Нейтронные генераторы это ускорители в которых нейтроны образуются в результате ядерных реакций на соответствующих мишенях. Чаще всего используются реакции
2H(d,n)3He, Q = 3.270 МэВ;
|
(7)
|
3H(d,n)4He, Q = 17.590 МэВ.
|
|
Рис. 3. Функция возбуждения (зависимость сечения от энергии налетающих частиц) для реакции 3H(d,n)4He
(J.P.Conner, T.W.Bonner, J.R.Smith. A Study of the 3H(d,n)4He Reaction. PhysRev, 88, 468, 1952)
| В результате реакций (7,8) получаются нейтроны с энергиями ~2.5 МэВ и ~14.1 МэВ. Так как сечения этих реакций достаточно велики при небольших энергиях дейтронов, можно обойтись небольшими ускорителями. Максимум сечения реакции (8) при энергии Td 120 кэВ. Обычно используются каскадные генераторы. Типичный выход нейтронов у нейтронных генераторов ~1010 c-1. Использование быстрых нейтронов позволяет проводить анализ легких элементов (C, N, O), которые плохо активирующихся тепловыми нейтронами.
Рассмотрим схему активационного анализа на примере нейтронно-активационного анализа на тепловых нейтронах. Последовательность событий, происходящих в реакциях радиационного захвата (n,γ) представлена на рис. 4.
Рис. 4. Последовательность событий в реакции радиационного захвата
|
В результате неупругого взаимодействия теплового нейтрона с ядром образца образуется компаунд-ядро в возбужденном состоянии, энергия возбуждения определяется энергией связи нейтрона в ядре. Компаунд-ядро быстро сбрасывает свою энергию возбуждения и переходит в основное состояние, излучая один или несколько характеристических мгновенных гамма-квантов. Во многих случаях это ядро бета-радиоактивно и тоже распадается с характеристической постоянной распада. Более того, часто бета-распад идет на возбужденные состояния конечного ядра, которые в свою очередь сбрасывают энергию возбуждения испуская характеристические гамма-кванты (задержанные).
В принципе нейтронно-активационный анализ возможен на (1) мгновенных гамма-квантах, когда измерения проводятся в процессе облучения, или (2) на задержанных гамма-квантах, когда измерения проводятся во время бета-распада.
Первый метод обычно реализуется на выведенном из реакторе пучке нейтронов. При этом потоки, падающие на образец на ~6 порядков меньше, чем при облучении внутри реактора. Зато детектор может быть расположен очень близко к образцу. Этот метод в основном применим для элементов с экстремально большим сечением реакции радиационного захвата (B, Cd, Sm и Gd); элементов, изотопы которых имеют малые периоды полураспада, чтобы можно было использовать второй метод, элементов у которых в результате реакции (n, ) образуются только стабильные изотопы или элементов аналитические изотопы испускают гамма-кванты с малой интенсивностью.
Второй метод применяется чаще. Он применим для подавляющего большинства элементов, у которых в результате радиационного захвата образуются радионуклиды.
Рассмотрим применение второго метода на примере анализа магния. Изотопом магния, который служит для анализа, является 26Mg (содержание в естественной смеси 11.01%). Получающийся в результате реакции 26Mg(n,γ)27Mg с сечением 0.0372 барн бета-радиоактивный изотоп 27Mg имеет период полураспада 9.458 минут. Он распадается на возбужденные состояния 27Al, которые сбрасывают энергию возбуждения эмиссией гамма-квантов. Гамма-кванты, которые служат для идентификации и количественного анализа имеют энергии E1 = 1.0144 МэВ и E2 = 0.8438 МэВ. Приблизительно 71% всех бета-распадов сопровождается испусканием гамма-квантов с энергией E1 и ~28% с энергией E2. При анализе необходимо учесть эффективность регистрации гамма-кантов соответствующих энергий.
Ежегодно в мире проводится более сотни тысяч активационных анализов. В качестве примера можно упомянуть нейтронно-активационный анализ волос Исаака Ньютона, который был проведен в английском ядерном центре в Олдермастоне. Для исследования на присутствие золота и ртути облучение нейтронами продолжалось 5 дней, а на мышьяк, сурьму и серебро - до 14 дней. Оказалось, что сдержание металлов с высокой токсичностью значительно превышало нормальный уровень; так количество ртути в волосах Ньютона в 40 раз превосходило норму. Полученные данные подтверждают предположение о том, что Ньютон в течение длительного времени болел вследствие ртутного отравления.
|
