Авторадиография с использованием различных источников активации и компьютерных способов обработки для определения благородных металлов в геологических образцах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.02, кандидат физико-математических наук Андриянов, Алексей Юрьевич

• Андриянов, Алексей Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Андриянов, Алексей Юрьевич

Введение.

1. Методы локального анализа элементов платиновой группы и золота в геологических образцах (обзор литературы).

1.1. Общие сведения об авторадиографии.

1.1.1. Нейтронно-активационная авторадиография.

1.1.2. Детекторы, используемые в авторадиографии.

1.1.3. Усиливающие экраны.

1.1.4. Цифровая авторадиография.

1.1.5. Способы обработки авторадиограмм.

1.1.6. Теория представления цвета в цифровом виде.

2. Экспериментальная часть.

2.1. Используемые образцы и их подготовка.

2.2. Способы облучения образцов.

2.3. Работа с облученными образцами.

2.3.1. Гамма-спектрометрия для установления радионуклидного состава.

2.3.2. Получение авторадиограмм.

2.4. Применение сканеров для получения цифровых изображений и денситометрии

2.4.1. Модели используемых сканеров.

2.4.2. Пространственное разрешение сканеров.

2.4.3. Денситометрия с использованием сканеров.

2.4.3.1. Погрешность измерения оптической плотности с использованием сканера

2.4.3.2. Сравнение результатов денситометрии, выполненной посредством сканера и микрофотометра.

2.5. Градуировка фото детектора для определения флюенса бета-частиц.

2.6. Компьютерные программы для обработки цифровых авторадиограмм.

2.6.1. Adobe Photoshop и Scion Image.

2.6.2. Разработка программного обеспечения.

2.7. Пути повышения селективности метода авторадиографии.

2.7.1. Использование различных источников активации.

2.7.2. Сочетание активационной авторадиографии с гамма-спектрометрией.

2.7.3. Использование математической обработки изображений для анализа кинетики изменения удельной оптической плотности анализируемых зон авторадиограмм.

2.8. Влияние сопутствующих элементов на селективность определения ЭПГ и золота.

2.9. Анализ геологических образцов.

3. Выводы.

4. Литература.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Авторадиография с использованием различных источников активации и компьютерных способов обработки для определения благородных металлов в геологических образцах»

Актуальность

Развитие методов локального анализа, обладающих низкими пределами обнаружения, является одним из приоритетных направлений современной аналитической химии. Эти методы применяются в различных областях науки и техники. Например, решение многих фундаментальных проблем современной геохимии напрямую связано с изучением распределения микроэлементов между матрицей и различными минералами, между сосуществующими фазами и по глубине в исследуемом образце. При этом определение элементов платиновой группы (ЭПГ) и золота в образцах различного генезиса представляет особый интерес для выяснения механизмов взаимодействия ядра и мантии Земли, проблем планетообразования, метеоритики и др. Основной особенностью геологических образцов является гетерогенный фазовый и сложный химический состав, а также малые размеры (до мкм) сосуществующих фаз. ЭПГ и золото обычно присутствуют в породах в концентрациях на уровне Ю-5—10 ~7 %. Эти элементы концентрируются в геологических образцах как в виде дискретных минералов платиновой группы, так и в виде твердых растворов в других минералах. Поэтому разработка методов локального определения ЭПГ и золота важна как для решения фундаментальных проблем геохимии, так и для поисковой геологии.

Для исследования распределения ЭПГ и золота между сосуществующими фазами необходимы неразрушающие методы аналитического контроля, обеспечивающие локальное определение элементов в фазах с низким пределом обнаружения (10 5—10'7%) и высоким пространственным разрешением (до долей микрона), характеризующиеся экспрессностью, высокой воспроизводимостью и правильностью, возможностью одновременного определения нескольких элементов.

Активационная авторадиография, являясь одним из методов локального анализа, предназначена для изучения пространственного распределения элементов в образцах после их облучения ионизирующим излучением для образования радионуклида, который используют как источник аналитического сигнала. Из различных вариантов активационной авторадиографии для изучения распределения ЭПГ и золота наибольший интерес представляет активационная бетаавторадиография, отличающаяся низкими пределами обнаружения и высоким пространственным разрешением.

Для исследования распределения ЭПГ и золота до сих пор использовали нейтронно-активационную авторадиографию (активирование тепловыми нейтронами реактора). Однако, как показала практика, метод пригоден для определения в типичных силикатных образцах, главным образом, золота и иридия.

