Рентгеноспектральный локальный метод (микрозондовый)

В последние годы стал основным для изучения химического состава и строения минералов в малых объемах. Он позволяет проводить качественный и количественный анализ химического состава минералов на элементы от бора до урана, с объемной локальностью в несколько кубических микрон. Абсолютная чувствительность (наименьшее количество вещества, которое можно обнаружить) - 10^-8–10^-15г. Относительная – 0.1–0.001%.

Высокая локальность метода обеспечивает возможность получения растровых изображений исследуемого объекта во вторичных поглощенных электронах и в рентгеновском характеристическом излучении. Эти изображения несут информацию о форме выделений минералов, их пространственных и временных взаимоотношениях, особенностях микростроения и распределения отдельных элементов по зерну минерала.

Метод основан на возбуждении в исследуемом образце характеристического рентгеновского спектра с помощью тонкого электронного пучка и разложении полученного спектра по длинам волн с помощью рентгеновского спектрометра с целью идентификации элементов и определениях их содержаний. С помощью оптического микроскопа можно наблюдать участок образца, куда попадает электронный луч, а с помощью устройства перемещения образца – подставлять под пучок интересующее зерно минерала. Содержание элемента оценивается путем сравнения интенсивностей рентгеновского излучения аналитической линии в образце и в стандарте.

Ядерно-физический анализ

Ядерно-физические методы основаны на регистрации различных излучений, возникающих при ядерных реакциях, радиоактивном распаде элементов или при взаимодействии ядерных излучений с исследуемым веществом.

Их условно делят на две группы: первая включает методы, реализация которых связана со стационарным оборудованием (нейтронная активация, гамма-активация и др.); вторая включает методы с компактным аппаратурным оформлением (радиометрический, фотонейтронный, активационный, рентгенорадиометрический методы). Рассмотрим их подробнее.

Рентгенорадиометрические методы. Разработаны два варианта РРМ - флуоресцентный и абсорбционный.

Флуоресцентный анализ основан на возбуждении с помощью радиоизотопного источника характеристического излучения элементов, входящих в состав пробы, и последующем анализе этого излучения. Характеристическое излучение излучается фотонами мягкого гамма- или рентгеновского излучения. В зависимости от атомного номера определяемого элемента для возбуждения излучения применяют источники ¹⁰⁹Cd, ⁵⁷Co, ¹⁷⁰Tm, ¹⁵³Gd, ¹⁵⁵Eu и др. Интенсивности характеристического излучения элементов измеряют с помощью спектрометрических детекторов. Этим методом определяют элементы с порядковым номером больше 20. При использовании аппаратуры со сцинтилляционными и пропорциональными детекторами нижний предел обнаружения составляет 510^-3%, при использовании ППД - 110^-4%.

Абсорбционный анализ основан на том, что массовые коэффициенты поглощения определяемого элемента для излучений с энергиями фотонов, отличными от энергии края поглощения элемента, сильно различны. Излучения с соответствующими излучениями фотонов получают путем облучения определенных мишеней радиоизотопным источником. Регистрацию излучений осуществляют спектрометром со сцинтилляционным, пропорциональным или полупроводниковым детектором. Этим методом определяют элементы с Z>25 при содержании их в пробах от 0.01% и выше.

Активационные методы основаны на явлении образования под действием потока нейтронов, заряженных частиц или гамма-квантов радиоактивных изотопов из стабильных изотопов элементов, входящих в состав пробы. При облучении вещества пробы потоком элементарных частиц в ядерных реакторах или других источниках часть атомов образца взаимодействует с бомбардирующими частицами или гамма-квантами. Эти атомы превращаются в изотопы того же элемента или в изотопы других элементов в зависимости от природы бомбардирующих частиц. Во многих случаях образующиеся изотопы являются радиоактивными. Процесс образования радиоактивных ядер называется активацией.

В зависимости от вида бомбардирующих частиц различают нейтронно-активационный анализ (НАА), анализ с активацией заряженными частицами и гамма-активационный анализ (ГАА).

НАА. В этом методе для активации применяются изотопные источники, генераторы нейтронов, нейтронные размножители и ядерные реакторы. Максимальной чувствительностью обладает реакторный НАА, причем для облучения проб используются тепловые, быстрые и резонансные нейтроны. Наибольшее применение получил НАА на тепловых нейтронах, которые обычно вызывают реакции типа (n, ). Это обусловлено наличием высоких сечений активации для реакции (n, ) у большинства элементов. Этим методом определяют широкий круг элементов. Существуют два варианта НАА: радиохимический - связан с разложением облученного образца, выделением радиоактивных изотопов и измерением каждого из них в отдельности (он более чувствителен, но и более трудоемок), инструментальный проводится без радиохимической обработки.

ГАМ. При этом анализе активация образцов осуществляется гамма-квантами высоких энергий (30 МэВ). При таких энергиях наиболее вероятны ядерные реакции типа (, '), (, n), (,p), (,pn), (,2n). Здесь используются (, ') и (, n). Преимущества метода следующие:

1) все фотоядерные реакции имеют пороговый характер; величина пороговой энергии зависит от типа реакции и ядра, на котором она происходит. Тяжелые элементы обладают более низкими порогами активации, легкие - более высокими. Это дает возможность при энергии гамма-квантов 7-8 МэВ определять до 20 элементов в горных породах без активации матрицы; 2) отсутствие эффекта самоэкранирования позволяет использовать для анализа большие навески, например, при анализе на золото берут навеску 500 г при крупности дробления 1 мм.

Недостатки метода: 1) небольшие сечения активации фотоядерных реакций; 2) требуется большая энергия активации.

ГАМ применяется для определения большого числа элементов, нижний предел обнаружения 0.001 мкг.

Активационный метод с применением заряженных частиц используется, в основном, для анализа легких элементов, т.к. проникновению заряженной частицы в ядро препятствует потенциальный барьер. Обычно пробу облучают ядрами изотопов Н и Не: протоны, дейтроны, ядра трития, Не^-3 и -частицы. Источниками потоков заряженных частиц служат либо радиоактивные изотопы (²¹⁰Po и ²³⁸Pu), либо ускорители (позволяют получать пучки заряженных частиц интенсивностью до 10¹⁶частиц/с, обеспечивающей высокую чувствительность до 10^-7% при радиохимическом выделении).