Авторадиография с использованием активации фотонами и нейтронами для исследования распределения благородных металлов в образцах горных пород

Вин Мьо Тхун

Авторадиография с использованием активации фотонами и нейтронами для исследования распределения благородных металлов в образцах горных пород тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Вин Мьо Тхун АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Авторадиография с использованием активации фотонами и нейтронами для исследования распределения благородных металлов в образцах горных пород»

Автореферат диссертации на тему "Авторадиография с использованием активации фотонами и нейтронами для исследования распределения благородных металлов в образцах горных пород"

На правах рукописи

Вин Мьо Тхун

□0305Б6Э8

Авторадиография с использованием активации фотонами и нейтронами для исследования распределения благородных металлов в образцах

горных пород

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

Москва 2007

003056698

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Минаев Валерий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Ципенюк Ю.М

кандидат химических наук, Коробков В.И

Ведущая организация

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии паук (ГЕОХИ РАН)

Защита состоится «15» мая 2007 г. в 12 ч 00 мин, на заседании диссертационного совета Д.212.130.07 в Московском инженерно-физическом институте по адресу 115409, Москва, Каширское шоссе 31, т. 323 - 91-67, 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан « » апреля 2007 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенной печатью организации.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.130.07

Дмитренко В.В.

Общая характеристика работы Актуальность работы

Определение благородных металлов, т.е. элементов платиновой группы (ЭПГ) и золота, с высокой точностью и с минимальным пределом обнаружением является одной из основных задач аналитической химии. Данные о содержании и распределении ЭПГ и золота представляют существенный интерес, особенно в связи с проблемой поиска месторождений этих металлов. Характер распределения включений ЭПГ и золота в многофазной горной породе позволяет делать выводы о механизме образования этой породы и прогнозировать возможность образования месторождений ЭПГ и золота. В литературе приводятся лишь ограниченные сведения об их концентрации в мантийных включениях. Содержание ЭПГ и золота в природных объектах находится в пределах (К)'4 - 10"12 %).

В настоящее время для определения ЭПГ и золота активно развиваются ядерно-физические, или ядерно-аналитические методы, а также разработаны десятки методов локального анализа и анализа элементов на поверхности. Одним из них, позволяющем выявлять локализацию включений ЭПГ и Аи, является метод активационной авторадиографии (АРГ).

Активационная авторадиография предназначена для изучения пространственного распределения элементов в образцах после их облучения ионизирующим излучением с целью образования радионуклида, который используют как источник аналитического сигнала. Из различных вариантов активационной авторадиографии для изучения распределения элементов платиновой группы (ЭПГ) и золота наибольший интерес представляет активационная бета-авторадиография, отличающаяся низкими пределами обнаружения (до 1 нг) и высоким пространственным разрешением.

Разработка различных вариантов активационной авторадиографии положена в основу данной работы.

Цель работы

Разработать оптимальные авторадиографические методики исследования распределения ЭПГ и золота с целью достижения минимального предела обнаружения

• исследовать характеристики ядерных фотоматериалов, применяемых в активационной авторадиографии.

• разработать критерии оптимизации режимов нейтронно- и гамма-активационной авторадиографии.

• повысить селективность активационной авторадиографии, используя последовательную активацию фотонами и тепловыми нейтронами.

• исследовать распределения мелкодисперсных включений благородных металлов в образцах ультраосновных горных пород.

Научная новизна работы состоит в

• определении зависимости чувствительности ядерных фотоматериалов от энергии бета-частиц в широком диапазоне энергий.

• проведении оптимизации режимов проведения гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии для получения минимального предела обнаружения.

• повышении селективности определения платины путем последовательной активации образцов фотонами и нейтронами.

• исследовании распределения мелкодисперсных включений золота и ЭПГ в образцах горных пород методом нейтронно-активационной и гамма-активационной авторадиографии.

Практическая значимость работы.

Разработаны оптимальные методики определения пространственного распределения ЭПГ и золота в геологических образцах.

Показано, что разработанные методики позволяют определять с пределом обнаружения БМ в образцах горных пород ультраосновного состава (нг): Аи - 0,03, Pt - 0,16, Pd - 0,42 и Rh - 3,4 при гамма-активации и Аи - 0,0034, 1г - 0,0061, Pt -0,45 и Os - 0,39 при активации нейтронами.

Определены зависимость чувствительности трех ядерных фотоматериалов от энергии бета-частиц и относительная погрешность измерения среднего и локального флюенса бета-частиц. Показано, что хотя отечественные ядерные фотоматериалы типа MP имеют меньшую чувствительность к бета-частицам релятивистских энергий, чем аналогичные у фирмы Kodak, тем не менее, они обеспечивают меньшую относительную погрешность измерения флюенса бета-частиц.

Апробация работы. Результаты работы доложены на следующих конференциях:

• Научная сессия МИФИ-2005 (Москва, 2005)

• Научная сессия МИФИ-2006 (Москва, 2006)

• Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам. "JIOMOHOCOB-2006" (Москва, 2006)

• Круглый стол 16-ой ежегодной конференции Ядерного Общества России (29 июня 2006 г., ФГУП ВНИИТФА, Москва)

• Научная сессия МИФИ-2007 (Москва, 2007)

На защиту выносятся следующие положения и результаты

• исследование распределения благородных металлов в образцах ультраосновных горных пород методами гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии.

• оптимизация проведения гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии и расчет пределов обнаружения этими методами.

• выбор энергии тормозного у-излучения и определение выходов радионуклидов для снижения пределов обнаружения благородных металлов.

• определение чувствительности ядерных фотоматериалов, применяемых в активационной авторадиографии к р - излучению и вторичному излучению, возникающему при К-захвате.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и списка литературы из 52 наименования. Диссертация изложена на 114 страницах печатного текста, включая 42 таблицы и 30 рисунков.

Основное содержание работы

Глава 1. Во «Введении» обоснована актуальность предложенной темы, обозначены цели работы.

Глава 2. Литературпый обзор

Данные о содержании ЭПГ и золота представляют существенный интерес, особенно в связи с проблемой образования месторождений этих металлов. В литературе приводятся лишь ограниченные сведения об их концентрации в мантийных включениях. Содержание ЭПГ и Аи в природных объектах и промышленных материалах находятся в пределах (10° - 10 %) и для определения их среднего содержания и локализации привлекают различные методы. В настоящее время ядерно-физические, или ядерно-аналитические методы активно развиваются и находят широкое применение. Также разработаны десятки методов локального анализа и анализа поверхности. Обзор литературы показывает, что некоторые ядерно-физические или ядерно-аналитические методы и методы локального анализа имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение для решения задачи изучения распределения ЭПГ и золота в геологических образцах. Например, некоторые методы используются лишь для анализа поверхностных слоев образцов и тонких пленок. Для определения благородных металлов в геологических образцах наиболее часто используются рентгеноспектральный микроанализ, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и лазерным пробоотбором, а также масс-спектрометрия вторичных ионов. Однако, эти методы требуют больших затрат времени при локализации фаз, содержащих ЭПГ и золото. Эффективным методом локализации фаз, отвечающим необходимым требованиям при исследовании распределения ЭПГ и золота в геологических образцах, является метод авторадиографии. Из различных вариантов активационной авторадиографии для изучения распределения ЭПГ и золота наибольший интерес представляет акгавационная бета-авторадиография, отличающаяся низкими пределами обнаружения (до 1 нг) и высоким пространственным разрешением. Для расширения сферы применения метода можно несколькими путями. Одним из них является применение различных фотоматериалов и выбор их оптимальных режимов обработки. Для проведения оптимизации авторадиографического исследования необходимо знать зависимость между активностью радионуклидов и плотностью почернения авторадиограмм за время экспозиции, так как литературные данные о чувствительности ядерных фотоматериалов к бета-излучению различной энергии противоречивы, а сама чувствительность в значительной степени зависит от режимов проявления. Серьезной проблемой является также идентификация радионуклидов, вызвавших почернение авторадиограммы. Единственным критерием является возможность определения периода полураспада этого радионуклида путем изучения зависимости плотности почернения от времени «охлаждения». Однако при разнице в периодах полураспада для двух радионуклидов в полтора - два раза, провести достоверную идентификацию практически невозможно.

Поэтому в данной работе определена зависимость чувствительности ядерных фотоматериалов от энергии бета-частиц, проведена оптимизация режимов проведения гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии, повышена селективность определения платины путем последовательной активации образцов

фотонами и нейтронами. С помощью этих результатов исследованы распределения мелкодисперсных включений золота и ЭПГ в образцах горных пород методом нейтронно-активационной и гамма-активационной авторадиографии.

Глава 3. Экспериментальная часть

Образцы, облучение и измерения

Для экспериментального определения зависимости чувствительности, Б, ядерных фотоматериалов от энергии (3-частиц были выбраны шесть элементов: алюминий, ванадий, титан, скандий, золото и фосфор. С целью оптимизации временных режимов ИНАА были приготовлены четыре эталонных образца благородных металлов Р{, Рс1, ИИ и 1г. Для оценки возможности определения включений благородных металлов были подготовлены образцы ультраосновной породы из Гальмано-Энанского массива (п-ов Камчатка), района Ра-Из (полярный Урал) и Норильского района (п-ов Таймыр), а также образец из Венгерского бассейна. Из этих образцов были приготовлены аншлифы размером 6см2 и толщиной менее 1 мм. Для увеличения механической прочности аншлифов перед шлифовкой образцы приклеивались к пластине кремния высокой степени чистоты. Состав матрицы и содержание платины для некоторых образцов представлены в табл.1.

№ Название образца Состав матрицы Содержание Pt Происхождение

I 787 (Mg, Fe)2 SiOj, FeCr04 6*1 (ГЧ Гальмано-Энанский массив (п-ов Камчатка)

2 А-1 (Mg, Fe)2 Si04, FeCrCXt, Cu, Ni - Норильский район (п-ов Таймыр)

3 795 (Mg, Fe)2 Si04) FeCr04 4,92x10-4 Гальмано-Энанский массив (п-ов Камчатка)

4 588 (Mg, Fe)2 Si04, FeCr04 3,0x1 О^/о

5 20-56 (Mg, Fe)2 Si04, шпинель - Район Ра-из (полярный Урал)

6 800-Б (Mg, Fe)2 Si04, FeCrO, 9,0x10^% Гальмано-Энанский массив (п-ов Камчатка)

7 SZB-13 Оливин, шпинель, пироксен - Венгерский бассейн

Облучение исследуемых образцов проводилось в двух местах: тормозным излучением на линейном ускорителе электронов У-17 (МИФИ) при максимальной энергии тормозного излучения 25 и 15 МэВ в течение 60 минут при токе электронов 22 и 40 мкА, соответственно и в тепловой колонне ИРТ МИФИ. Плотность потока тепловых нейтронов составляла 1,6 х 10iJ н/см2с, кадмиевое отношение по |98Ли - 13,5. Точность задания потока нейтронов была 2,5 %.

Измерение наведенной активности образцов проводилось с помощью трех полупроводниковых гамма-спектрометров: GeLi-детектора с относительной эффективностью регистрации гамма-излучения 7,4% разрешением 2 кэВ по линии 60Со с энергией 1332 кэВ; детектора (ППД) из особо чистого германия фирмы CANBERRA (модель-GC 2518), диаметром 56,5 мм и длиной 44 мм, с относительной эффективностью регистрации 25% по линии 1332,5 кзВ 60Со и планарного детектора из особо чистого германия толщиной 15 мм и разрешением 0,65 кэВ по линии 122 кэВ и предназначался для более точного определения части

спектра (до 200 кэВ). Обработку спектров проводили с использованием программ Gamma-Vision, Angamma и GENIE - 2000.

Ядерные фотоматериалы, режимы проявления и фотометрировапия.

Для проведения эксперимента были выбраны отечественные и зарубежные ядерные фотопластинки и фотопленки, характеристики которых приведены в табл. 2.

Табл. 2. Характеристики ядерных фотоматериалов.

Название Изготовитель Тип эмульсии Толщина эмульсии Год изготовления

Фотопленка ГОСНИИХИМФОТОПРО ЕКТ MP 19 мкм 1988

Фотопластинка Московский завод технических фотопластинок MP 10 мкм 1989

Фотопленка Kodak BioMax MR 13 мкм 2004

Для фотографической обработки ядерных фотоматериалов использовали проявитель Kodak GBX Developer и проявитель Д-19. Рабочий раствор для проявления готовили смешиванием 4 объемов воды и 1 объема проявителя Kodak GBX Developer или на 2 объема проявителя Д-19. „Стоп-раствор" - 0,5 % раствор уксусной кислоты. Временной режим фотографической обработки (мин): вода - 3 , проявитель - 9, вода - 0,5, стоп-раствор - 3, вода - 0,5, фиксаж - (20-30), вода -30.

Для увеличения динамического диапазона измеряемых плотностей почернений нами было предложено использовать следующие типы сканеров для двумерной денситометрии: специализированный слайд-сканер Microtek FilmScan3600 (3600 dpi, динамический диапазон ~ 2,5 единицы); планшетный сканер Samsung SCX-4100, разрешение (оптическое): 600 х 600 точек на дюйм, разрешение (увеличенное): 4800 х 4800 точек на дюйм; слайд-сканер DIMAGE Scan Dual IV, фирмы KONICA MINOLTA, Model AF-3200 (3200 x 3200 точек на дюйм).

Исследование характеристик ядерных фотоматериалов, применяемых в актнвацношюм авторадиографии

Для получения характеристической кривой - зависимости величины оптической плотности ядерных фотодетекгоров от величины флюенса бета-частиц использовали радионуклид 234тРа, который является продуктом при распаде M8U. Определение плотности почернения ядерных фотоматериалов проводилось с помощью микрофотометра ИФО-451 (рис. 1). Градуировочные зависимости для всего интервала экспериментальных точек достаточно хорошо аппроксимируются экспоненциальным распределением измеренной плотности почернения, Д:

Д = В + Ах(1-е~*х^),

где В - вуаль ядерного фотоматериала, А - максимальная плотность почернения, которая может быть достигнута для этого фотоматериала, к -константа, характеризующая угол наклона кривой, ф - флюенс бета-частиц, см"1. Чувствительность ядерного фотоматериала, численно равная тангенсу угла наклона характеристической кривой на линейном участке, была определена по формуле:

S =

Соответствующие коэффициенты приведены в табл. 3. Табл.3. _ _

Фотоматериалы В А к, 10'7см '2 S, 10"'см'2

Фотопленка Kodak 0,49 1,57 0,0929 0,146

Фотопластинка MP 0,13 5,5 0,0069 0,038

Фотопленка MP 0,13 3,7 0,0063 0,023

Величина вуали зависит от длительности и условий хранения фотоматериалов, чувствительности детектора (чем она выше, тем больше вуаль), и ряда других факторов.

Для экспериментального определения зависимости чувствительности, S, отечественных ядерных фотопластинок типа MP, фотопленок типа MP и фотопленок типа Kodak BioMax MR Film от энергии (3-частиц были выбраны радионуклиды с простой схемой бета-распада. В качестве образцов использовались естественный уран с медной фольгой, образец циркониевого сплава с введенным радионуклидом 14С и шесть образцов, облученных в тепловой колонне ИРТ МИФИ (алюминий, ванадий, титан, скандий, золото и фосфор). Условия активации были выбраны такими, чтобы флюенс бета-частиц за время экспозиции был не меньше, чем 1/S = 5x10s частиц/см2. Флюенс (3-частиц определялся с помощью торцевого счетчика или путем расчета по измерениям активности радионуклидов по их у-излучению. Все авторадиограммы проявлялись в проявителе Д-19.

На рис.2 приведена зависимость чувствительности ядерной фотоэмульсии в см2 от энергии Р-частиц.

. i 1.5 %

S 1.0

-I-

Флюэмс бета-частиц, х10 см

Рис. 1. Зависимость плотности почернения для трех пленок от флюенса (3-частиц,

Полученные результаты

Рис.2. Зависимость чувствительности ядерной фотоэмульсии в см2 от энергии (3-частиц. показали, что чувствительность свежеприготовленной фотопленки фирмы Kodak значительно выше, чем у старых фотоэмульсий типа MP. С другой стороны, вуаль фотопленки фирмы Kodak также выше, чем у отечественной пленки типа MP. Кроме того, максимальная плотность почернения фотопленки фирмы Kodak существенно меньше, чем у ядерных фотоматериалов типа MP, особенно, если сравнивать с фотопластинками. Это приводит к уменьшению линейного участка характеристической кривой фотопленки фирмы Kodak. Зависимость чувствительности трех ядерных фотоэмульсий от энергии (3-частиц получилась линейной в полулогарифмическом масштабе с одинаковым углом наклона. Чувствительность ядерной фотопленки типа MP к Р-частицам за 16 лет понижается в 10 раз. С другой стороны, чувствительность фотопленки фирмы Kodak сравнима с чувствительностью отечественной пленки[1].

При определении флюенса бета-частиц по плотности почернения авторадиограммы необходимо учитывать две основные погрешности: погрешность равномерности толщины эмульсионного слоя и погрешность, связанную с измерением локальной плотности почернения ядерных фотоматериалов. Первая погрешность, 5, была определена как относительная погрешность средней плотности почернения авторадиограммы на линейном участке следующим образом:

V ((Д - В)-Лхе~**фЛ\ 2

2-, I (М-В) )

где п - количество авторадиограмм в одном эксперименте.

Средняя погрешность (отклонение от линейности) для фотопленки фирмы Kodak составляет 8,5 %, для фотопленки типа MP - 8,43 % и для фотопластинки типа MP - 7,3 %.

Для определения погрешности, связанной с измерением локальной плотности почернения ядерных фотоматериалов, все полученные авторадиографические изображения переводили в цифровой формат и обрабатывали с помощью программы Adobe Photoshop 5.0 следующим образом. Сначала изображение переводили в черно-белый (256 градаций серого) формат с использованием встроенного конвертора (меню image, mode команда grayscale). Далее, выделяя интересующую область авторадиографического изображения, инструментом "прямоугольное выделение", с помощью команды "гистограмма" (меню "изображение") получаем значения яркости, Q, выделенного объекта и стандартное отклонение этой величины, QerT, и темноты, равной (B-Q)[2],

На рис.3, приведена зависимость темноты пленок (B-Q) от флюенса ß-частиц с использованием двух типов сканеров: слайд-сканера и планшетного.

300 250

я 200 I | 150

! £ 1оо

Рис.3. Зависимость темноты пленок (В-С2) от Рис.4. Зависимость относительной погрешности флюенса Р-частиц измерения локального флюенса бета-частиц от

флюенса бета-частиц.

Полученные зависимости достаточно хорошо аппроксимировались выражением:

(в-вмт)=(Я~&ю)><0~е~*Хф) , где В - средняя яркость вуали, <3„„„ -минимальное значения яркости.

Вторая погрешность, ц, связанная с локальным измерением плотности почернения ядерных фотоматериалов, была определена следующим образом:

, где ¿в - угол наклона кривых, представленных на графике (рис. 3).

На рис.4, приведена зависимость относительной погрешности измерения локального флюенса бета-частиц ц, для различных ядерных фотоматериалов, от флюенса бета-частиц при размере фотометрируемого участка 7x7 мкм2 (размер одного пикселя).

Как видно, при малом флюенсе бета-частиц, погрешность оказалась большой. С увеличением флюенса бета-частиц относительная погрешность постепенно уменьшается до конца линейного участка (Рис. 4) и достигает минимума. Это связано с тем, что на линейном участке кривой основная погрешность является статистической. Затем, с ростом плотности почернения авторадиограммы (с ростом флюенса бета-частиц) относительная погрешность увеличивается, так как характеристическая кривая ядерного фотоматериала выходит на насыщение. Самая большая погрешность определения флюенса бета-частиц получается при использовании фотопленки фирмы Кос1ак на слайд-сканере из-за высокого уровня вуали, затем следуют фотопластинки МР и фотопленки МР при использовании планшетного сканера. При малой плотности почернения авторадиограмм выгоднее использовать планшетный сканер, а при большой - слайд-сканер. Использование обоих сканеров существенно расширяет диапазон измеряемых флюенсов бета-частиц, причем в оптимальном режиме относительная погрешность измерения составляет менее 2%. Наиболее широкий интервал измерения флюенса бета-частиц и минимальная погрешность получаются при использовании фотопленки МР на слайд-сканере.

Выбор энергии тормозного у-излучення и определение выходов радионуклидов

Предварительные эксперименты показали, что основным мешающим элементом при определении благородных металлов является магний, из которого по реакции 2 М£(у,р)24№ образуется радионуклид натрия с периодом полураспада 15 час. Так как порог этой реакции, равный 12,06 МэВ, заметно выше, чем пороги основных ядерных реакций, используемых в анализе, был проведен расчет их выхода на золоте, магнии, меди и никеле при энергии электронов 25, 20 и 15 МэВ для всех известных сечений ядерных реакций. Расчет проводился следующим образом:

А- £о-(£>1(Г54ЛГхДЕх(1-е"1ДЧл)

АГ_ /з х/яр) х 6,023x10" где, N - ~ , число радиоактивных ядер, ^¡(Е) -

дифференциальное сечение в барнах, ЛЕ - шаг суммирования активности изотопов по энергии, Ф/£г) - поток тормозного гамма-излучения, Р - распространенность изотопа, т(г) - масса элемента в граммах, М~ атомный вес элемента.

Результаты определения активности приведены в табл. 4. Проведенные расчеты показали, что при уменьшении энергии электронов с 25 до 20 Мэв, активность уменьшается в 1,43 раза для 197Аи; 7,05 - для 24Ыа; 2,54 - для 57№; 2,14 - для 57Со и 2,12 - для 64Си. При уменьшении энергии электронов с 25 до 15

Мэв, активность этих радионуклидов уменьшается для 197Аи в 2,53 раз; 24№ - 206; 57№-20; 57Со- 15,1 и64Си-7,7.

Табл. 4. Расчет активности мешающих радионуклидов и золота при изменении энергии электронов

Элемент Реакция Тш Вес, г. распр. А, Бк (25 МэВ) А, Бк ,_ (20 МэВ) А,Бк (15 МэВ)

Аи ,у'Аи(у,пГАи 6,18 дн 0,00449 I 3,91Е+04 2,74Е+04 1,55Е+04

15ч 0,0229 0,1013 1.27Е+04 1.80Е+03 6,15Е+01

№ 38№(у,п)"№ 36 ч 0,12172 0,6776 3,60Е+05 1,42Е+05 1.80Е+04

№ 58№(у,р)57Со 271 дн 0,12172 0,6776 9.33Е+03 4,36Е+03 6Д6Е+02

Си мСи(у,п)мСи 12,7 ч 0,0243 0,309 4.35Е+05 2,05Е+05 5.64Е+04

Эти расчеты - оценочные, так как в них не учитывался спектр электронов, полученных на ускорителе. Экспериментальную проверку выходов ядерных реакций проводили при энергии электронов 25 и 15 МэВ. В табл. 5 приведены результаты определения активностей. Кроме того, в табл. представлены активности радионуклидов ЭПГ и золота, полученные в работах [2,3], при облучении тормозным излучением.

Табл. 5. Наведенная радиоактивность благородных металлов и основных мешающих элементов, полученная при гамма-активации

Элемент Реакция Радио нуклид А, Бк/мг

25 МэВ 15 МэВ (21 Р1

Р1 (у,п) 21 49 37

(У.п) 1ИР1 967 463 814 2746

(У.п) - 419 - 3869

Аи (У,п) :У6Аи 895 1528 2300 6628

Р(1 (У.п) |Мра 1260 1204 2900 -

(У,п) 126 102 300 587

(У,р) ,и|тЮ1 15 11 8 -

Ш1 (У,2п) ""М 1 0,1 - -

ьм |0,гакь 151 1 85 450

(У,п) 0,4 - 0,7 38

(У,п) 23 10,98 27 -

Сг (у,П) адСг 395 80 - 8062

(У,п) "Сг 48,1 10 - 430

(у,р) 162 40 - 585

Си (у,п) мСи 1690 2387 - 6776

Ре (Т,п) !¥е - 1125 - 6302

(У.Р) иМп 115 24 - 389

N1 (У,Р) уСо 10 16 - -

(У,п) "к; 841 203 - 6162

Т1 (У,п) 4!Т1 916 426 - 3160

(У,Р> №8С 1 - - -

(у.р) «БС 134 | 26 - 1193

(7.Р) 12 1 3 - 39

Оптимизация проведения гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии и расчет пределов обнаружения этими методами.

Полученные нами данные по чувствительности ядерных фотопленок (см. рис.4.) позволяют рассчитать оптимизации временных режимов и пределы обнаружения включений ЭПГ и золота методами гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии.

Работа по оптимизации временных режимов активационной авторадиографии проводилась в программе "Mathcad" с помощью функции "Minimize". Временные факторы для искомого, f|, и мешающих , 4 изотопов можно представить в виде:

/(>2,/3) = -

, /¡('2,*3) = -

(1 - е )

Я, Л,

Предел обнаружения ЭПГ и Аи в исследуемых образцах АРГ методом по полученным авторадиограммам можно определить по формуле:

"7('2,f3) =

ЗхтэтхД>,./(Г2,ГЗ) __;

Х>,./, (/2,/3) х Vs

где, тЭ1 и д_ масса (в гр) и плотность почернения эталонного образца размером (21 х 21)мкм2 и толщиной 21 мкм, Д - плотность почернения от мешающих радионуклидов, и 5 - количество пикселей для выбранной площади.