Несмотря на то, что метод авторадиографии развивается давно, его потенциальные возможности далеко не исчерпаны. Расширить сферы применения метода можно несколькими путями. Один из них — применение современных информационных технологий (цифровые способы получения и обработки авторадиографических изображений), другой — применение новых, не использованных ранее в авторадиографии источников активации. Разработка этих подходов положена в основу данной работы.

Цель работы разработка метода цифровой активационной авторадиографии, основанного на двумерной денситометрии с использованием сканеров высокого разрешения; разработка методологии компьютерной обработки авторадиографических изображений; алгоритмов, структуры и функциональности программы; разработка способов повышения селективности метода; разработка методик авторадиографического определения ЭПГ и золота в геологических образцах.

Научная новизна разработан метод цифровой активационной авторадиографии, основанный на двумерной количественной денситометрии с использованием сканеров высокого разрешения и последующей компьютерной обработке авторадиографических изображений; впервые предложено использовать сочетание гамма-активации и цифровой авторадиографии, что обеспечивает возможность определения всех ЭПГ и золота в силикатных образцах. предложены способы повышения селективности метода гамма-активационной авторадиографии и разработан метод для оценки предела обнаружения. разработаны методология математической обработки авторадиографических изображений, алгоритмы, структура и функциональность компьютерной программы.

Практическая значимость работы разработан новый метод цифровой гамма-активационной авторадиографии для определения элементов платиновой группы и золота, позволяющий проводить определение элементов как на поверхности, так и по глубине образца (до сотен микрон). Разработанный метод позволяет определять ЭПГ и золото с пределами обнаружения до долей нанограмма и с пространственным разрешением около 1020 мкм (в зависимости от типа образца и фотодетектора). Разработанный метод может быть использован для локального скрининг-анализа больших серий образцов; разработан метод двумерной денситометрии авторадиографических изображений с использованием сканеров высокого разрешения; разработаны методики определения платины, иридия и золота в геологических образцах с помощью компьютерной обработки авторадиограмм, которые позволили также оценить глубину залегания включений и коэффициенты распределения ЭПГ и золота между включениями и вмещающей матрицей.

Апробация работы

Результаты работы доложены на следующих конференциях и совещаниях:

1. 10-th Russian-Japan Joint Symposium on Analytical Chemistry (Moscow, 2000).

2. 5-th International Conference on Nuclear and Radiochemistry (Pontresina, Switzerland, 2000).

3. 17-ое Международное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов (Москва, 2001).

4. Научная сессия МИФИ-2001 (Москва, 2001).

5. The Sixth Sino-Russian International Symposium on New Materials and Technologies (Beijing, China, 2001).

6. Международный симпозиум «Разделение и концентрирование в аналитической химии» (Краснодар, 2002).

7. Workshop «Low and intermediate energies electron beams» (Dubna, 2003).

8. 11-я Международная конференция "Modern Trends in Activation Analysis" (Guildford, UK, 2004)

9. Всероссийская конференция «Аналитика России - 2004», (Клязьма, 2004)

На защиту выносятся следующие положения и результаты разработка метода цифровой активационной авторадиографии, основанной на использовании высокоразрешающих сканеров и программного обеспечения для обработки авторадиографических изображений; разработка метода количественной гамма-активационной авторадиографии для определения ЭПГ и золота; способы повышения селективности активационной авторадиографии ЭПГ и золота (анализ кинетики распада радионуклидов по авторадиографическим изображениям, сочетание с высокоразрешающей гамма-спектрометрией, применение различных источников активации); разработка методик определения платины, иридия и золота, интерпретация полученных результатов.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и списка литературы из 51 наименования. Диссертация изложена на 120 страницах печатного текста, включая 38 таблиц и 49 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Аналитическая химия», Андриянов, Алексей Юрьевич

3. Выводы

1. Разработан метод цифровой активационной авторадиографии, основанный на двумерной количественной денситометрии с использованием сканеров высокого разрешения. Предложено универсальное уравнение, описывающее отклик всех типов сканеров. Оценена погрешность денситометрии с использованием сканеров, которая не превышает 5% в интервале оптических плотностей 0-1,5. Предложено уравнение градуировки фотодетектора для определения флюенса бета-излучения. Найдено, что погрешность определения флюенса не превышает 10% в рабочей области фото детектора (0=0-1,7). Предложен коэффициент для коррекции результатов денситометрии при обработке серии авторадиограмм.

2. Предложено использовать компьютерную обработку изображений в сочетании с гамма-спектрометрией и различными источниками активации для повышения селективности метода авторадиографии. Разработаны методология математической обработки авторадиографических изображений, алгоритмы, структура и функциональность компьютерной программы.

3. Впервые предложено использовать сочетание гамма-активации и цифровой авторадиографии для определения ЭПГ и золота. Найдено, что все ЭПГ и золото активируются тормозным излучением микротрона с образованием радионуклидов с периодами полураспада, удобными для анализа методами авторадиографии и гамма-спектрометрии, установлен выход радионуклидов. Разработан метод для оценки предела авторадиографического обнаружения. Оценены пределы обнаружения ЭПГ и золота методом цифровой гамма-активационной авторадиографии в силикатных образцах. Пределы обнаружения ЭПГ и золота составляют от двух нанограмм до его долей, в зависимости от элемента, пространственное разрешение — от 10 до 20 мкм.

4. Изучено мешающее влияние элементов на авторадиографическое определение ЭПГ и золота с использованием гамма-активации. Показано, что такие матричные элементы, как А1, Сг, Бе, К, Мп, Ыа, не мешают авторадиографическому определению.

5. Разработаны методики определения платины, иридия и золота в геологических образцах. Предложен метод для оценки коэффициента распределения элементов между включением и вмещающей матрицей на примере природных образцов ферроплатины и кварца. Оценена глубина залегания включений в образце природного кварца (до 500 мкм). Предложен метод для оценки толщины пленки золота на различных участках образца пирита (3-10 мкм).

6. Разработанный метод цифровой гамма-активационной авторадиографии и методики могут быть рекомендованы для локального определения платины, иридия и золота в силикатных образцах, включая скрининг-анализ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Андриянов, Алексей Юрьевич, 2004 год

1. Ред. Золотов Ю.А., Варшал Г.М., Иванов В.М. М.: Едиториал УРСС, 2003, 592 с.

2. Аналитическая химия платиновых металлов // Гинзбург С.И., Езерская Н.А., Прокофьева И.В. и др.; под ред. Алимарина И.П. М.: Наука, 1972, 616 с.

3. Роджерс.Э. Авторадиография. M.: Атомиздат, 1972, 304 с.

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

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

6. Епифанова О.И. Радиоавтография. Учеб. пособие для студентов биол. специальностей вузов. М.: «Высш. школа», 1977, 246 с.

7. Нейтронно-активационный анализ. (Сборник статей. Отв. ред. Е.М. Лобанова). Т.: «ФАН», 1969. 193 с.

8. Бакштейн С.З., Гинзбург С.С., Кишкин С.Т., Разумовский И.М., Строганов Г.Б. авторадиография поверхностей раздела и структурная стабильность сплавов. М.: Металлургия, 1987,272 с.

9. Бакштейн С.З., Гинзбург С.С., Кишкин С.Т., Мороз JT.M. Электронно-микроскопическая авторадиография в металловедении. М.: «Металлургия», 1978. 284 с.

10. Баранов В.И., Тлеубергенова Г., Применение метода микрорадиографии с использованием жидких эмульсий для изучения содержания и распределения радиоэлементов в горных породах. Геохимия, 1956, N 2, С.62.

11. Флеров Г.Н., Берзина И.Г., Радиография минералов, горных пород и руд. М.: Атомиздат, 1979, 223 с.

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

13. Mysen В.О. Partitioning of samarium and nickel between olivine, orthopyroxene and liquid, preliminary data at 20 kbar and 1025oC. Earth and Planet. Sci. Lett. 1976, V.31,Nl,P.l.

14. Кузнецов P.A. Активационный анализ. Изд. 2-е. М.: Атомиздат, 1974, с. 344.

15. Гамма-методы в рудной геологии. JI.: Недра. 1976.

16. Shilobreeva S.N., Dogadkin N.N., Potts P.J. The application of INAA and beta autoradiography in an investigation of the speciation of iridium in silicates in the presence of carbon phase // J.Radioanal.Nucl.Chem.,v.240, 1999, P.47.

17. Сенин В.Г. Исследование поведения углерода в силикатных расплавах и кристаллах при высоких давлениях и температурах методами авторадиографии и рентгеноспектрального микроанализа. Дисс. на соиск. ученой степени к.х.н., Москва, ГЕОХИ РАН, 1993, 139 с.

18. Шилобреева С.Н. Растворимость двуокиси углерода в расплавах основного и кислого состава и условия ее отделения от магм в вулканических областях. Дисс. на соиск. ученой степени к.г.м.н., Москва, ГЕОХИ, 1984, 210 с.

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

20. New detection techniques for locating precious metal minerals by beta autoradiography: preliminary results for rhodium and silver grains. Potts P.J. Department of earth sciences, Optn University, Walton Hall, Milton Keynes MK76AA, UK.

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

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

23. Климова М.Н., Минаев В.М., Шилобреева С.Н. Применение нейтронно-активационного анализа и авторадиографии для поиска включений иридия в природных объектах. Научная сессия МИФИ-2000. Сборник научных трудов. Т. 5. Москва, 2000, с. 109.

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

25. Фотоэмульсии, фотопленки и фотопластины для ядерных, биохимических, спектральных и других видов исследований: http://wvvw.fomos.ru/photoemulsrus.html

26. Autoradiography Films: http://www.kodak.com/US/en/health/scientific/products/autoradFilms

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

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

29. Autoradiography and Intensifying Screens:http://www.n wfsc .noaa. gov/protocols/intense .html

30. Fujifilm's Proprietary Imaging Plate: http://home.fujifilm.com/products/science/ip

31. BAS Imaging Plate (IP) Scanners: http://home.fujifilm.com/products/science/bas

32. Imaging and Image Analysis Systems: http://www.berthold.com.au/imaging.html

33. Rant J., Nemec Т., Rigar G., Stade J., Kaling M. Imagin plates in radiography with X-rays neutrons and electrons. NDTnet -December 1998, V.3 N.12 4th International conference of Slovenian Society for NDT.

34. Ewert U., Stade J., Zsherpel U., Kahng M. Fist experience with luminescence imaging plates in industrial radiography and comparison to the film. NDTnet -December 1998, V.3 N.12 4th International conference of Slovenian Society for NDT.

35. Rihar G., Rant J. The first application of imaging plates to an examination of welded joints. NDTnet 1998 Aug. V.3 N.8.

36. Русов В.Д. Бабикова Ю.Ф. Ягола. Восстановление изображений в электронно-микроскопической авторадиографии поверхности. М.: Энергоатомиздат, 1991, 216 с.

37. Джеймс Д.Д., Уильям ван Райнер. Энциклопедия графических файлов. BHV, Киев, 1997,669 с.

38. Сайт Scion Corporation: http://www.scioncorp.com

39. Сайт NIH Image: http://rsb.info.nih.gov/nih-image

40. Clinical Chemistry Abstracts: Anderson N.L., Taylor J., Scandora A.E., Coulter B.P. and Anderson N.G. The TYCHO system for computer analysis of two-dimensional gel electrophoresis patterns. N.27. V.ll P. 1807, 1981.

41. JBC. Abstracts: Garrels J.I., Two dimensional gel electrophoresis and computer analysis of proteins synthesized by clonal cell lines. N.254 V.16: P.7061, Aug, 1979.

42. Шило H.A., Сахарова M.C., Кривицкая H.H., Рязовская С.К., Брызгалов И.А. Минералогия и генетические особенности золото-серебрянного оруднения северозападной части Тихоокеанского обрамления. М.: «Наука», 1992.

43. Киселева Т.Т., Самосюк В.Н., Фирсов В.И., Щулепников М.Н. Атлас гамма-спектров радиоизотопов, образующихся при облучении элементов тормозным излучением микротрона. М.: Отдел научно-технической информации подотрасли, 1977. 120 с.

44. Kapitza S.P., Melekhin V.N., Samosyuk V.N., Tsipenyuk Yu.M.// J.Radioanal.Chem. 1973. V.16. P.297.

45. Kolotov V.P., Atrashkevich V.V. // J.Radioanal.Nucl.Chem., Art., 1995. V.193. P.195

46. Ftp-сайт компании KODAK: ftp://ftp.kodak.com/gastds/q60data/

47. Charles Poynton. A Technical Introduction to Digital Video. New York: Wily, 1996.

48. Прохождение электронов через вещество. Ред. Мордовина Л.Г. Томск, изд. ТГУ, 1966 г., 179 с.

49. Физические величины. Справочник. Под редакцией Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат. 1991 г., 1232 с.