CC BY
104
УДК 539.17
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ Au В ПРОБАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ (y,y')m РЕАКЦИИ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ
Э.Л. Купленников1^ С. Н. Афанасьев1^ В.В. Красильников2)
^Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт” ул. Академическая 1, 61108 Kharkov, Ukraine e-mail: kupl@kipt.kharkov.ua 2)Белгородский Государственный Университет, ул. Победы 85, 308015 Белгород, Россия
e-mail: kras@bsu.edu.ru
Рассмотрена возможность применения ускорителя электронов (УЭ) для анализа рудных проб на золото. Результаты основаны на использовании 197Au(y,y')197mAu реакции, экспериментальных интегральных сечений возбуждения изомера активационными уровнями и моделирования по методу Монте-Карло (GEANT3.21).
Ключевые слова: электронный ускоритель, фотоны, неупругое рассеяние, фотовозбуждение, гамма-активационный анализ, золото, изомер, геологические пробы, концентрация, чувствительность анализа.
Введение
Золото (Au) - редкий металл. Поэтому для определения концентрации Au в геологических пробах при поисках, разведке и разработке месторождений необходимо использовать методы с максимальной чувствительностью, точностью, экономичностью и высокой производительностью. Примером успешного решения данной задачи является применение для анализа нейтронно- и гамма- активационной методик:
197 198
а) Методика, использующая Au(n,y) Au реакцию. Активация образцов осуществляется резонансными нейтронами. Методика разработана и применена в работе [1]. Нейтроны получены на микротроне МТ-16 при энергии электронов Ее = 16 МэВ и среднем токе Ie = 25 мкА. Предел обнаружения Au не хуже 0.1 г/т. Время облучения tirr ~ 10 часов и охлаждения tc ~ 95 часов. Производительность метода 264 анализа в сутки.
197 198
б) Методика, использующая реакцию Au(n,y) Au. Активация осуществляется тепловыми нейтронами. Данная методика применена в [2]. Показано, что использование микротрона с энергией 20-24 МэВ и током Ie = 15 мкА обеспечивает анализ проб на содержание Au с пределом обнаружения > 0.1 г/т. Чувствительность анализа падает, если в образцах много Na, Mg, Sb, As. Время tirr ~ 2 часа и tc ~ 24 часа. Производительность метода ~ 40 анализов в смену.
в) Наибольшая чувствительность нейтронно-активационного анализа < 10-9 г/г достигается на ядерных реакторах. Реактор мощностью 1 МВт обеспечивает поток
13 2 1
нейтронов > 10 см с . При этом ~ 90-95% потока составляют тепловые нейтроны. Такой анализ, однако, имеет ограниченное применение из-за мощного фона наведенной активности в элементах матрицы.
г) Методика, использующая реакцию 197Au(y,n)196Au. Активация проводится тормозными фотонами. В работе [3] данная методика задействована для определения содержания Au в рудах Украины. С этой целью использовался линейный УЭ (ЛУЭ), работающий в диапазоне энергий 16-25 МэВ, токов 0.1-1 мА и временем облучения от 1 часа до нескольких дней. Достигнут порог детектирования Au 0.03-0.1 г/т для большинства исследованных руд за исключением образцов с высоким содержанием Mn, где порог оказался 1-1.5 г/т. Масса облучаемых проб Мпр < 500 г. Время охлаждения ~ 5-10 часов. Производительность метода ~ 50 анализов в смену.
