Метод ядерных реакций

Если налетающие ионы имеют энергию, позволяющую им преодолеть ядерную либо кулоновский барьер для ядер, т.е. , то образуется составное ядро, которое затем может претерпевать явление спонтанного распада.

Тогда в качестве оценки энергии, соответствующей запуску ядерной реакции, будем использовать следующее выражение:

Составное ядро (СЯ) характеризуется временем жизни 10^-14 – 10^-18 с. Это значение невелико, но превышает время столкновения, составляющее 10^-22 с. Дальнейшая судьба СЯ может быть связана с испусканием как γ-излучения, так и элементарных частиц (α-частицы, протоны).

Традиционно, в случае ядерных реакций используется краткая запись, не похожая на классическую запись химического уравнения.

1. Записывается то ядро, которое подвержено бомбардировке.

2. Записывается та частица, которая бомбардирует.

3. Далее, та частица, которая испускается.

4. Продукт ядерной реакции

Все ядерные реакции помимо испускания элементарных частиц сопровождаются испусканием γ-квантов, что обеспечивает поддержание необходимого энергетического баланса. Этот факт в записи ядерной реакции не отмечается.

Интенсивность указанных ядерных процессов немонотонно зависит от энергии зондирующего пучка. Такое явление аналогично резонансному.

Указанные обстоятельства могут быть использованы для определения содержания легких элементов по глубине образца. Важно, что вследствие наличия кулоновского барьера ядра тяжелых элементов вступают в реакции при существенно больших энергиях, чем ядра лёгких элементов. В целом, для обычных ускорителей область энергий, соответствующих ядерным реакциям, недостижима, и рассматриваются методы, ориентированные на определение прежде всего легких элементов, в том числе в тяжелых матрицах.

В этом смысле, методы ядерных реакций дополняют метод обратного резерфордовского рассеяния, ориентированных прежде всего на определение тяжелых элементов в легких матрицах.

Сами методы, основанные на возбуждении ядерных реакций за счёт облучения ионными пучками при одновременной регистрации эмитированного излучения, в первую очередь γ-излучения, которое выходит без существенного поглощения из всего объёма образца, получили название мгновенно радиационных методов (МРМ).

Такие методы позволяют определить абсолютную концентрацию лёгких элементов, т.е. не требуют использования эталонов, калибровок и т.д. Вместе с методом RBS они являются источником калибровочной информации для других методов исследования поверхности. Как и метод RBS, МРМ позволяют простроить профиль распределения примеси лёгкого элемента по глубине образца. Если интенсивность протекания ядерной реакции в условиях резонанса достаточно велика и протеканием этой реакции за пределами резонансного пика можно пренебречь, то облучая образец ионами с энергией, большей, чем энергия резонанса, можно наблюдать поток элементарных частиц, величина которого будет пропорциональна концентрации примеси на такой глубине, на какой зондирующий ион, вызывающий ядерную реакцию, затормозится до энергии, равной энергии резонанса.

t – глубина, на которой будет инициирована реакция

Меняя энергию зондирующих ионов, можно определять содержание примеси на разной глубине, разрешение при этом составляет 6-10 нм при чувствительности, достигающей 10^-16 г по ¹¹В.

¹¹В (р, α) ⁸Ве

Аналогичный подход позволяет исследовать профиль распределения в образце такого лёгкого элемента, как водород.

¹H (¹⁹F, α) ¹⁶O

Ряд элементов, таких как Li, Be, B, Na (всё это элементы, плохо определяемые с помощью физико-химических методов), может быть определен путём облучения образца нейтронами. Ядра этих элементов после облучения испускают моноэнергетические α-частицы (Li, B) либо протоны (Be, Na).

И эти альфа-частицы, и протоны имеют строго определенную энергию. Выходя за пределы образца, эти частицы теряют свою энергию, причем эти потери зависят от того, с какой глубины они вышли. Величина потерь может быть найдена следующим образом:

Изучая энергетический спектр α-частиц и протонов, можно построить распределение указанных элементов по глубине. Альфа-частицы могут выходить с глубины до 10 мкм, разрешение по глубине составляет 10 нм, максимальная чувствительность по бору в реакции ¹⁰В (n, α) ⁷Li составляет 10^-14 г.

Это свидетельствует о том, что в результате взаимодействия с полимерной мишенью будут образовываться летучие соединения бора, которые при комнатной температуре будут диффундировать к поверхности и постепенно покидать образец.

Другим вариантом реализации метода ядерных реакций является активационный анализ, основанный на изучении характеристического излучения после накопления некоторого количества нестабильного изотопа в образце. Метод активационного анализа (МАА) позволяет определить очень небольшие примеси элементов, в том числе и тяжелые примеси в относительно тяжелой матрице. Этот метод менее критичен к выбору элементов, которые можно определить.

Отсутствие ограничения по зарядовому числу, типичного для МРМ, состоит в том, что источником элементарных частиц, запускающих ядерную реакцию, являются нейтроны, генерируемые в ядерном реакторе. В результате взаимодействия с нейтронами образуется составное ядро.

На каждой стадии избыточная энергия будет испускаться в виде γ-излучения, которое может использоваться для того, чтобы следить за ходом ядерной реакции. В отличие от корпускулярного излучения, оно имеет характеристическую энергию, и путем исследования спектра γ-излучения можно проводить качественный анализ образца.

Корпускулярное излучение сильно поглощается в образце, что также затрудняет возможность использования методов в аналитических целях.

Пример: определение ²⁶Mg

²⁶Mg (n, β, γ) ²⁷Al

Кинетика накопления нестабильного изотопа в образце

Для радиоактивного распада вводится величина полураспада:

Для реакции накопления радиоактивного изотопа:

Интенсивность γ-излучения будет пропорциональна концентрации . Расчёты показывают, что если время выразить через время полураспада, то в результате получим зависимость отношения концентрации атомов радиоактивного изотопа к предельному количеству, которое может быть сгенерировано в образце. Следовательно, половина возможной интенсивности гамма-излучения будет достигнута при облучении в течение , а 94% – при 4 .

В случае сложных по составу образцов после активации исследуют спектр γ-излучения в области 0,1 – 3 МэВ и определяют энергию γ-переходов в образце.

Если спектр плохо разрешим, то образец выдерживают некоторое время так, чтобы распались наименее устойчивые компоненты. В случае простых смесей различных элементов определение может базироваться на изучении кинетики падения интенсивности γ-излучения.

Формально метод неразрушающий, но при длительной активации могут наблюдаться различные деструктивные процессы, особенно, для биологических образцов. Метод используется для определения примесей, а также микроэлементов в биологических образцах, в судебных анализах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: