Способ определения содержания редкоземельных элементов

ных элементов имеет место значительное возрастание сечения возбуждения. Оно становится сравнимым с сечением возбуждения легкими ионами ХРИ Ь-серии, т.е. при облучении анализируемых образцов тяжелыми ионами интенсивность излучения К-серии редкоземельных элементов сравнима с интенсивностью излучения Ь-серии при облучении образ 10 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 возбуждения при взаимодействии ионов, имеющих заряд ядра 2, и атомную массу Л с ядрамн мишени 2, и А приходится иа квадру " польное злектричеое возбуждение перехода Е 2. Сечение экого процесса описывается Формулой- энергия иона, МэВ/нук - приведенная вероятностьядерного перехода,безразмерная функция,убывающая с ростом ,безразмерная переменная,вычисление которой длятяжелых ионов может бытьпроведено по формуле(2) где ДЕ - энергия возбуждения.Сечение кулоновского возбуждения для большинства существующих в природе ядер не превышает сечения непосредственного возбуждения ХРИ, которое возникает в результате ионизаций, вьг зываемых бомбардирующими частицами.Только для сильно деформированных55 ядер, для которых велика приведенная вероятность ядерного перехода В (Е 2) и низки уровни возбуждения дЕ, в результате чего функция Гв 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, Рг, ИЙ. Величины В (Е 2) для этих элементов имеют, по сравнению с другими РЗЭ, весьма малые значения. Большую величину В (Е 2) 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 дйже делает измерения невоэможньии.Кулоновский барьер Е для иона в лабораторной системе координат может быть рассчитан по формуле Е0,96-д-- д -МэВ/нук 2, 2 .А+А А, А 2 А Я Апгде А, и 2, - соответственно атомнаямасса и атомный номерэлемента, для которогорассчитывают кулоновский барьер.Например, при использовании дляИоблучения ионов Са кулоновскийбарьер для взаимодействия с ядрами кислорода Е= 2,26 МэВ/нуклон,При облучении образцов сложногосостава для исключения фона от ядерных реакций энергия ионов должна бытьменьше кулоновского барьера для взаимодействия .с ядрами любых макроэлементов,.содержащихся в исследуемом веществе5 1597704 бПри облучении образцов ионами с нии Кдругие сопутствующие малоинэнергией 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 2 = 2, + 5, и естественное космическое. т.е. ионы с 2ъ 2, - 5 создают фон вОтношение 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 2, может быть записано в виде проведения анализов РЗЭ энергия Ебомбардируемых ионов должна выбираться из условия3,934 10т0,34 21(А, + А,) ДЕ 2/з Е (Е(А +А )2(- 2)(рсгде Е 5 - пороговая энергия для ядер(4)ных реакции. где Е - энергия фотона; 20 Учитывая, что в реальных условиях- сечение тормозного излучения значеЕиизменяются впри прохождении бомбардирующего иона через вещество; довольно узких пределах, можно чисЕ 1 - дипольный электрический пере- ленно оценить диапазон энергий, в коход для тормозного излучения.75 тором ионы могУт быть использованыИз этого выражения видно, что для для проведения анализов. Наиболее веувеличения отношения эффект/фон необ- Роятные значения указанных параатров ходимо, чтобы отношение Е,/А, бомбардирующего иона быпо наиболее близким Е/А -0,5; 22 60; ФЕ - 0,1 МэВ. к Отношению 22 /А 2 для матрицы иссле 30дуемого вещества.Подставив эти значения в (5), полуПри сложном составе матрицы исслечаютдуемого вещества отношение 2 /А долж 1 1 0 7(Е ( но быть близким к эффективному значе- О Е (2,26 МзВ/нуклон, нию отношения 2 /А, .При неизвестном составе матрицы 5 Способ был реализован при определеэффективное значение Е /А может быть нии содержания РЗЭ в составе угля.л найдено экспериментальным путем, ва- Основными составными элементами рьируя сорта ионов, используемых для матрицы исследуемого вещества являют- облучения. При соответствующем выборе 40 ся углерод и кислород, имеющие отноямнои массе бомбардирующего иона можно достичь, шение заряда ядра Е к .атомн что величинав " - ) будет , 10-2 .: Е А авное 0 5 Длр ное 0,5. Для возбуждения харакА, А 2теристического рентгеновского излучеУсловию близости отношения 2,/А, . ния РЗЭ исследуемое вещество облучают к 22 /А 2 могут удовлетворить большое фочисло различных ионов. Из их числа45 ионами Са отношени2 о ие заряда ядра Лг для проведения облучений надо исполь- которых к атомной массе А также равзовать ионы с максимальной величиной но 0,5. Эти ионы имеют наибольшее А, так как при взаимодействии с эти- значение атомной массы А, из всех до-, ми ионами сечение кулоновского воз 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 каче- предел обнаружения. стве 2, и А 2 используют наибольшиеВ то же время из-эа собственного значения из возможных, соответствен- ХРИ нельзя для облучения использовать ноф Равных 71 к 176. Используют такионы с 2,7 Е - 5. Собственное ХРИ же наибольшее значение из нижних ионов, имеющее кроме интенсивной ли- ядерных уровней РЗЭ дЕ = 0 125 МэВВ1597704 вакуумные окна толщиной 50-100 мкм.Это позволяет располагать детектор ХРИвне вакуумной камеры и для повышенияэффективности регистрации сразу за мишеньюа фон от у-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 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения предела обнаружения, 1заряд, 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 щ и й с я тем, что для осуществления кулоновского возбуждения заряд ядара ионов Еи наибольшее значение атомной массы А выбирают из условия, что Е,/Анаиболее близко к отношению Е 2 /А 2, где Е, и А, - соответственно эффективные значения заряда ядра и атомной массы для матрицы анализируемой пробы, а ЕЕ, - 5, где Е, - наименьшее значение из зарядов ядер определяемых элементов, при этом энергию ионов Е (МэВ/нуклон) выбирают из диа- пазона Зле 4 10405,10 16,2 33,5 Се 410-ф 21,2 1 10455 10 ф 2,9 Яш 0,34 - -1 (А + А )ак с/ ск ска, Е 1 Е 5 10 к Пу 6108 . 10- 50 где аВЕ 2,1 1,2 ЕВ А эВ результате расчета получают нижнюю границу диапазона, равную 1 МэВ/нуклон, Верхняя граница определяется наименьшей величиной кулоновского ба 5 рьера для взаимодействия ионов кальция с углеродом и кислородом. Рассчитанная величина составляет 2,18 МэВ/нуклон. Заведомо выполняют условие Е, ( (. Е - 5. Мишень из исследуемого ка менного угля приготавливается по известной технологии. Каменный уголь истирается до мелкодисперсного состояния и смешивается с клеем Бф. Затем эта смесь ровным слоем наносится кис точкой на подложку из А 1 толщиной 70 мкм. После нанесения смеси подложка выдерживается при 240 С до полногофобугливания клея. Толщина нанесенного слоя угля составляет примерно 6 мг/см 2, диаметр пятна нанесенного слоя 34 мм.Для уменьшения тепловой нагрузки и повышения представительности анализа пучок ионов расфокусирован по всей ппощади 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, Хс 1, .Ят, Сс 1, Пу, Ег, УЬ.Результаты измерения содержаний РЗЗ 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 ядерногоуровня определяемого элемента;кулоновский барьер для взаимодействия ионов с любымимакроэлементами, содержащимися в исследуемом веществе;атомная масса определяемогоэлемента.ное Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород Гагарина, 101 Заказ 3048 Тираж 495ВНИИПИ Государственного комитет113035, Москва,о изобретениям и 35, Раушская наб. ытиям при ГКНТ СССР 4/5