д) Методика, использующая 197Аи(у,у')197тАи реакцию (период полураспада 197тАи Т1/2 = 7.73 с; энергия изомерного состояния 409.1 кэВ, регистрируемая у- линия спектра Еу = 279.0 кэВ). Активация образцов осуществляется тормозными фотонами. Ниже даны примеры наиболее информативных исследований. В работе [4] анализы выполнены на ЛУЭ при Ее = 4.2 МэВ и 1е = 50-65 мкА. Время ^ ~ 47 с. Пороговая чувствительность определения содержания золота, рассчитанная для случая 99.7% доверительной вероятности, 30 г/т. Практическое применение метода рассмотрено в [5], где применен микротрон МТ-13. Энергия Ее = 6 МэВ, 1е = 80 мкА, Мпр = 50-130 г. Время ^п-, ^ и время измерения ^ - 30, 3 и 20 с соответственно. Порог детектирования Аи ~ 1 г/т. В работе [6] анализ проведен на микротроне МТ-16 при энергии Ее = 9 МэВ и 1е = 30 мкА. Вес образцов 100-200 г. Время ^ и ^ - 18, 3 и 18 с соответственно. Пороговая чувствительность определения золота в пробах руд кварц-карбонатного состава, руд с большим содержанием сульфидных минералов и руд с повышенным содержанием естественных радиоактивных элементов получена 3, 7 и 5 г/т соответственно.
На базе перечисленных выше лабораторных исследований создан действующий промышленный фотоядерный аналитический комплекс «Аура» [7]. Применение ЛУЭ с энергией 8 МэВ, навески 500 г, состоящей из дробленой породы с диаметром частиц ~ 1 мм, времени ^п-, ^ и ^ - 15, 3 и 15 с соответственно, двух однокристальных у-спектрометров NaJ(Tl) диаметром 150 и высотой 100 мм обеспечивает предел определения золота 0.2-0.5 г/т в рудах различного состава. Проектная производительность комплекса 400 образцов в смену.
В 1992 г. на тормозном пучке ЛУЭ S-DALINAC проведены детальные исследования короткоживущих изомеров, включая Аи, в интервале граничных энергий тормозного спектра Еутах = 2-7 МэВ [8]. В результате найдены 4 активационных уровня, дающих наибольший вклад в заселение изомера, их энергии возбуждения Е), а также интегральные сечения возбуждения изомера через )-ый активационный уровень. Оказалось, что величины интегральных сечений > 10" см кэВ, что в 1000 раз больше, чем в большинстве исследованных ранее (у,у')т реакций. Полученные результаты давали возможность оценить количество активированных ядер 197тАи, которые образовались в результате облучения исследуемого материала, по новой методике.
Проведенный нами анализ результатов [4-7] показал, что наблюдается заметный разброс в выборе основных параметров анализа: энергия электронов Ее = 4.2-9 МэВ, масса проб Мпр = 10-500 г, время облучения = 2Т1/2-6Т1/2 и т.д. Поэтому в настоящей
работе рассмотрена возможность применения УЭ для экспресс-анализа природных и технологических материалов на наличие золота с учетом результатов экспериментальных и теоретических исследований, данных о числе и энергии активационных уровней, интегральных сечениях возбуждения изомера 197тАи через активационные уровни, а также достижений в области оптимизации.
1. Выбор рабочих параметров
При определении оптимальных условий проведения активационного анализа важную роль играет селективность, т.е. способность анализа выделять ядра искомого элемента на фоне остальных ядер, присутствующих в образце. На Рис. 1 [9] показана зависимость удельной селективности обнаружения золота в кварцевой породе от граничной энергии тормозного спектра Еутах для четырех значений времени облучения. Кривые 1-4 соответствуют ^п- = Т1/2, 3Т1/2, 5Т1/2, 7Т1/2.
Видно, что наибольшая удельная селективность наблюдается при Еутах = 8.5 МэВ для любых и растет с уменьшением времени активации. Из последнего утверждения вовсе не следует, что наилучшие условия для анализа будут обеспечены малым Ъп-.
Выбор времени облучения определяется в конечном счете чувствительностью анализа. Кроме того, в [9] показано, что поскольку Т1/2 Аи меньше периодов полураспада основных мешающих элементов, время доставки пробы к у- спектрометру необходимо уменьшать до минимума. Поэтому в данной работе: 1) за основу взята энергия Ее = 8.5 МэВ. Однако, т.к. электроны при прохождении выходной фольги УЭ и слоя воды теряют ~ 200 кэВ, для дальнейших оценок начальная энергия пучка электронов увеличена до 8.7 МэВ; 2) время ^ и ^ выбрано исходя из опыта работ [1-4] 16, 3 и 19 с соответственно. Данный режим работы позволяет с учетом технологических перерывов облучать и исследовать > 300 проб в смену. Сразу же отметим, что температура пробы за одну экспозицию при среднем токе 1 мА (диаметр пучка на конверторе 5 мм) возрастает примерно на 20°С относительно начального значения, т.е. дополнительное охлаждение образца не требуется.
Предлагаемое размещение активационного оборудования на выходе УЭ представлено на рис. 2. Обозначения на рисунке: 1, 4 - фольги из Ті по 50 мкм каждая; 2 - два слоя воды по 1.5 мм; 3 - конвертор из Аи; 5 - слой воздуха 5 мм; 6 - золотосодержащая смесь; 7 - А1 контейнер, 8 - крышка из полиэтилена.
В связи с наибольшим порогом эмиссии нейтрона по сравнению с традиционными металлами Та и W в качестве конвертора используется золото. Оптимальная толщина диска 1 мм определена по результатам математического моделирования. Контейнер многоразового использования для дробленой массы исследуемого материала, представляет собой усеченный прямой конус из А1 с толщиной стенок 1 мм и полиэтиленовой крышки толщиной 1 мм. Высота конуса h = 40 мм, малый г и большой радиус R равны 20 и 35 мм соответственно. Оптимальная величина малого (большого) радиуса определена на основе модельного расчета (диаметра кристалла у- спектрометра), а высота конуса - в предположении, что средняя длина свободного пробега фотона L = 1/ц , где ц - линейный коэффициент ослабления у-излучения в веществе, с энергией 279.0 кэВ больше толщины золотосодержащей смеси в контейнере.
Доставка активированного образца к у-спектрометру может быть решена тремя способами. 1. Использовать пневмотранспортную систему. 2. Применить прецизионный транспортер, который доставит образец к детектору и одновременно установит очередную пробу на место облучения. 3. Сбрасывать контейнер в вертикальный канал (см. описание в [7]), ведущий к блоку измерения. Отключение УЭ во время охлаждения и измерения даст возможность убрать основной у- фон элементов матрицы образца и электромагнитные помехи во время регистрации спектра остаточной активности.
2. Выход реакции
В работе предполагалось, что золото находится в породе, состоящей из двуокиси кремния SiO2. Это связано с тем, что практически любой геологический образец содержит в своем составе кремний и кислород. Окиси и силикаты №, Mg, Аі, Са, Fe, J составляют почти 99% руд земной коры [3].
Рис. 2. Блок-схема активационного оборудования
йАахЮ~20
Рис. 1. Зависимость удельной селективности Аи от Еутах
Для вышеописанных параметров внутренний объем контейнера равен 97.39 см3. При плотности измельченного образца 0.8 г/см3 (средняя плотность золотосодержащей смеси [2]), вес содержимого контейнера 77.9 г, а масса золота (при условии его содержания в смеси 1 г/т) 0.779х10"4 г, что соответствует числу ядер золота на см2 Nf = NT = 0.979 х 1016.
Число активированных ядер Nf находилось, используя выражение для нормированного выхода реакции (y,y')m [10]:
Y (ErmJ = NV = I (orytsoN(Ej, ErmJ, (1)
NTNe j
где Ne - число электронов, прошедших через конвертор, (стГ)^ - интегральное сечение возбуждения изомера через промежуточный уровень j, N(Ej, Ey max) - спектральная
интенсивность фотонного поля в единичном интервале энергий для Ey max. Величина
N(Ej, Ey max) рассчитывалась для индиви- Таблица
дуальной геометрии облучения в коде
GEANT3.21. Оценка Nf выполнена со Активационные ур°вни
~ т Аб и интегральные сечения.