В табл. 6 приведены результаты оптимизации временных режимов (время «охлаждения» и измерения) для распределения включений благородных металлов и их пределы обнаружений гамма- активационной авторадиографии для образов с присутствием мешающих элементов Си, N1, "П, Сг и

Табл. 6. Предел обнаружения (ПО) некоторых благородных металлов методом гамма-

№ Эле мент Энергия электронов 15 МэВ Энергия электронов 25 МэВ

Время «охлаждения», ДН. Время экспозиции, дн. ПО, иг Время «охлаждения» дн. Время экспозиции, дн. ПО, нг

1 Аи 11,6 6,4 0,03 16,7 25,4 0,07

2 Pt 0,06 2 0,16 0,06 8 2,3

3 Rh 90,2 90 3,4 90,2 90 7,38

4 Pd 0,06 3 0,42 0,06 5,3 3,08

Нейтронно-активационный анализ образцов показал, что во всех исследованных образцах состав матрицы примерно одинаков, основными минералами являются оливин ((К^, Ре)2 БЮ^) и хромит (РеСг04) с присутствием меди и никеля. Оптимизация временных режимов нейтронно-аюгивационной авторадиографии проведена в программе "МмИсск!" также как проведена для гамма-активационной авторадиографии.

Табл. 7. Предел обнаружения (ПО) некоторых благородных металлов методом гамма-

Элемент Энергия электронов 15 МэВ

Время «охлаждения», ДН. Время экспозиции, дн. ПО, нг

1 Аи 13,3 6,5 0,0034

2 1г 28,5 90 0,0061

3 Pt 12 0,45

4 Os 18 90 0,39

В табл. 7 приведены результаты оптимизации временных режимов (время «охлаждения» и экспозиции) для распределения включений некоторых благородных металлов и их пределы обнаружений нейтронно-активационной

I 1

13 1

а вторадио графи и для образца А-1, считая, что нес мешающие элементы распределены равномерно.

Полученные результаты оптимизации и расчетов предела обнаружения позволяют сделать следующие выводы: основными мешающими элементами при гамма-акгивационной авторадиографии были магний, медь и никель, из которых образуются J4Na, ыСи и Ni (Т1/2 = 15 ч, 12,7 ч и 35,6 ч), а при нейтронной активации - натрий и медь, из которых образуются 1ANa и мСи (Ti/2= 15 ч и 12,7 ч): период полураспада радионуклидов иридия, золота, платины и серебра значительно больше, чем у радиолуклидов 24Ка и 64Сч, что позволяет путем выбора оптимального времени «охлаждения» при нейтронной или гамма-активации обнаруживать включения этих элементов в образцах с большим содержанием меди, магния и натрия; предел обнаружения включений благородных металлов и выбор методики зависит от присутствия и распределения мешающих элементов.

R некоторых, особенно сложных случаях можно рекомендовать последовательное облучение сначала фотонами, а затем не {про нам и. 'Гак как распределение различных мешающих элементов будет создавать отличающийся фон для авторадиограмм, полученных после гамма- и нейтронной активации, то это будет способствовать выявлению распределения благородных металлов,

Исследование распределения благородных металлов в образцах ультраосновкьгх горных пород методами гамма- и нентроннп-акгтивационной аегораяиш рафии

Гаммн-акгивацнонная ам «радиография

Поиск включений Рт и ли в образце 787. Этот образец является ультраосповной породой Гальмано-Энанского массива (п-ога Камчатка), в котором темноцветный минерал представлен исключительно оливином ((Mg, Fe)2 S1O4), а в качестве акцессорного минерала присутствует хромит ( FeCr04). Облучение образна проводилось тормозным излучением на линейном ускорителе электронов У-17 (МИФИ) при максимальных энергиях тормозного излучения 15 Мэв в течение 60 минут. Измерение наведенной активности образцов проводились при помощи GeLi детектора с относительной эффективностью регистрации гамма-излучения 7,4%, После облучения* образцы несколько раз экспонировали на ядерных фотопластинках типа MP, с толщиной эмульсии 30 мкм. Для фотографической обработки авторадиограмм использовали проявитель Kodak GBX Geveloper. Полученные авторадиограммы сканировали па слайд-сканере Microtek FilmScan3600 (3600 dpi, динамический диапазон ~ 2,5 единицы). В табл. 8 приведены режимы экспонирования и расчета вклада различных нуклидов, образующихся при облучении тормозным излучением. На рис. 5 приведена одна из

Табл. 8.Режимы экспонирования образца 787 и расчета активности образовавшихся

Время «охлаждения», час Время экспозиции, час А, %

"Со :iNa siCr ™Sb 54Мп "Sc

3 3,2 2,16 0,00 94,60 2,12 0,96 0,00 0,16

6,2 15,5 2,67 _0,00 92,71 3,10 1,29 0,00 0,22

29,5 22,5 4,82 0,00 82,67 9,07 2,91 0,00 0,53

52 42 7,63 0,00 59,74 25,45 6,00 0,00 US

100 89 6,43 0,0! 10,75 72,03 8,76 0,01 2,00

189 ги 0,70 0,02 0,09 95,76 2,61 0,02 ,_0,81

На ней обнаружено только одно включение; содержание Р1 и Ли а нем можно оценить по формуле Ох

тХ ~ тэт х п , где тпу - масса искомого элемента (для получения почернения

Ох), тэт масса элемента В эталонном образце (плошадью 21x21 мкм2). -плотность почернения от эталонного образца, Ох - превышение плотности почернения от включения нал фоновой активностью, обусловленной радионуклидом 59Рс, равно 11 ± 1,8.

Оценка величины пз* показала, что данное почернение может быть вызвано присутствием во включении (0,18 ± 0.03) нг золота или (8,4 ± 1,4) нг платины.

Рис 6. Изменение фптаенса бета-частиц благородных металлов и основных мешающих элементов по времени «охлаждения»

Для выбора оптимальных режимов эксперимента и идентификации включения элементов при нейтронно-активационной авторадиографии необходимо знать изменение флюенса бета-частиц благородных металлов и основных мешающих элементов но времени «охлаждения».

Исшшзуя известные данные о сечении реакций и чувствительности ядерной фотоэмульсии, в настоящей работе проводили расчеты флюенса бета-частиц и удельной плотности почернения от радионуклидов благородных металлов и

Нейтронно-актнвацнонвая авторадиография

Время охльздснни, час

основных мешающих элементов при разных временах «охлаждения». Полученные зависимости приведены на рис. 6.

Как видно из приведенного рисунка, определению иридия и золота методом нейтронно-акгивационной авторадиографии никакие элементы не мешают. После распада Си и 24Na можно определить платину и осмий. Чувствительность к остальным благородным металлам очень маленькая. Железо и никель не мешают при нейтронно-активационной авторадиографии. С помощью этих зависимостей в данной работе исследованы распределения ЭПГ и золота в следующих образцах ультраосновной породы.

Исследование образца SZB-13. Образец SZB-13 представляет породу верхней мантии перидотита ксенолита из венгерского бассейна. Этот образец был облучен, для того чтобы убедиться в правильности проведения нами инструментального нейтронно-активационного анализа, поскольку элементный состав этого образца достаточно хорошо известен. Он определялся методом рентгеновского микроанализа и усреднялся по 30 точкам для образца в целом и для пяти фаз, также определен масс-спектрометрическом методом при ионизации в индуктивной плазмой Inductively coupled plasma и mass-spectroscopy (ICP-MS). В Великобритании содержание элементов было определено атомным эмиссионном анализом И индуктивной плазмой atom emission spectroscopy(ICP-AES) в США[4] .

В табл. 9 приведены результаты сравнения содержания элементов в образце SZB-13-3 в нашей работе и в работе[4].

элемент изотоп Масса (мкг) Концентрация, ppm Концентрация, ppm [4] Отношение результатов

Fe HFe 50279 ±6688 58820 ± 6688 59850± 410 0,98

Сг 3lCr 2602±13 3044±13 735 ±310 4

Na HNa 465 ±22 544 ± 22 1335 ±40 0,4

К 42K 227 ±31 265 ±31 331 ±20 0,8

Со MCo 202 ± 5 119 ± 5 100 ±6 1,2

Zn №nZn 43 i 13 50 ± 13 36,5 ± 5,5 1,4

Se 4tSc 11,0 ±0,7 12.9 ± 0,7 5,1 ±4,2 2,5

Sb '"Sb 6,9 ±0,3 8,0 ± 0,3 0,05 ± 0,04 160

Ga "Ga 1,6 ±0,2 1,9 ±0,2 0,9 ± 0,2 2,1

Eu '"Eu 1,29 ±0,04 1,51 ±0,04 0,03 ± 0,02 50

La ,4SLa 0,34 ± 0;05 0,40 ± 0,05 0,3 ± 0,2 1,3

Sm IiJSm 0,11 ±0,01 0,12 ±0,01 0,10 ±0,06 1,2

Как видно из результатов, приведенных в таблице, для большинства элементов наблюдается хорошее соответствие. Исключение составляют сурьма и европий. Для проверки нашего расчета содержание сурьмы было проведено по двум радионуклидам сурьмы 122Sb и 124Sb и получилось хорошее соответствие, что подтверждает правильность нашего расчета содержания сурьмы.

Анализ образца „795". Образец 795 представляет породу Гальмано-Энанского массива (п-ов Камчатка). Активация этого образца производилась в тепловом канале ИРТ МИФИ с плотностью потока тепловых нейтронов 1,6 х 10й н/см2с в течение 6 часов. Измерение наведенной активности образцов проводились при помощи детектора (ППД) из особо чистого германия фирмы CANBERRA (модель-

GC 2518), диаметром 56.5 мм и длиной 44 мм, с относительной эффективностью регистрации 25% по линии 1332,5 кэВ 6<3Со.

Энергии, юВ

Рис. 7. Гамма-спектр образца 795, полученный при времени его «охлаждения» 38,3 ч. и измерения 30 мин

. ив.

\ D 3 им

Рис.8. Авторадиограмма образца 795, полученная при времени его «охлаждения» 156 и экспозиции 47 час

На рис. 8 приведена одна из полученных авторадиограмм, на которой было обнаружено несколько включений, из которых были проанализированы два включения.

Зависимость флюенса Р-частиц от времени «охлаждения» приведена на рис. 9. (флюенс определялся по плотности почернения авторадиограммы)

Время ошвдешм, «с.

! L

Рис. 9. Зависимость логарифма флюенса Р-

Рис. 10. Сравнение экспериментальных точек флюенса р-частиц для включений (А, В) с

частиц для проанализированных включений ^таческими для радионуклидов 1г, 1г (А, В) от времени «охлаждения»

Так как с помощью гамма-спектрометрии в образце были обнаружены радионуклиды 1921г и т1т (см. рис. 7), был проведен расчет оптической плотности почернения от чистого иридия при экспериментальном времени «охлаждения». Полученные результаты показали, что эти включения соответствуют радионуклиду 1921г и радионуклиду с периодом полураспада ~3 дн, что близко к периоду полураспада радионуклида Аи.

Сравнение экспериментальных значений флюенса Р-частиц (А, В) с теоретическими для радионуклидов 1921г, 1941г и |98Аи (Т) при отношении концентраций иридия и золота 1: 2 приведено на рис. 10.

Как видно, что экспериментальные точки достаточно хорошо совпадают с теоретическими. Из такого совпадения можно сделать вывод, что эти включения содержат иридий:Шблото в соотношении 1:2.

Содержание иридия и золота в обнаруженных включениях можно оценить по следующей формуле:

Ох

гт ШМ V ___

Оценка т* показала, что данное почернение может быть вызвано присутствием в этом включении 60,1 ± 0,16 нг золота и 30 ± 0,08 нг иридия для включения (Л) и 31,2 ± 0,14 нг золота и 15,6 ± 0.07 нг иридия - для включения (В).

Анализ образца „20-56". Образец 20-56 является ультраосновиой породой района Рз-из (полярный Урал).

Рис. 11. Гамма-спектр образца 20-56, подученный рис, ¡2, Авторадиограмма образца 20-56, при времени его «охлаждения» 5,8 дн. и измерения случен пая „ри времени его «охлаждения» мин 164 и экспозиции 69 час

На рис. 11 приведен экспериментальный гамма-спектр образца при его временах «охлаждения» 5,8 дн. и измерения 30 мин. После облучения этот образец несколько раз экспонировался на ядерной фотопленке Одна из полученных авторадиограмм приведена на рис, 12,

На авторадиограммах было обнаружено несколько включений, из них проанализировали одно включение (см. рис. 12). Измерение плотности почернения от этого включения при разном времени «охлаждения» позволило получить зависимость флюенса (3-частиц от времени «охлаждения», которая приведена на

Как видно из приведенного графика, зависимость логарифма флюенса [}-частиц от времени «охлаждения» получилась линейной.

Экспериментальные точки достаточно хорошо аппроксимируются уравнением следующего вида: у = а +Ьх,

где а = 0,173 ± 0,083 и Ь =-0,00406 ± 0,00030.

■0,2

-0,6

? -0,8

-Г2

-М

ле

20Э 250 300 350 Врем* едл^ядекля, час.

Рис. 13. Зависимость логарифма флюенса р-частиц от времени «охлаждения»

Угол наклона приведенной зависимости соответствует периоду полураспада 74,1 ± 6 час, что близко к периоду полураспада радионуклида 19 Аи, образованного при ядерной реакции 198Pt(n,y)199Pt-> 19 Au.

Сочетание гамма- и пейтронно-активационной авторадиографии

Поиск включений благородных металлов в образце А-1. Образец горной породы А-1, в котором основным минералом являются оливин ((Mg, Fe)2 Si04), хромит (РеСгОДмедь и никель, полученный нами в ГЕОХИ имени В. И. Вернадского, активировался несколько раз. На рис. 14. представлен образец А-1.

Часть 1 - Образец А-1 Б.

Часть 2 - Образец А-1 к.

Часть 3 - Образец А-1м.

Рис. 14. Образец А-1

Для активации фотонами из него был вырезан диск диаметром 8 мм. Этот круглый образец облучали 30 минут на микротроне Института Физических Проблем РАН (средний ток 2,5-10 мкА, максимальная энергия тормозного гамма-излучения 25 МэВ). Через 25 часов после окончания облучения в гамма-спектре доминирует пик 51Сг (320 кэВ), наблюдаются также пики радионуклидов 4?Sc и 57Ni, образовавшихся соответственно из хрома, титана и никеля. Этот же образец (А-1 к) облучался в течение 1 минуты потоком тепловыми нейтронами 1,6 10й н.см"2. с"' в реакторе МИФИ с целью определения родия и иридия по реакциям 103Rh(n,y)104mRh, 103Rh(n,y)104Rh и 19,1г(п,у)192ш1г . Но фотонов короткоживущих изотопов I04mRh, 104Rh и 192mIr не было обнаружено.

В данной работе для поиска включения платины этот образец (А-1 к) облучался фотонами в течение 1 часа на линейном ускорителе электронов У-17 МИФИ с энергией электронов 15 МэВ. После облучения на линейном ускорителе электронов У-17 МИФИ образец А-1к несколько раз экспонировался на ядерных фотопластинках типа MP, с толщиной эмульсии 10 мкм. Для фотографической обработки авторадиограмм использовали проявитель Kodak GBX Geveloper. Полученные авторадиограммы сканировали на слайд-сканере Microtek FilmScan3600 (3600 dpi, динамический диапазон ~ 2,5 единицы).

Основными мешающими элементами при гамма-активационной АРГ были магний, медь и никель. На авторадиограмме включения этих элементов обнаружить сложно, так как в образце много включений меди и никеля. Период

1Q7

полураспада Pt мало отличается от периодов полураспада основных мешающих радионуклидов 24Na, 57Ni и MCu, что не позволяет путем выбора оптимального времени «охлаждения» образца обнаружить в нем включения платины.

В таких сложных случаях можно проводить последовательное облучение сначала фотонами, а затем нейтронами. Так как распределение различных мешающих элементов будет создавать отличающийся фон для авторадиограмм, полученных после гамма- и нейтронной активации. Чтобы проверить это утверждение, образец А-1к облучался в течение 5 часов потоком тепловых

Нейтронов 1,6 х 101' н/см3с в реакторе МИФИ. Измерение наведенной активности образцов проводились up« тожащи детектора (ППД) т особо чистого германия фирмы CANBERRA (модель-GC 2518). диаметром 56,5 мм и длиной 44 мм, с относительной эффективностью регистрации 25% по линии 1332,5 кэВ 60Со. На рис. 15 приведен экспериментальный гамма-спектр образца при его времени «охлаждения» 5,85 дн. и измерения 2 часа. В табл. 10 приведены состав и средняя активность образца.

