Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Ионно-пучковый анализ

Первые эксперименты с пучками заряженных частиц начали проводить в конце 1910-х годов. Эрнест Резерфорд в своих опытах использовал источники альфа-частиц на основе радия и продуктов его распада, и альфа-частицы при облучении материалов вызывали самые разные процессы. Стало ясно, что при воздействии альфа-частиц на азот вылетает новый вид частиц протоны. Таким образом была открыта первая ядерная реакция.Это материал изгида Излучение иматерия, приуроченного к75-летию атомной промышленности. Партнер гида Росатом.Важный эксперимент, который был проведен под руководством Резерфорда, а сейчас включен во все учебники и ставится на практикумах в университетах, это обратное рассеяние альфа-частиц. Облучая тонкую золотую фольгу альфа-частицами, Резерфорд вместе со своими сотрудниками обнаружил, что некоторые из этих альфа-частиц отлетают обратно, то есть рассеиваются на большие углы. Ученый быстро понял, в чем причина такого явления: происходит взаимодействие с ядром атома, то есть атом имеет в составе ядро собственно, так ядро и было открыто. В результате взаимодействия с атомным ядром положительно заряженная альфа-частица может рассеяться под углом, близким к 180 градусам.Эти опыты позже легли в основу группы методов анализа вещества, которые можно назвать ионно-пучковыми, хотя к ним примыкают и методы анализа, связанные с использованием нейтронов и квантов электромагнитного излучения. Суть всех этих методов примерно следующая: есть некий анализируемый объект, который мы облучаем пучками частиц; идут определенные процессы с атомами, молекулами, ядрами внутри облучаемого материала, и при этом происходит испускание других видов излучения. Таким образом мы можем регистрировать вторичные частицы или кванты и благодаря этому делать выводы о составе и строении анализируемого объекта.Метод PIXE и рентгенофлуоресцентный анализВ числе известных можно назвать методы, основанные на облучении материалов протонами или альфа-частицами, то есть положительно заряженными частицами относительно низкой энергии, порядка 1 мегаэлектронвольта. Происходит ионизация материала, затем перераспределение электронов по оболочкам в атомах и, наконец, испускание рентгеновского излучения. Этот метод называется рентгеновская эмиссия, индуцированная протонами (PIXE) и широко используется в самых разных областях. Он легко комбинируется с другими методами: одновременно на том же самом образце можно наблюдать обратное рассеяние частиц и некоторые ядерные реакции, которые протекают при относительно низких энергиях на легких ядрах.Метод PIXE дает нам в первую очередь элементный состав, причем с достаточно высокой чувствительностью. Близко к PIXE стоит рентгенофлуоресцентный анализ, но он примерно на два порядка менее чувствительный, чем PIXE. Методы, при которых используются ионные пучки, применяются на различных автономных аппаратах, которые запускаются на другие планеты. В частности, на марсоходах NASA стоят источники заряженных частиц источники альфа-частиц на основе кюрия-244 и источники рентгеновского излучения, и когда они облучают грунт, находящийся в непосредственной близости, детектор регистрирует вторичное рентгеновское излучение. Таким образом можно одновременно проводить рентгенофлуоресцентный анализ и анализ с помощью ионных пучков и получать информацию о грунте и других объектах, обнаруженных на поверхности Марса.Есть и другие задачи, например анализ объектов искусства и артефактов. Большие музеи вроде Лувра имеют лаборатории, оснащенные установками на основе ускорителей (здесь используются не изотопные, а ускорительные источники ионов). Их используют, чтобы изучить элементный состав объектов: керамики, древних монет и так далее. Обычно этот метод применяют, когда работают с поверхностью образца: пробег положительно заряженных частиц небольшой в твердом материале. Мы можем узнать состав поверхностного слоя (верхнего слоя краски, глазури), определить состав металла, входящего в монеты или украшения. Этот метод не оказывает разрушительного воздействия на изучаемый объект и не повреждает его.Кроме того, очень часто его используютдля анализа разного рода нанообъектов: слоистых структур, полупроводниковых и так далее. Особенно полезным здесь является резерфордовское обратное рассеяние. Его суть заключается в том, что, когда мы облучаем объект ионами гелия или протонами, по мере движения внутрь материала ионы теряют энергию. Дальше происходит рассеяние, и частицы движутся обратно, в сторону детектора, при этом снова теряя энергию внутри материала. С одной стороны, энергия определяется кинематикой, то есть столкновением частиц, а с другой потерями энергии по мере движения через объект. Таким образом, мы можем не просто проводить анализ, а узнавать толщину тех или иных слоев, а в отдельных случаях определять градиенты концентраций.Нейтронно-активационный анализГруппа рассматриваемых нами методов связана с облучением образца положительно заряженными ионами, но, в принципе, вариантов может быть много: образец можно облучать, например, нейтронами. Если мы используем реакторные нейтроны, при этом в объекте часто протекают те или иные ядерные реакции, и можно регистрировать результат этих процессов. Это может быть мгновенный анализ, когда непосредственно под пучком нейтронов мы можем регистрировать, например, испускаемые гамма-кванты. Мгновенный нейтронно-активационный анализ очень хорош для определения легких атомов, таких как водород, как ни странно, легкие атомы труднее всего определять в разного рода образцах.Еще один метод, который давно и хорошо развит и до сих пор активно применяется, классический нейтронно-активационный анализ, суть которого заключается в том, что объект, помещенный обычно внутрь реактора, облучается нейтронами и в нем протекают ядерные реакции, как правило захват нейтронов. Дальше он извлекается и кладется на гамма-спектрометр, благодаря которому можно увидеть, что произошло в результате захвата нейтронов. Этот метод неуниверсальный и подходит не для всех элементов, но при этом обладает для некоторых сверхвысокой чувствительностью.Известны опыты, которые в свое время провел Луис Альварес, лауреат Нобелевской премии по физике: он проанализировал отложения, отобранные на границе мела и палеогена в Губбио (Италия), и обнаружил в этих образцах повышенное содержание иридия. Таким образом было зафиксировано столкновение Земли с крупным небесным телом, приведшее, как мы теперь знаем, к массовому вымиранию организмов на границе мела и палеогена. Альварес выбрал именно иридий, поскольку его удобно было определять нейтронно-активационным анализом. С тем же успехом можно было бы определять платину и другие элементы из платиновой группы, но для них подобных методов не существовало, и до сих пор их определение связано со значительными трудностями.Методы, связанные с облучением нейтронами, можно также применять в целях выявления нелегальной и запрещенной деятельности например, детектировать взрывчатые вещества или делящиеся материалы (плутоний или обогащенный уран). Идея метода заключается в том, что когда мы просвечиваем объект нейтронами, то можем исследовать крупные образцы. Положительно заряженные частицы исследуют только поверхность, но нейтроны обладают колоссальной проникающей способностью: они могут просветить контейнер большого размера. А если мы имеем дело с плутонием или обогащенным ураном, мы увидим всплеск реакций деления этих материалов и по вторичным излучениям, например по вторичным нейтронам, сможем зарегистрировать объекты. Для обнаружения вторичных процессов можно использовать не только частицы, то есть не только нейтроны и положительно заряженные частицы, но и высокоэнергетические гамма-кванты.Подобных методов исследования существует огромное количество, и их появляется все больше. Даже специалисты зачастую знакомы не со всеми ними, и здесь нет общепринятой классификации. Это очень динамично развивающаяся область, в которой постоянно происходит что-то новое.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 21.01.2021 14:19:56
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru