книги из ГПНТБ / Плотников Р.И. Флюоресцентный рентгено-радиометрический анализ

Т а б л и ц а 7

Гамма-рентгеновские источники

Атомный номер

Диапазон

Скорость счета,

Радиоизотоп

элементов

энергий, кэв

импЦссК'МКюри)

мишени

Am"!

45—69

20—51

44—83

19—77

30—500

Cdi°9

30—44

8,6—19

15-500

ней и диапазон энергий, в котором чистота

вторичного

излучения

превышает

90%. Та м ж е даны скорости счета

на 1 мкюри

изотопа,

причем максимальные

значения

лизе

водных растворов

[101J.

Менее удобны источники фотонов на основе (5-излу-

•чателей.

В

источниках

этого

типа

рентгеновское

излу­

чение

возникает

при

взаимодействии

(і-частиц,

испус­

каемых

изотопом,

с

атомами

элемента-мишени

пли

конструктивными деталями

источника.

В

зависимости

от

энергии

р.-частиц и конструктив­

ных

особенностей

выход

фотонов

д л я

р-рентгеновских

источников

л е ж и т

в

пределах

от

Ю - 5

(FP/Zr)

до

« X

Х 1 0 - 2

квант/'распад

(Sr/Y 9 0 ),

и требуемая

активность

составляет

50—0,05

кюри

соответственно.

В

излучении

Р-рентгеновских источников обязательно

присутствует

тормозная

компонента,

в к л а д

которой того

ж е

порядка,

что и характеристических линий. Наличие

тормозной

компоненты с непрерывным спектром снижает

контра­

стность по сравнению с монохроматическим

возбужде ­

нием в 2—5 ра з и в случае использования

радиоизото­

пов

с

жестким р-излучением

повышает требования

к

нерал-3», использующих источники возбуждения с Т т 1 7 0 ,

вес свинцовой

з а щ и т ы составляет десятки килограммов .

Несмотря

на отмеченные недостатки, радиоизотопиые

довольно широко применяются ввиду доступности

и де­

шевизны

соответствующих

изотопов.

К а к правило, эти

радиоизотопы или представляют собой продукты

деле­

ния (Кг8 5 , Pm 1 4 7 , S r / Y 9 0 ) , или с большим

выходом

обра­

зуются

при облучении в

реакторе

( Н 3 ,

Т т 1 7 0 и

т. д . ) .

элементов могут быть использованы

т а к ж е

трубки

д л я

рентгеновской'

микроскопии

[108], д л я

локального

ана­

лиза и анализа с вторичными

мишенями —

микрофо­

кусная

трубка

БС -1 [105].

і- В некоторых случаях спектральные

характеристики

источника возбуждения могут быть улучшены

фильтра ­

цией его излучения. Обычно

фильтрация

первичного

излучения

применяется

при

работе

с

рентгеновскими

трубками,

выход излучения

которых,

к а к

правило,

из­

быточен. Так, например, при

определении

малых содер­

ж а н и й

таких элементов, как

N i п

Zn

с

аргоновым

про­

порциональным

счетчиком

н

рентгеновской

трубкой с

Ag - анодом

при

25 кв, контрастность повышалась в 3 ра­

за

с фильтром

первичного

излучения

из ( А р толщиной

0,3

мм,

поглощавшим

тормозное

излучение

с

энергией

до Ш—•1_2_кэв [109]. Если напряжение

на

трубке

ие

превышает

удвоенного

потенциала

возбуждения

элемен­

получить

первичное

излучение

со

степенью

монохрома­

тичности,

достигающей 90% и

более. Такой

прием обес­

печивает

высокую

контрастность

и чувствительность

личества элемента с более высоким

атомным

номером.;

Например, при определении

малых

содержаний Mxf

в сталях или железных рудах целесообразно

исполь­

зовать

трубку

с кобальтовым анодом

и железным^ ф и л ь ­

тром;

в этих

условиях ж е л е з о

почти

lie возбуждается .

лении

Cd

в

- Sn

с источником Gd1 5 3 /Te.

Ф и л ь т р а ц и я

излучения

источника _оловяннш£_ фильтром

позволила

обеспечить

фоновую

концентрацию порядка

1% П 0 1 ] .

Д р у г и м примером успешного применения

фильтрации

первичного

излучения

д л я снижения

порога

чувстви­

тельности

анализа

является

определение

Та

в р у д а х

с источником

Т т 1 7 0 ,

излучение которого

фильтровалось

через

с л о й . Р Ь

ттщноїі_[_£Ісж2-.

[110].

Фильтр

погло­

щ а л линию

источника

52

кэв

и. тормозное

излучение в

этой области спектра, неэффективные д л я

возбуждения

Та и увеличивающие фон.

Интересная

возможность

повышения

избирательно ­

сти с

помощью фильтра

первичного

излучения

имеет

место

при

а н а л и з е

молибдено-урановых

руд.

О б ы ч н о

ніш больших

содержаний

т я ж е л ы х

элементов в легких

средах. П р и

этом удается

избежать

концентрационного

у-

Представляет

интерес

одновременное использование

и (З-пзлучений

д л я возбуждения флюоресценции.

Так,

в

работе [113] показано,

что одновременное возбужде ­

ние (5-пзлученпем

Р т ш и

тормозным излучением

H 3 / Z r

новском микроанализе . П р и

этом возможно определение

всех химических элементов

с

Z2*4 [114]. Несмотря на

невысокую контрастность,

не

превосходящую обычно

очень

мал

и

доходит

до

Ю - 1

3 — Ю - 1 5

г

из-за

высокой

локальности .

Т а б л и ц а 8

Основные

характеристики

радиоизотопов,

применяемых

при

а-возбуждении

Основные рентгеновские

Период

Энергия

її

гамма-линии

Радиоизотоп

а-частиц,

полураспада

Энергия,

Выход,

Мэв

кэв

квант/распад

р0 2Ю

138

дней

5,3

800

10-5

ри 23»

86

лет

5,4

14—18

0,1

Cm.242

160

дней

6,1

15—19

C m 2 "

17,6

лет

5,8

15—19

Ионное возбуждение . Известны многочисленные ра­

боты

по возбуждению

рентгеновских спектров

а-излуче-

энергий

0,3—2,5 кэв

(Д"-серии

элементов

с Z = 6 - b l 6 и

L-серии

элементов

с Z < 4 2 )

довольно высок и

состав­

ляет я - Ю - 2 квант/(сек-стер)

на

а-частицу

[117].

С уве-

личением потенциала возбуждения

и уменьшением

энергии

а-частиц происходит быстрое

падение выхода

(рис. 21).

Т а к

к а к при

взаимодействии з а р я ж е н н ы х

частиц со

средой

выход

тормозного рентгеновского

излучения

стиц,

непрерывный

фон

при

сс-возбуждении,

к а к

и

вообще при ионном воз­

бужден и и,

п р ей е б р еж и м о

мал, что позволяет полу­

чать

высококонтрастные

характеристические

спек­

тры

при

анализе

легких

элементов. В связи с ма­

лой

проникающей

спо­

собностью а-частиц, про­

бег

которых в

воздухе

составляет 4—5 см, и бы­

стрым

падением

выхода

Рис.'23.

Зависимость

выхода

ха­

рентгеновского

излучения

с уменьшением

энергии

рактеристического

излучения

/(-серии от атомного номера Z

частиц

анализ

легких

для

а-частиц

с различной

энер­

элементов

этим

методом

гией.

проводят

в

вакууме

или

в

в

слабопоглощающем

газе

(Н 2 ,

Не,

С Н 4 ) .

П р и

анализе

воздухе

д а ж е

в

случае

таких элементов, как Са или

С1, флюоресцентное

излу­

чение

которых

сравнительно

м а л о поглощается

возду­

хом,

наблюдается

падение

скорости

счета

в

5—10

р а з

[ 5 ] .

Типовая

активность

источника

в

рентгенорадиомет-

рнческом

анализе

с

а - возбуждением

составляет

обычно

величину

порядка

10

мкюри,

что

позволяет

получить

д л я

элементов

с

Z=6-=-16

скорость

счета

порядка

104

имп/сек.

Л у ч ш и е

результаты могут

быть

получены

при

'использовании

Р о 2 1 0 ,

т а к

к а к

этот

радиоизотоп

практически

не испускает у- и рентгеновского излучений,

с н и ж а ю щ и х контрастность. Однако на практике

Р о 2 1 0

очень неудобен из-за опасности радиоактивного

з а г р я з ­

нения

о к р у ж а ю щ е й

среды . Д л я

предотвращения

з а г р я з ­

нения

активный

слой

герметизируется

фольгой

из

не­

р ж а в е ю щ е й

стали

или

некоторых других 'Металлов

тол­

щиной

2—5

мам,

что

приводит

к

нежелательному

уменьшению энергии а-частиц

и

не исключает

возмож ­

ности

загрязнения

при

разрыве

пленки. Так,

при

стсполь-

зовании платиновой

фольги толщиной

5

мкм

энергия

а-частпц снижается

до 2

Мэв

и

выход /(-серии —

на

2—3

порядка

[116].

В настоящее

время

р а з р а б о т а н ы

и

применяются

более

безопасные

источники

на

основе

Р и 2 3 8 , который

может быть

химически

надежно

связан

с подложкой .

Однако

присутствие интенсивного

рент­

геновского

излучения

в

спектре

Р и 2 3

8

приводит

к

повышению фона и поро­

га

чувствительности.

В

случае

более

легких

элементов,

при

детекти­

ровании

характеристиче­

ского

излучения

которых

используются

проточные

пропорциональные

счет­

чики с очень тонкими ок­

нами

пли

вообще

без

окон,

серьезные

трудно­

сти вызывают

т а к ж е

кон­

версионные

электроны,

Ш

5В0E,K3ff испускаемые

источником

Рис. 22. Зависимость

выхода

ха­

н

рассеиваемые

образ ­

цом.

П о п а д а н и е

таких

рактеристического

излучения

раз­

электронов

в

детектор

личных

элементов

от

энергии

про­

тонов.

приводит

к

резкому

воз­

растанию

фона. С

другой

геновским излучениями позволяет с одним

и

тем

ж е

источником

анализировать

широкий

круг

химических

элементов

(Z

до

35

по

/(-серии

и

до

82

по

L-сернп). Большой интерес

представляет

использо­

вание

источников

а-излучения

на

основе

C m 2 1 2

и

C m 2 4 4 .

Эти

радиоизотопы

характеризуются

более высо­

кой по

сравнению

с

Р о 2 1 0

и

Р и 2 3 8

энергией

а-частиц.

Фирма

Panometric

Inc.

р а з р а б о т а л а

л а б о р а т о р н ы й

спектрометр

с

источником

C m 2 4 2 , позволяющий

опреде­

лять все элементы от углерода включительно

[119].

Д а н н ы е

по

выходу

характеристического

излучения,

некоторыми

другими

ионами,

приведены

в

работах

[120—122] и

частично — на рис.

22

и в

табл .

9.

Выход

определяется

главным

о б р а з о м

энергиями

ионов

и

ха­

рактеристического излучения

и

почти

не зависит

от

Т а б л и ц а 9

Выход

характеристического

излучения,

возбуждаемого различными

ионами с энергией 75 кэв, квангп/ион

[121]

Возбуждающие ионы

Элемент,

серия

н

Не

N

Аг

С Л'

1,5.10—1

1,4-Ю—і

2,8-Ю—і

9,8-10—1

Си і

1,3.10-0

1,2-10-'

5,5-10-8

7,0-10-в

Си К

1,3-10-»

2,1 - 10 - »

3,0 - 10 - »

5,6- Ю - »

спектральной серии,

что позволило

привести

обобщен­

ные данные (рис. 23).

Имеются т а к ж е сведения

об эффективном

возбужде ­

нии

характеристического

излучения

более

т я ж е л ы м и

ионами,

например

Кг,

с

энергией

100—200

кэв

[123].

Интересно

отметить,

что

в некоторых

случаях,

например

при

возбужде ­

нии

А1

нонами

аргона,

сравнительно

большой

выход

порядка

Ю -

7

квант/ион

может

быть

получен

при

ускоряю ­

щем

напряжении

10—

20

кв{Ш].

Использование

полу­

проводниковых

детекто­

0,1

7

10

100 А

ров

с высоким

энергети­

ческим

разрешением

поз­

•Ш

itf

~Jfo

ЩЬкзВ

волило

получить при воз­

'Рис.

23.

Зависимость

выхода

ха­

буждении

протонами

с

рактеристического

излучения

от

энергией

1,5

Мэв

поро­

длины волны (энергии)

для

воз­

говую

чувствительность

буждения

протонами

с

энергией

до

Ю - 1 2

г [125].

Чувст­

75

кэв.

вительность

Ю - 1 0 —

Ю - 9

г/см2

( я - 1 0 - 4

% )

была

получена

при

исследо­

вании

тонких

пленок

различных

элементов

с

Z от 20