Энергия. •>''

¡4'^ 15. Гамма-спектр образца А-1к, полученный при времени его «охлаждения» 5,85 дн и измерения 30 мин.

элемент Образец A-Ik

Радио нуклид А сред. (Бк) масса (мкг)

Са Sc47 8,54&H)1 30088

Fe Fe-59 3,40E+92 17051

Си Cu-64 2,04 Е+06 1811

Na Na-24 2,85 Е+03

1 П 199Au 3,36E+01 5,32

Се Ce-141 6,47Е+00 4,29

La La-140 1,94Е+03 3,73

Сг 51Cr 2.15Е+01 3,22 |

Se Se-75 2,! 0Е+00 3,11

L _ Hg-197 2.79Е-02 2,39 !

Sm Sm-153 1,60Е+03 0,64

Hf Hf-lSI 4.42Е+00 0,54 .

1 Yb Yb-175 !,25Е+02 0,32 \

Lu Lu-177 4,59Е+01 0,07

An Au-198 9.24Е+0! 0,05

Co Co-60 IJ8F+02 25,77

Sc Sc-46 S.70E+01 0,00

Ag Ag-llOm 8.05Е-01 0.72

Eu En-152 6.6SE+00 0,13 J

После облучения тепловыми нейтронами образец также несколько раз экспонировался на ядерных фотопластинках тина МР и проведено сравнение гамма- и нейтронно-активациошюй авторадиографии.

Рис. 16-а

Рис, 16-6

На рис. 16-а. приведена одна из полученных гамма-активационных авторадиограмм образца и на рис. 16-6. - одна из полученных нейтронно-активационных авторадиограмм.

На гамма-активационной авторадиограмме было обнаружено несколько включений. С помощью ИНАА в этом образце определено количество платины (5,3 мкг). Поэтому какое-то включение должно быть от платины. Но идентифицировать сложно, так как в образце присутствуют включения меди и никеля и чувствительность к этим радионуклидам почти одинаковая.

Никель хорошо определяется при облучении фотонами (см. рис. 16-а), но не активируется нейтронами, следовательно, эти включения связаны с присутствием никеля.

На нейтронно-активационной авторадиограмме, полученной нами при оптимальном времени «охлаждения» (т. е. после распада 64Си и 24Na) обнаружено только два включения (см. рис. 16-6).

На этих местах при гамма-активационной авторадиографии тоже были обнаружены включения. Такие включения не могут быть от золота, так как чувствительность к золоту очень большая, а относительная чувствительность к платине примерно одинаковая при активации фотонами и нейтронами. На авторадиограммах почернение от этих включений примерно одинаковое, следовательно, можно сделать вывод, что эти включения соответствуют платине.

Оставшаяся часть образца, весом 190 мг, (образец А-1Б) облучалась в тепловом канале на ядерном реакторе ИРТ МИФИ потоком тепловых нейтронов 1,6 х 10й н/см2с в течение 8 часов. Через 60 часов после окончания облучения был измерен гамма-спектр этого образца в стандартных условиях на гамма-спектрометре «Canberra» в течение 10 минут на расстоянии 52 мм от детектора. В результате измерения были обнаружены следующие радионуклиды 64Си, 1 3Sm, °La, 46Sc, 59Fe, ®Co, 24Na, 198Au, 5iCr,181Hf при разных временах «охлаждения».

Табл. 11. Состав образца А-1Б.

200 250 300 Энергия, юВ

Рис.17. Гамма-спектр А-1Б, полученный при времени его «охлаждения» 5,85 дн и измерения 30 мин.

элемент Радио нуклид Образец A-l Б

А сред. (pac/c) масса (мкг)

Са Sc-47 l,48E+03 521774

Fe Fe-59 1.17E+03 58641

Си Cu-64 1.19E+07 10576

Na Na-24 1.82E+04 39,57

Pt 199Au 1.91E+02 30,25

La La-140 5.27E+03 10,15

Cr 5!Cr 5,73E+02 85,64

Se Se-75 3,28E+00 4,84

Sm Sm-153 5.93E+03 2,35

Hf Hf-181 2.95E+01 3,63

Yb Yb-175 5,83E+02 1,50

Lu Lu-177 8.65E+01 0,14

Au Au-198 5,04E+02 0,27

Co Co-60 4.04E+02 88,48

Sc Sc-46 4.86E+02 5,57

Eu Eu-152 5.77E+01 1,01

С целью сочетания гамма- и нейгроняо-акгивационной авторадиографии этот образец облучался фотонами на линейном ускорителе электронов У-17 МИФИ с энергией электронов 15 МзВ в течение 20 минут И тепловыми нейтронами в течение 5 часов потоком тепловыми нейтронами 1,6 10" н/см3с в реакторе МИФИ, На рис. 17 и в табл. П приведены экспериментальный гамма-спектр, результаты идентификации радионуклидов и определения наведенной ак-гивностей образца при его времени «охлаждения» 5,85 дн. и измерения 2 час.

После облучения образец так же несколько раз экспонировался на ядерных фотопластинках типа МР. На рис. 18-а, приведена одна из полученных гамма-активационных авторадиограмм образна и на рис. 18-6. - одна из полученных нейтронно-активационных авторадиограмм.

Рис. 18-а Риь. 18-5

Основными мешающими элементами в образце А-1Б при гамма-активационной ЛРГ тоже были магний, медь и никель. На обеих авторадиограммах хорошо видна большая область с высоким содержанием меди. Внутри этой области на гамма-активационной авторадиограмме виден участок с высоким содержанием никеля, в котором есть три включения (А). На данном месте нейтронно-активационной авторадиограммы, полученной нами при оптимальном времени «охлаждения» обнаружены также три включения. Так как плотность почернения от этих включений примерно одинакова, можно сделать вывод, что эти включения связаны с присутствием платины.

На нейтронно-аттационной автерадиограмме обнаружены 2 включении (В и С). На этих местах при гамма-активационной авторадиографии не были обнаружены включения. Так как чувствительность к золоту при нейтронно-актинационной авторадиографии значительно больше, чем при гамма-аю'ивационной авторадиографии, следовательно, можно сделать вывод, что эти включения соответствуют золоту. Обнаружив такие включения на образце, можно проверить их элементный состав методом рентгеноспектральиого микроанализа.

Сочетание гамма- и нейтронно-активационной авторадиография существенно расширяет возможности метода по выявлению включений благородных металлов в горных породах.

Выводы

1. Разработаны оптимальные методики определения пространственного распределения ЭПГ и золота в геологических образцах, что позволило получить следующие пределы обнаружения БМ в образцах горных пород ультраосновного состава (нг): Аи - 0,03, Pt - 0,16, Pd - 0,42 и Rh - 3,4 при гамма-акгивациии Au-0,0034, Ir-0,0061, Pt-0,45 и Os-0,39 при активации нейтронами.

2. Для выбора энергии тормозного у-излучения был проведены расчет выхода радионуклидов золота, магния, меди и никеля при энергии электронов 25, 20 и 15 МэВ, экспериментальная проверка выходов ядерных реакций при энергии электронов 25 и 15 МэВ и сравнение активности радионуклидов ЭПГ и золота с результатами, полученными в работах [2,3]. Показано, что уменьшение энергии электронов с 25 до 15 МэВ позволяет снизить предел обнаружения некоторых ЭПГ и Аи в образцах горного порода до уровня, полученного при энергии электронов 25 МэВ и отсутствии фонового излучения.

3. Предложено при наличии большого числа различных включений, проводить последовательное облучение сначала фотонами, а затем нейтронами. Так как распределение различных мешающих элементов будет создавать отличающийся фон для авторадиограмм, полученных после гамма- и нейтронной активации, то это будет способствовать выявлению распределения благородных металлов.

4. Определены зависимость оптической плотности ядерной фотопленки типа MP, ядерных фотопластинок типа MP и ядерной фотопленкой KODAK BioMax MR Film от флюенса бета-частиц, зависимость чувствительности этих фотоматериалов от энергии бета-частиц и относительная погрешность измерения среднего и локального флюенса бета-частиц. Показано, что хотя отечественные ядерные фотоматериалы типа MP имеют меньшую чувствительность к бета-частицам релятивистских энергий, чем аналогичные у фирмы Kodak, тем не менее, они обеспечивают меньшую относительную погрешность измерения флюенса бета-частиц.

