Способ определения содержания и пространственного распределения висмута

 

Использование: неразрушающий контроль содержания и пространственного распределения висмута в образцах горных пород, сплавов, конструкционных материалах и также окружающей среде. Сущность изобретения: образец облучают пучком ускоренных до 12 - 30 МэВ ядер дейтерия, синтезируют в реакции ²⁰⁹₈₃Bi+ ²₁D _²¹⁰₈₄Po+n , альфа-активные ядра полония с периодом полураспада 138 сут и регистрируют альфа-излучение диэлектрическими трековыми детекторами. По плотности и распределению треков альфа-частиц в детекторе судят о содержании и пространственном распределении висмута в образцах. Ядра полония могут быть синтезированы под действием потока дейтронов только из ядер висмута, содержащегося в образцах, поэтому отношение эффект - фон определяется как сечением образования их и интогральным потоком дейтронов на образце, так и собственным фоновым числом треков альфа-частиц в детекторе, и может иметь величину больше чем 10⁶ .

Изобретение относится к методам экспериментальной физики, геохимии, материаловедения и предназначается для неразрушающего определения содержания и пространственного распределения элемента висмута в металлах, сплавах, конструкционных материалах, рудах и горных породах, а также для контроля загрязнений висмута в окружающей среде.

Одним из аналогов изобретения является способ химического определения содержания висмута, основанный на растворении исходной шихты в азотной кислоте, выпаривании раствора и восстановлении в пламени газовой горелки в висмутовый порошок. После этой процедуры висмут взвешивают и по сопоставлению массы висмута и массы исходной шихты судят о его концентрации. Недостаток аналога - сложность и трудоемкость процедур химического выделения висмута и его восстановления до металлического состояния, необходимость разрушения исходного образца, что не позволяет судить о его локальном микрораспределении в образце и недостаточная чувствительность метода (до 10^-3 г/г).

Другим аналогом изобретения является способ определения концентрации и распределения висмута с помощью метода рентгено-спектрального анализа (микрозонд) с помощью сфокусированного пучка быстрых электронов, которым облучается поверхность образца. При этом возбуждаются L и К-оболочки электронов в атомах образца. Возбужденные атомы испускают рентгеновские кванты излучения с энергией, зависящей от величины энергии возбужденных оболочек атомов, которые различны для разных атомов. По энергии рентгеновских квантов судят о наличии определенного типа атомов, в том числе и висмута в образце, а по их количеству о содержании определенного элемента, например висмута в образце. Пространственное разрешение при этом определяется диаметром пучка электронов.

Недостатками метода рентгено-спектрального анализа является его относительно невысокая чувствительность до 10^-4 г/г, а также необходимость для количественного анализа наличия эталонов с известным содержанием как определяемого элемента, так и других, имеющих близкий к нему спектр рентгеновского излучения.

Прототипом изобретения является способ определения содержания и пространственного распределения висмута, включающий облучение плоского препарата висмутсодержащих образцов вещества перпендикулярно поверхности ускоренными тяжелыми ионами (Z6), которые индуцируют деление ядер висмута. Осколки мгновенного деления регистрируют в плоском тонком трековом детекторе (слюде), детектор после облучения протравливают в плавиковой кислоте и по плотности и пространственному распределению осколков деления судят о концентрации и пространственном распределении элемента висмута. Такая же процедура применима для элементов от платины до свинца, что и представлено в способе по прототипу.

Способ определения содержания висмута по прототипу отличается высокой чувствительностью (до 10^-6 -10^-7 г/г); а недостатком прототипа является невозможность определения содержания висмута в образцах, содержащих такие элементы группы платины - свинца, поскольку реакция взаимодействия тяжелых ионов с ядрами этих элементов также приводит к появлению осколков деления, неотличимых от осколков деления ядер висмута теми же ионами.

В связи с этим целью изобретения является бесфоновое определение содержания и пространственного распределения элемента висмута в образцах, содержащих тяжелые элементы от платины до свинца на уровне чувствительности 10^-6-10^-7 г висмута на образца.

