1969, 233 стр., $9,50.

Активационный анализ; принципы и применения, Дж. М. А. Ленихан и С. Дж. Томсон (ред.), Academic Press, Inc., Нью-Йорк, 1965, 211 стр., $8,50.

Современные тенденции в активационном анализе, тома 1 и 2, Дж. Р. ДеВо и П. Д. ЛаФлер (ред.), Специальная публикация Национального бюро стандартов № 312, Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1969, 2005 стр., $8,50.

Анализ керамики методом нейтронной активации, И. Перлман и Ф. Ассаро, Archaeometry, 11: 21 (1969).

Библиографии

Активационный анализ: библиография, Г. Дж. Лутц, Р. Дж. Борени, Р. С. Мэддок и У. У. Мейнке (ред.), Техническая записка Национального бюро стандартов 467, Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1969, $8,50.

Криминалистика: библиография работ по активационному анализу, Г. Дж. Лутц (ред.), Техническая записка Национального бюро стандартов 519, Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1970, $0,50.

Определение легких элементов в металлах: библиография работ по активационному анализу, Г. Дж. Лутц (ред.), Техническая записка Национального бюро стандартов 524, Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1970, $0,75.

Анализ загрязнений: библиография литературы по активационному анализу, Г. Дж. Лутц (ред.), Типография правительства США, 1971, $0,45.

14-МэВ нейтронные генераторы в активационном анализе: библиография, Г. Дж. Лутц (ред.), Типография правительства США, 1971, $1,00.

Океанография: библиография избранной литературы по активационному анализу, Г. Дж. Лутц (ред.), Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1971, $0,50.

КИНОФИЛЬМЫ

Доступны для бесплатного проката в кинотеке USERDA-TIC, P. O. Box 62, Oak Ridge, TN 37830.

Ядерный свидетель: активационный анализ в расследовании преступлений, 28 минут, цветной, 1966 г. Этот фильм иллюстрирует применение активационного анализа при расследовании уголовных дел, связанных с убийствами, кражами со взломом и торговлей наркотиками.

Ядерная дактилоскопия древней керамики, 20 минут, цветной, 1970 г. Анимированные последовательности используются для объяснения нескольких аналитических методов. Часть фильма показывает, как исследования проводятся в лаборатории.

Атомный отпечаток, 12½ минут, цветной, 1964 г. Объясняются принципы нейтронно-активационного анализа и показаны машины, используемые в этой работе. Иллюстрируются некоторые его применения в раскрытии преступлений, геологии и почвоведении, анализе предметов искусства и археологических объектов, нефтепереработке, сельском хозяйстве, электронике, биологии и медицине, а также в космических науках.

Нейтронно-активационный анализ, 40 минут, цветной, 1964 г. Этот фильм описывает природу, возможности и применения нейтронно-активационного анализа. Показаны виды используемых источников нейтронов и методы подсчета. Показаны примеры применений в раскрытии преступлений, геологии и геохимии, сельском хозяйстве, медицине, нефтяной и химической промышленности, а также в полупроводниковой промышленности.

| Photo Credits
Cover | Federal Bureau of Investigation
2 | Smithsonian Institution
30 & 31 | University Hospital, University of Washington
47 | Dr. Sten Forshufvud

Об авторе

Д-р Бернард Кейш получил степень бакалавра в Политехническом институте Ренсселера и степень доктора философии в Вашингтонском университете. В настоящее время он является старшим научным сотрудником Института исследований Карнеги-Меллона при Университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге. В настоящее время он занят в проекте, который занимается применением ядерных технологий для идентификации произведений искусства. Проект спонсируется Национальной галереей искусств, а в прошлом также получал поддержку от Комиссии по атомной энергии США и Национального научного фонда. Ранее он был химиком-ядерщиком в Phillips Petroleum Company и старшим научным сотрудником в Nuclear Science and Engineering Corporation. Он написал статьи по аутентификации произведений искусства для ряда журналов. Для ERDA, помимо этой брошюры, он написал «Таинственная коробка: ядерная наука и искусство», «Потерянные миры: ядерная наука и археология» и «Секреты прошлого: применения ядерной энергии в искусстве и археологии».

Несколько слов об ERDA...

Миссия Управления энергетических исследований и разработок США (ERDA) заключается в развитии всех источников энергии, обеспечении энергетической самодостаточности страны, а также в защите здоровья населения, благосостояния и окружающей среды. Программы ERDA делятся на шесть основных категорий:

· ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ — Более эффективное использование существующих источников энергии, разработка альтернативных видов топлива и двигателей для автомобилей с целью снижения зависимости от нефти, а также устранение расточительных привычек потребления энергии.

· ИСКОПАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ — Расширение добычи угля и разработка технологий преобразования угля в синтетический газ и жидкое топливо, совершенствование методов бурения нефтяных скважин и технологий преобразования сланцевых месторождений в пригодную для использования нефть.

· СОЛНЕЧНЫЕ, ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ И ПЕРЕДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ — Исследования в области солнечной энергии для отопления, охлаждения и, в конечном итоге, электрификации зданий, преобразования подземных источников тепла в газ и электричество, а также термоядерных реакторов для генерации электроэнергии.

· ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И БЕЗОПАСНОСТЬ — Исследование влияния развития энергетических технологий на здоровье, безопасность и окружающую среду, а также исследования по управлению отходами энергетического производства.

· ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ — Расширение медицинских, промышленных и исследовательских применений и модернизация реакторных технологий для генерации электроэнергии, в частности с использованием концепции реакторов-размножителей.

· НАЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ — Производство и администрирование ядерных материалов, обслуживающих как гражданские, так и военные нужды.

Программы ERDA осуществляются по контракту и в сотрудничестве с промышленностью, университетскими сообществами и другими государственными учреждениями. Для получения дополнительной информации пишите в USERDA-Technical Information Center, P. O. Box 62, Oak Ridge, Tennessee 37830.

Управление энергетических исследований и разработок США, Офис по связям с общественностью, Вашингтон, округ Колумбия 20545

Примечания транскрибатора

Сохранена информация о публикации из печатного издания: эта электронная книга является общественным достоянием в стране публикации.

Где это возможно, используются символы верхнего и нижнего регистра UTF; некоторые шрифты электронных книг могут не поддерживать эти символы.

Только в текстовой версии текст курсивом выделен _нижними подчеркиваниями_.

Только в текстовой версии верхний индекс предваряется кареткой и выделяется ^{скобками}.

Только в текстовой версии нижний индекс предваряется нижним подчеркиванием и выделяется _{скобками}.

Только в текстовой версии к каждой иллюстрации добавлена краткая подпись; а для графиков, где это возможно, предоставлены табличные сводки данных.