5. Были исследованы распределения мелкодисперсных включений благородных металлов в образцах ультраосновных горных пород. При гамма-акгивационной авторадиографии в образце 787 обнаружено включение БМ, которое может быть обусловлено присутствием в нем (0,18 ± 0,03) нг Аи или (8,4 ± 1,4) нг платины.

6. При нейтронно-активационной авторадиографии в образце 795 были обнаружены включения иридия и золота, которые могут быть вызвано присутствием 60,1 ±0,16 нг золота и 30 ± 0,08 нг иридия для включения (А) и 31,2 ± 0,14 нг золота и 15,6 ± 0,07 нг иридия - для включения (В), в образце 2056 было обнаружено включение, измерение плотности почернения от этого включения при разном времени «охлаждения» соответствует периоду полураспада 74,1 ± 6 час, что близко к периоду полураспада радионуклида199Аи, образованного при ядерной реакции 198Pt(n,y)l59Pt-> Au.

7. С целью повышения селективности активационной авторадиографии проведено последовательное облучение фотонами и тепловыми нейтронами образца А-1. Из-за того, что распределение мешающих элементов создает различные значения фона, удалось учесть эти значения, повысить чувствительность анализа и обнаружить включения платины и золота.

Список литературы

1. Бабикова Ю.Ф., Гусаков А.А., Минаев В.М., Рябова Г.Г. Аналитическая авторадиография. - М.: ЭнергоатомиздатД985, - 160 с.

2. Андриянов А.Ю, Авторадиография с использованием различных источников активации и компьютерных способов обработки для определения благородных металлов в геологических образцах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. -М.: 2004. -120 с.

3. Kato. Т. // J. Radíoanal. Chem, 1973. Vol. 16. P. 307.

4. Nuclear analytical methods for platinum group elements, IAEA-TECDOC-1443, April 2005.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях

Статьи:

1. Вин Мьо Тхун, Минаев В.М., Самосадный В.Т., Исследование характеристик ядерных фотоматериалов, применяемых в активационной авторадиографии. -ПТЭ, 2006, №5, с. 1-6.

Тезисы:

1. Вин Мьо Тхун, Мииаев В.М., Исследование зависимости чувствительности ядерной фотоэмульсии от энергии р-частиц. Научная сессия МИФИ-2005. М.: МИФИ. 2005. Т5. с. 192-193.

2. Вин Мьо Тхун, Минаев В.М., Поиск включений благородных металлов в геологических образцах методами нейтронно-активационного анализа и авторадиографии. Научная сессия МИФИ-2006. М.: МИФИ. 2006. Т5. с. 120121.

3. Вин Мьо Тхун, Лина Нассан, Минаев В.М., Самосадный В.Т., Поиск включений благородных металлов в геологических образцах методами гамма-и нейтронно-активационного анализа и авторадиографии. Сборник тезисов "ЛОМОНОСОВ-2006". М.: МГУ -2006. Т2. с. 141-143.

4. Вин Мьо Тхун, Минаев В.М., Поиск включений иридия и золота в ультраосновных горных породах методом нейтрошю-акгивационной авторадиографии. Научная сессия МИФИ-2007. М.: МИФИ. 2007. Т5. с. 118119.

Подписано в печать 30.03.2007 г. Исполнено 02.04.2007 г. Печать трафаретная.

Заказ № 244 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Вин Мьо Тхун

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

2.1. Благородные металлы и вопросы аналитической химии.

2.2. Методы определения благородных металлов.

2.2.1. Ядерно-аналитические методы определения благородных металлов.

2.2.2. Методы локального анализа и анализа поверхности.

2.3. Общие сведения об авторадиография.

2.3.1. Метод авторадиографии.

2.3.2. Применение авторадиографии.

2.3.3. Нейтронно-активационная авторадиография.

2.3.4. Гамма-активационная авторадиография.

2.3.5. Достоинства и недостатки метода активационной авторадиографии.

2.4. Ядерные фотоматериаллы, используемые в авторадиографии.

2.4.1. Отечественные ядерные фотоматериалы.

2.4.2. Зарубежные ядерные фотоматериалы.

2.4.3. Чувствительность ядерных фотоэмульсий.

2.4.4. Способы обработки авторадиограмм.

2.5. Постановка задачи.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Образцы и их приготовление.

3.2. Активация образцов.

3.2.1 Облучение образцов тормозным излучением.

3.2.2 Облучение образцов в тепловой колонне ИРТ МИФИ.

3.3. Гамма-спектрометрия.

3.4. Ядерные фотоматериалы, режимы проявления и фотометрирования.

3.5. Исследование характеристик ядерных фотоматериалов, применяемых в активационной авторадиографии.

3.5.1. Зависимость плотности почернения фото-материалов от флюенса р-частиц

3.5.2. Определение чувствительности фотоматериалов к (3 - излучению разной энергии.

3.5.3. Чувствительность ядерных фотоматериалов к вторичному излучению, возникающему при К-захвате.

3.6. Выбор энергии тормозного у-излучения и определение выходов радионуклидов

3.7. Оптимизация временных режимов и определение пределов обнаружения инструментального активационного анализа и автораторадиографии.

3.7.1. Расчет оптимальных режимов и пределов обнаружения гамма-активационного анализа.

3.7.2. Расчет оптимальных режимов и пределов обнаружения цейтронно-активационного анализа.

3.7.3. Расчет оптимальных режимов и пределов обнаружения гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии.

3.8. Исследование распределения благородных металлов в образцах ультраосновных горных пород методами гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии.

3.8.1. Гамма-активационная авторадиография.

3.8.2. Нейтронно-активационная авторадиография.

3.8.3. Сочетание гамма- и нейтронно-активационной авторадиографии.

4. ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по физике, на тему "Авторадиография с использованием активации фотонами и нейтронами для исследования распределения благородных металлов в образцах горных пород"

Актуальность работы

Определение благородных металлов, т.е. элементов платиновой группы (ЭПГ) и золота, с высокой точностью и с минимальным пределом обнаружением является одной из основных задач аналитической химии. Данные о содержании и распределении ЭПГ и золота представляют существенный интерес особенно в связи с проблемой поиска месторождений этих металлов. Характер распределения включений ЭПГ и золота в многофазной горной породе позволяет делать выводы о механизме образования этой породы и прогнозировать возможность образования месторождений ЭПГ и золота. В литературе приводятся лишь ограниченные сведения об их концентрации в мантийных включениях. Содержание ЭПГ и золота в природных объектах находится в пределах (10"4 - 10~12 %).

Разработка различных вариантов активационной авторадиографии положена в основу данной работы.

Цель работы

• исследовать характеристики ядерных фотоматериалов, применяемых в активационной авторадиографии.

• разработать критерии оптимизации режимов нейтронно- и гамма-активационной авторадиографии.

Научная новизна работы состоит в

Практическая значимость работы

Показано, что разработанные методики позволяют определять с пределом обнаружения БМ в образцах горных пород ультраосновного состава (нг): Au - 0,03, Pt - 0,16, Pd - 0,42 и Rh - 3,4 при гамма-активации и Au - 0,0034, Ir - 0,0061, Pt - 0,45 и Os - 0,39 при активации нейтронами.

Определены зависимость чувствительности трех ядерных фотоматериалов от энергии бета-частиц и относительная погрешность измерения среднего и локального флюенса бета-частиц. Показано, что хотя отечественные ядерные фотоматериалы типа MP имеют меньшую чувствительность к бета-частицам релятивистских энергий, чем аналогичные у фирмы Kodak, тем не менее они обеспечивают меньшую относительную погрешность измерения флюенса бета-частиц.

Апробация работы. Результаты работы доложены на следующих конференциях

• Научная сессия МИФИ-2005 (Москва, 2005)

• Научная сессия МИФИ-2006 (Москва, 2006)

• Круглый стол 16-ой ежегодной конференции Ядерного Общества России (29 июня 2006 г., ФГУП ВНИИТФА, Москва)

• Научная сессия МИФИ-2007 (Москва, 2007)

На защиту выносятся следующие положения и результаты

• определение чувствительности ядерных фотоматериалов, применяемых в активационной авторадиографии к Р - излучению и вторичному излучению, возникающему при К-захвате.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы,

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

4. ВЫВОДЫ

1. Разработаны оптимальные методики определения пространственного распределения Э1ТГ и золота в геологических образцах, что позволило получить следующие пределы обнаружения БМ в образцах горных пород ультраосновного состава (нг): Аи - 0,03, Pt - 0,16, Pd - 0,42 и Rh - 3,4 при гамма-активации и Аи - 0,0034, 1г - 0,0061, Pt - 0,45 и Os - 0,39 при активации нейтронами.