Поставленная цель достигается тем, что образец облучают ускоренными ионами дейтерия с энергией от 12-30 МэВ и интегральнрым потоком, например 10¹³-10¹⁵ 1/см², после облучения регистрируют альфа-частицы синтезированных ядер ²¹⁰Ро, а по плотности и распределению альфа-частицы на детекторе судят о концентрации и пространственном распределении висмута в образце. Ионы дейтерия используют по следующим соображениям. Ядра ²¹⁰₈₄Ро можно синтезировать при облучении пучкам ядер изотопов водорода: протонами, дейтронами и тритонами только ядер висмута в реакциях ²⁰⁹₈₉Вi+p ->> ²¹⁰₈₄Ро, ²⁰⁹₈₃Вi+D ->> ²¹⁰₈₄Ро+n и ²⁰⁹₈₃Вi+T ->> ²¹⁰₈₄Ро+2n. При этом сечение образования в несколько раз меньше с протонами, чем с дейтронами или тритонами. Ядра трития - радиоактивны и поэтому использовать его в ускорителях обычно невозможно по условиям безопасности. Поэтому единственным приемлемым изотопом является дейтерий. Энергия ядер дейтерия подбирается так, что сечение реакции образования полония максимально. Ядра полония не могут быть синтезированы в реакциях дейтерия с ядрами платины-свинца. Действительно, если в качестве бомбардирующих частиц использовать ускоренные ядра ⁴Не, то при взаимодействии с ядрами В образуются короткоживующие изотопы Ро-Аt, испытывающие -распад; однако и на изотопах свинца ²⁰⁸Рb, ²⁰⁸Bb в реакциях ( , 2n), ( , n) образуется ²¹⁰ Ро, имеющий период полураспада 138 дней. Таким образом, на примеси изотопов свинца при взаимодействии с ядрами гелия возникают -фон от ²¹⁰Ро, ограничивающий чувствительность определения висмута. Интегральный поток ядер дейтерия выбирается из соображений необходимой чувствительности, при потоке 10¹³-10¹⁵ 1/см² достигается чувствительность 10^-6-10^-7 г/г.

Практическое осуществление метода состоит в облучении плоской полированной (шлифованной) поверхности образца пучком ускоренных ядер дейтерия перпендикулярно поверхности флюенсом 10¹³-10¹⁵ дейтр/см² с последующим помещением этих образцов в плотный контакт с -чувствительными трековыми детекторами, экспозицией детекторов от нескольких суток, химическим травлением детекторов для выявления -треков и просмотром и анализом протравленных детекторов под микроскопом.

Пространственное разрешение метода при определении локальных микровключений висмута составляет 10-20 мкм, оно определяется пробегом -частиц от радиоактивного распада ²¹⁰Ро в образце и детекторе.

П р и м е р. Исследуемые образцы - сплавы Bi, металлический Bi, контрольные образцы свинца и его соединений размерами 2х3 см² наклеивали на образующую диска диаметром 25 см. Диск помещали в вакуумную камеру циклотрона У-200 ЛЯР ОИЯИ, имевшего узкую щель шириной 3 мм в коллекторе ионов. Диск вращали со скоростью 7,8 об/мин. Пучок дейтерия, проходя через щель, последовательно облучал образцы, нанесенные на периферию диска. Флюенс ионов составил 5 10¹³ /см². После облучения образцы помещали в контакт с высокочувствительным детектором -частиц - пластика CR-39. Экспозиция составила 36 ч. На детекторе помещенном в контакт с металлическим висмутом плотность треков -частиц составила 1,1 107 тр/см².

На детекторе, помещенном в контакт со свинцом, плотность треков составила (0,5- -1,0) 10² тр/см², т.е. соответствовала естественному фону на этом детекторе. Этот фон может быть уменьшен по крайней мере в 10 раз за счет предварительного травления пластика CR-39 перед облучением. Таким образом, достигаемый уровень чувствительности определения элемента висмута в образцах составляет по крайней мере 10^-6г/г, он может быть повышен применением более длительных облучений образцов.

Метод обладает высокой производительностью - при токе 10¹³ ион/с. За 1 ч облучения можно облучить до 150 образцов флюенсом 10¹⁴ ион/см². Облучение можно проводить на пучке ионов дейтерия, выведенном на открытый воздух.

Метод может найти применение в геологии, геохимии, материаловедении, электронной промышленности, а также в экологии при анализе промышленных выбросов.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВИСМУТА, включающий облучение образцов ускоренными заряженными частицами и регистрацию продуктов деления ядерной реакции твердотельными трековыми детекторами, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности определения висмута путем полного исключения фона вторичного излучения от примесей других тяжелых элементов, облучение производят ускоренными ионами дейтерия с энергией 12 - 30 Мэв и интегральным потоком 10¹³ - 10¹⁵ 1/см² и регистрируют альфа-частицы синтезированных ядер ₈₄²¹⁰P_o .