SU1597704A1 - Способ определени содержани редкоземельных элементов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к  дерно-физическим методам анализа материалов. Цель изобретени  - снижение предела обнаружени . Анализируемую и калибровочные пробы облучают ускоренными ионами и регистрируют характеристическое рентгеновское излучение определ емых элементов. Атомную массу, зар д  дра и энергию ускоренных ионов выбирают такими, чтобы обеспечить услови  кулоновского возбуждени   дерных уровней. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относитс  к  дерно-физическим методам анализа материалов.

Цель изобретени  - снижение предела обнаружени .

На чертеже приведены графики зависимости сечени  ё возбуждени  характеристического рентгеновского излучени  (ХРИ) элементов от атомного номера.

При облучении исследуемьпс образцов ускоренными ионами происходит как непосредственное возбуждение ХРИ атомов вещества образцов, так и кулоновское возбуждение  дер. Кулоновское возбуждение  дер снимаетс  путем испускани  -квантов и конверсионных электронов, в результате чего происходит дополнительное возбуждение ХРИ. Сечение непосредственного возбуждени  ХРИ в зависимости от атомного номера Z облу- чаемых элементов показано на чертеже пунктирной линией (1 и 2 - облучение (А частицами с энергией 2 МэВ/нуклон;

3 и 4 - облучение протонами с энергией 3,5 МэВ; 5 и 6 -. облучение ионами Cd с энергией 1 МэВ/нуклон). Кривые 1, 3 и 5 соответствуют L-серии, а кривые 2, 4 и 6 - К-серии.

Из чертежа видно, что сечение непосредственного возбуждени  ХРИ К-серии быстро убывает с ростом Z, и при Z 50 его регистраци  становитс  труд- ной из-за малой интенсивности излучени , сравнимой с естественным фоном детектора. Поэтому дл  аналитических целей используют регистрацию ХРИ L-серии редкоземельных элементов (РЗЭ). Но излучение L-серии, по сравнению с К-серией обладает значительно меньшей энергией излучени .

На чертеже кружками также показано сечение возбуждени  ХРИ К-серии ионами с энергией 1 МэВ/нуклон с учетом кулоновского возбуждени . На чертеже видно, что в области редкоземельел

со

-ч

ных элементов имеет место значительно возрастание сечени  возбуждени . Оно становитс  сравнимым с сечением возбуждени  легкими ионами ХРИ L-серии, т.е. при облучении анализируемых образцов т желыми ионами интенсивность излучени  К-серии редкоземельных элементов сравнима с интенсивностью излучени  L-серии при облучении образцов легкими ионами, а мешающий фон на несколько пор дков ниже.

Такое значительное возрастание сечени  возбуждени  РЗЭ за счет куло- новского возбуждени  св зано со специфическими свойствами, присущими деформированным  драм. Основна  дол  купоновского возбуждени  При взаимодействии ионов, имеющих зар д  дра Z, и атомную массу Л, с  драми мишени Z, и АЗ приходитс  на квадру- польное электричес1.ие ыогзбуждение перехода Е2. Сечение этого процесса описываетс  формулой

V - f iT i;:

X B(E2)f.,,(),

Е X

(1) 30

де Е

энерги  иона, МэВ/нук- лон,

В(Е2) - приведенна  веро тность  дерного перехода, безразмерна  функци , убывающа  с ростом , безразмерна  переменна , вычисление которой дл  т желых ионов может быть проведено по формуле

с „

0

5

0

25

30

35

зультате чего функци  ) в указан ном выше диапазоне энергий близка к единице, сечекие кулоновского возбуждени  (1) на один-два пор дка превышает сечение непосредственного возбуждени . Именно такими сильно деформированными  драми  вл ютс  большинство РЗЭ. Кроме того, низкие уровни возбуждени   дер РЗЭ сильно конвертированные , т.е. возбуждение их в основном снимаетс  путем испускани  электронов конверсии, что ведет к испусканию ХРИ. За счет кулоновского возбуждени  практически не увеличиваетс  сечение возбуждени  ХРИ более распространенных РЗЭ: La, Се, Рг, Nd. Величины В (Е2) дл  этих элементов имеют, по сравнению с другими РЗЭ, весьма малые значени . Большую величину В (Е2) имеет изотоп , но в природной смеси изотопов его содержание только 5,6%.

Таким образом, при регистрации ХРИ К-серии указанные элементы не мешают анализу других РЗЭ. Хот , как следует из (1), сечение кулоновского возбуждени  растет с увеличением энергии иона, при проведении анализов эта энерги  должна быть ниже кулоновского барьера дл   дерных реакций, чтобы избежать вызванного ими фона. Фон от  дерных реакций сильно увеличивает предел обнаружени  или дАже делает измерени  невозможными.

Кулоновский барьер Eg дл  иона в лабораторной системе координат может быть рассчитан по формуле

0

Е.

0,96

Z,

А« + А,

А-.

1 /S

МэВ/нук- лон J, (3)

12,65

л А.

АЗ

, А,)

4Е

где dE - энерги  возбуждени .

Сечение кулоновского возбуждени  дл  большинства существующих в природе  дер не превьш1ает сечени  непосредственного возбуждени  ХРИ, которое возникает в результате ионизации, вызываемых бомбардируюш 1ми частицами. Только дл  сильно деформированных  дер, дл  которых велика приведенна  веро тность  дерного перехода В (Е2) и низки уровни возбуждени  ЛЕ, в регде Aj и Zj

45

50

55

соответственно атомна  масса и атомный номер элемента, дл  которого рассчитывают кулоновс- кий барьер.

Например, при использовании дЛ  облучени  ионов , Са кулоновский барьер дл  взаимодействи  с  драми кислорода Eg 2,26 МэВ/нуклон.

При облучении образцов сложного состава дл  исключени  фона от  дерных реакций энерги  ионов должна быть меньше кулоновского барьера дл  взаимодействи  с  драми любых макроэлементов , .содержащихс  в исследуемом веществе.

При облучении образцов ионами с энергией ниже кулоновского барьера источниками фона при регистрации ХРИ  вл ютс  только тормозное излучение и естественное космическое.

Отношение эффект/фон при облучении ионами исследуемого вещества с атомной массой А и атомным номером Zj может быть записано в виде

с

с/бт 3,934-10

Ai А,

U,.A,)z,(|..j,(«

B(E2)fz (g) 15

(4)

где Ejj. - энерги  фотона;20

6 - сечение тормозного излучени  при прохождении бомбардирующего иона через вещество; Е1 - дипольный электрический переход дл  тормозного излучени .25 Из этого выражени  видно, что дл  увеличени  отношени  эффект/фон необходимо , чтобы отношение Z,/Aj бомбардирующего иона быпо наиболее близким к отношению Z /А дл  матрицы исследуемого вещества.

При сложном составе матрицы исследуемого вещества отношение Z,/A должно быть близким к эффективному значению отнов ени  Zj /А, .

30

35

При неизвестном составе матрицы эффективное значение Zj/А может быт найдено экспериментальным путем, варьиру  сорта ионов, используемых дл  облучени . При соответствующем вьЕбор бомбардирующего иона можно достичь, Z, Z. 2

что величина

- Z;L

А, А,

)

будет ,10-3

Условию близости отношени  к Zj/Aj могут удовлетворить большое число различных ионов. Из их числа дл  проведени  облучений надо использовать ионы с максимальной величиной А, так как при взаимодействии с этими ионами сечение кулоновского возбуждени  будет наибольшим (формула 1 Это дает возможность повысить эффект по отношению к естественному космическому фону и снизить таким образом предел обнаружени .

В то же врем  из-за собственного ХРИ нельз  дл  облучени  использовать ионы с Zj-j Z - 5. Собственное ХРИ ионов, имеющее кроме интенсивной лиИ

15977046

НИИ к / другие сопутствующие малоин- а 1

тенсивные линии, сопдает мешающий фон в той области энергий, в которую

попадает ХРИ элементов с Z Z, + 5, т.е. ионы с Z Zj - 5 создают фон в аналитической области РЗЭ, что приво дит к повышению предела обнаружени .

Из анализа (4) следует, что дл  проведени  анализов РЗЭ энерги  Е бомбардируемых ионов должна выбиратьс  из услови 

,34

Fil ЬLA , А,

(А,

АЗ)

Е

2 з Е :Е

И

(5)

«/

где Eg- порогова  энерги  дл   дерных реакций.

Учитьша , что в реальных услови х Z.

значени 

А.

Z, и dE измен ютс  в

25

30

35

0

5

0

5

довольно узких пределах, можно численно оценить диапазон энергий, в котором ионы могут быть использованы дл  проведени  анализов. Наиболее веро тные значени  указанных napahffeTpoB

,5; Zj 60; 0,1 МэВ.

Подставив эти значени  в (5), получают

0,7 Е 2,26 МэВ/нуклон.

Способ бьт реализован при определении содержани  РЗЭ в составе угл .

Основными составными элементами матрицы исследуемого вещества  вл ютс  углерод и кислород, имеющие отношение зар да  дра Zj к .атомной массе Aj равное 0,5. Дл  возбуждени  характеристического рентгеновского излучени  РЗЭ исследуемое вещество облучают

40 „ ионами , отношение зар да  дра Z

которых к атомной массе А, также равно 0,5. Эти ионы имеют наибольшее значение атомной массы А из всех доступных ионов, имеющих указанное отношение .

Ионы кальци  ускор ют на циклотроне до энергии 1,5 МэВ/нуклон. Дл  расчета нижней границы диапазона в качестве Zj и АЗ используют наибольшие значени  из возможных, соответствен- но, равных 71 в 176. Используют также наибольшее значение из нижних  дерных уровней РЗЭ лЕ 0,125 МэВ.

В результате расчета получают нижнюю границу диапазона, равную 1 МэВ/нук- лон. Верхн   граница определ етс  наименьшей величиной кулоновского ба- рьера дл  взаимодействи  ионов кальци  с углеродом и кислородом. Рассчитанна  величина составл ет 2,18 МэВ/нуклон . Заведомо вьтолн ют условие Z, Zj - 5. Мишень из исследуемого каменного угл  приготавливаетс  по известной технологии. Каменный уголь истираетс  до мелкодисперсного состо ни  и смешиваетс  с клеем БФ. Затем эта смесь ровным слоем наноситс  кисточкой на подложку из А1 толщиной 70 мкм. После нанесени  смеси подложка вьщерживаетс  при до полного обугливани  кле . Толщина нанесенного сло  угл  составл ет примерно 6мг/см диаметр п тна нанесенного сло  34 мм. Дл  уменьшени  тепловой нагрузки и повышени  представительности анализа пучок ионов расфокусирован по всей площади мишени. При испытании набран интегральный поток ионов на мишени равный 3-10 ионов.

В измеренном спектре рентгеновского излучени  отчетливо наблюдаютс  пики ХРИ редкоземельных элементов La, Се, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb.

Результаты измерени  содержаний РЗЭ и достигнутые пределы обнаружени  приведены в таблице.

По сравнению с прототипом, предлагаемый способ обеспечивает снижение обнаружени  на пор док. В техническом смысле способ существенно 55 проще в реализации ХРИ К-серии, имеющего энергию в диапазоне 40-60 кэВ, практически без потерь проходит через

50

вакуумные окна толпдшой 50-100 мкм. Это позвол ет располагать детектор ХРИ вне вакуумной камеры и дл  повышени  эффективности регистрации сразу за мишенью .

I

Фон от -квантов, которые также

испускаютс  при сн тии возбуждени   дерных уровней, пренебрежимо как в случае РЗЭ основна  дол  возбужденных уровней высвечиваетс  путем испускани  конверсионных электронов.

0

Claims (2)

1. Способ определени  содержани  резкоземельных элементов, включающий облучение анализируемой и калибровоч- нь1Х проб ускоренными ионами и регистрацию характеристического.рентгеновского излучени  определ емых элементов отличающийс  тем, что, с целью снижени  предела обнаружени , зар д, атомную массу и энергию ионов выбирают из услови  осуществлени  кулоновского возбуждени   дерных уровней определ емых элементов, а регистрируют излучение К-серии определ емых элементов.

2. Способ по По 1, отлича

ю щ и и с   тем, что дл  осуществлени  кулоновского возбуждени  зар д  дра ионов Z и наибольшее значение атомной массы А выбирают из услови , что Z,/A, наиболее близко к отношению Z2/Aj, где Zj и Aj - соответственно эффективные значени  зар да  дра и атомной массы дл  матрицы анализируемой пробы, а Z Zj - 5, где Z - наименьшее значение из зар дов  дер определ емых элементов, при этом энергию ионов Е (МэВ/нуклон) выбирают из диапазона

+ А,) Е Eg,

где /ЗЕ - энерги  возбуждени   дерного уровн  определ емого элемента;

Е. - кулоновский барьер дл  взаимодействи  ионов с любыми макроэлементами, содержащимис  в исследуемом веществе;

АЗ - атомна  масса определ емого элемента.