2. Для выбора энергии тормозного у-излучения был проведены расчет выхода радионуклидов золота, магния, меди и никеля при энергии электронов 25, 20 и 15 МэВ, экспериментальная проверка выходов ядерных реакций при энергии электронов 25 и 15 МэВ и сравнение активности радионуклидов ЭПГ и золота с результатами, полученными в работах [35, 36]. Показано, что уменьшение энергии электронов с 25 до 15 МэВ позволяет снизить предел обнаружения некоторых ЭПГ и Аи в образцах горного порода до уровня, полученного при энергии электронов 25 МэВ и отсутствии фонового излучения.

5. Были исследованы распределения мелкодисперсных включений благородных металлов в образцах ультраосновных горных пород. При гамма-активационной авторадиографии в образце 787 обнаружено включение БМ, которое может быть обусловлено присутствием в нем (0,18 ± 0,03) нг Аи или (8,4 ± 1,4) нг платины.

6. При нейтронно-активационной авторадиографии в образце 795 были обнаружены включения иридия и золота, которые могут быть вызвано присутствием 60,1 ± 0,16 нг золота и 30 ± 0,08 нг иридия для включения (А) и 31,2 ± 0,14 нг золота и 15,6 ± 0,07 нг иридия - для включения (В), в образце 20-56 было обнаружено включение, измерение плотности почернения от этого включения при разном времени «охлаждения» соответствует периоду полураспада 74,1 ± 6 час, что близко к периоду полураспада радионуклида 199Аи, образованного при ядерной реакции 198Pt(n,y)199Pt^ 199Au.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Вин Мьо Тхун, Москва

1. Борисов А. А., Автореферат дис. докт. геол.- мин. наук. М.: ИГЕМ РАН, 2001,44 с.

2. Аналитическая химия металлов платиновой группы. Ред. Золотов Ю. А., Варшал Г. М., Иванов В. М. М.: Едиториал УРСС, 2003, 592 с.

3. Спектроскопические методы определения следов элементов / Под ред. Дж. Вайнфорднера. М.: Мир, 1979. 298 с.

4. Reeves R. D., Brooks R. R. Trace Elements Analysis of Geological Materials. N-Y. et all.: John Willey and Sons, 1978. P3.

5. Beamish F. E, Chung K. S., Show A. A. // Talanta. 1967. № 14. P.213.

6. Езерская H. A. // Журн. аналит. химии. 1981. Т. 36. № 10. С.2025.

7. Колотов В. П., Андриянов А. Ю., Догадкин Н. Н, и др. // Журн. аналит. химии. 2003. Т. 58. № 9. С.987.

8. Колесов Г. М. / XIII Всес. Черняевское совегц. по химии, анализу и технологии платиновых металлов. Свердловск, 1986. С. 144.

9. Колесов Г. М. // Журн. аналит. химии. 1996. Т. 51. № 1. С.78

10. Вандекастеле К. Активационный анализ с использованием заряженных частиц. М.: Мир, 1991. 202 с.

11. Тельдеши Ю., Клер 3. Ядерные методы химического анализа окружающей среды. М.: Химия, 1991. 187 с.

12. Phillip J. Е., Krivan V., Kolthoff I. M. Treatise on Analytical Chemistry, p. 1. Ser. К "Nuclear Activation and Radioisotopic Methods of Analysis." Interscience publ., John Wiley and sons, 1986. V. 14. 795 p.

13. Барышев В. В., Колмагоров Ю. П., Кулипанов Г. Н., Скринский А. М. // Журн. аналит. химии. 1986. Т. 41. № 3. С. 389.

14. Hnatowicz V., Kvitek J., Dzinuran R., Navy F. // Czechoslovak J. of physics. 1984. V. 34. P. 1315.

15. Гума В. И., Миллер В. В. Применение нейтронно-радиоактивационного метода для исследования элементного состава горных пород. М.: ВИЭМС, 1984. 51 с.

16. Активационный анализ. Методология и применение. Ташкент: ФАН, 1990. 244 с.

17. Бабикова Ю.Ф., Курочкин Ю.Я., Минаев B.M. Активационный метод изотопных индикаторов. В сб.: Метод изотопных индикаторов в научных исследованиях и в промышленном производстве. - М.: Атомиздат, 1971, с. 104-112.

18. Брук Б.И Авторадиографическое исследование материалов, применяемых в судостроении. -JL: Судостроение, 1966. -304 с.

19. Тауре И.Я. Активационная авторадиография. В сб.: Активационный анализ. Рига: Зинатне, 1976, с. 5-22.

20. Бабикова Ю.Ф., Минаев В.М. Активационная авторадиография. Учебноепособие. Ч. 1. M.: Изд. МИФИ, 1978. - 84 с.

21. Роджерс Э. Авторадиография. Перев. С англ. Атомиздат, 1972, стр. 34.

22. Бабикова Ю.Ф., Гусаков А.А., Минаев В.М., Рябова Г.Г. Аналитическая авторадиография. -М.: Энергоатомиздат,1985, 160 с.

23. Флеров Г.Н., Берзина И.Г. Радиография минералов, горных пород и руд. М.: Атомиздат, 1979.- 224 с.

24. Миронов А. Г. Авторадиографический метод радиоизотопных индикаторов в решении некоторых проблем геохимии золота. Улан-Удэ, 1980, препринт, 58 с.

25. Попова В. И. Нейтронно-активационная радиография минералов. Научное издание Миасс: Имин УрО РАН, 1995, 188 с.

26. Potts P. J. In Geo-Platinum, 87, Elsevier Applied Science, London & New-York, 1988, P.47.

27. S.N.Shilobreeva, N.Dogadkin, Ph.J.Potts. The application of INAA and beta autoradiography in an investigation of the speciation of iridium in silicates in the presence of carbon phases. // J. Radioanal. Nucl. Chem., V.240, No.l, 1999. P. 47.

28. Климова M.H., Минаев B.M., Шилобреева C.H. Применение нейтронно-активационного анализа и авторадиографии для поиска включений иридия в природных объектах. Научная сессия МИФИ. Сборник научных трудов. Том 5. Москва 2000, стр. 109-110.

29. Меднис И. В. Сечение ядерных реакций, применяемых в нейтронно-активационном анализе. Справочник. И-во: «Зинатне», 1991, 119 с.

30. Firestone, R. В., Table of Isotopes. New York: Wiley, 1996, 8th ed, CD-ROM ed.

31. Флициян E.C. Активационно-радиографические методы многоэлементного локального анализа. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук (научный доклад). Дубна, 1994, 83 с.

32. New detection techniques for locating precious metal minerals by beta autoradiography: preliminary results for rhodium and silver grains. Potts P. J. Department of ea

33. Kato. Т. // J. Radioanal. Chem., 1973. Vol. 16. P. 307.

34. О. Аббосов, И.А. Абраме, С. Кодири, Л.Л. Пелекис, JI. П. Старчик «Применение линейного ускорителя электронов на 5 МэВ для активационного анализа». Там же, стр. 97-100.

35. A.JI. Якубович, Е.И. Зайцев, С. М. Пржиялговский «Ядерно-физические методы анализа горных пород». Москва, Энергоиздат, 1982, 264с.

36. Джеймс Т. X. Теория фотографического процесса. Пер. с англ. 2-е русск. Изд. - JL, Химия, 1980. - 672 с.

37. Фотоэмульсии, фотопленки и фотопластинки для ядерных, биохимических, спектральных и других видов исследований: http://www.fomos.m/photoemulsrus.html

38. Autoradiography Films: http://www.nwfsc.noaa.gov/protocols/interense.html

39. Orthochromatic & Blue Sensitive Film: http://www.fujimed.com

40. ILORD nuclear emulsions. Technical information for autoradiography applications: http://www.ilford.com/html/ usenglish/prodhtml/ nuclear/ Autoradiography.html

41. Кортуков E. В., Меркулов. M. Ф., Электронно-микроскопическая авторадиография. -М.: Энергоиздат, 1982, с.151.

42. D. S.GAFITULLINA. Digital autoradiography: possibilities and applications.th

43. World Conference on Nondestructive Testing, General, Roma (Italy), October, 2000. pp 15-21.

44. Rauscher Т., Thielemann F.-K. / Atomic Data and Nuclear Data Tables 88 (2004) 1-81.

45. IAEA's Nuclear Data Centre, http://www-nds.iaea.org.