Авторадиография с использованием активации фотонами и нейтронами для исследования распределения благородных металлов в образцах горных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Вин Мьо Тхун

• Вин Мьо Тхун
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 %).

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): 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)

• 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,

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Вин Мьо Тхун

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.

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-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.

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 диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Вин Мьо Тхун, 2007 год

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.