статистикой 10 , интервалом группиро- г
вания 10 кэВ и экспериментальными ин-
Ej, Мэв (ofj, (10-29 см2 кэВ)
1.7±0.3 70±30
2.5±0.1 500±50
3.2±0.1 4500±500
4.2±0.2 20000±4000
тегральными сечениями [8], приведенными в табл. Согласно (1) число возбужденных ядер в изучаемой реакции 197Аи(у,у')197тАи равно 7822.
3. Эффективность системы
Для оценки числа у-квантов с Еу = 279.0 кэВ, которые реально будут зарегистрированы у- спектрометром, необходимо ввести поправки на наложение импульсов, просчеты и эффективность системы. В качестве детектирующей системы рассматривался спектрометрический блок 6931-20 с блоком БДЭГ2-39 и кристаллом КаІ(Ті) 150x100 мм.
В случае, когда учитываются только события с полным поглощением энергии, полная эффективность равна [11]:
ЄП = Є ГЕОМ Є ПОГЛ ЄобрЄсоб , (2)
где ЄгеоМ - доля от полного числа фотонов, вылетающих в телесный угол 4п, попадающих на детектор. єгеом - получена путем математического моделирования. Поверхность КаІ(Ті) относительно поверхности пробы находилась на расстоянии 3 мм. Согласно расчета, на кристалл диаметром 150 мм попадает 34.7% у-квантов с Еу = 279.0 кэВ, т.е. єгеом = 0.347.
єПОГл - учитывает влияние промежуточных материалов, которые поглощают часть излучения перед тем, как фотоны попадут на детектор. Математический вид коэффициента:
ЄПОГЛ = ЄХР[-Е Ц (Ег )РгХг ] (3)
где ц, Рі и Хі - массовый коэффициент поглощения, плотность и толщина і- го промежуточного материала.
Чтобы попасть на детектор, фотон с энергией 279.0 кэВ должен пройти 1 мм полиэтилена, слой воздуха і мм и Аі фольгу толщиной 1 мм. Массовые коэффициенты поглощения и плотность элементов взяты в [12,13]. В результате єПОГЛ = 0.96.
Єобр - доля у-квантов, излученных самим образцом, реально покидающих исследуемый материал. Согласно [11]:
1 - exp[-(^/?x)]
(дрх)
где д р и x - массовый коэффициент поглощения, плотность и толщина материала.
В данной работе считается, что смесь элемента, испускающего у-излучение, с элементами матрицы образца, достаточно равномерна и однородна по составу и плотности. Кроме того, частицы, испускающие фотоны, малы и поэтому самоослабление внутри отдельных частиц пренебрежимо мало. Эти требования гарантируют, что линейный коэффициент ослабления имеет одно значение в достаточно большом диапазоне и его можно использовать для количественного расчета. Оценка s0ep проведена с массовым коэффициентом поглощения и плотностью [12,13] для химического соединения SiO2. Величина Soep = 0.72.
Sc0e - вероятность того, что у- квант, который попадает в детектор, даст импульс в пик полного поглощения. Простейшим образом эту эффективность можно получить из стандартной формулы поглощения, которая не учитывает тот факт, что пик полного поглощения может также содержать события многократного комптоновского рассеяния:
Scoe = 1 - exP(-ДР^Х (5)
где д - массовый коэффициент ослабления, р- (x)- плотность (толщина) чувствительного материала детектора.
Массовый коэффициент поглощения рассчитан для химического соединения NaJ, поскольку примесь Т1 в сцинтилляционном кристалле NaJ(Tl) ~ 0.1% и его вклад в величину д пренебрежимо мал. Плотность NaJ 3.67 г/см3 взята в [14]. В результате Scoe = 0.99.
Таким образом полная эффективность детектирующей системы sn = 0.237. Поправки на наложение импульсов и просчеты не учитывались.
4. Обсуждение результатов
Известное количество активированных ядер Nf позволяет оценить число реальных фотонов в площади фотопика SY, которые будут зарегистрированы у-спектрометром. Для этого необходимо ввести [9, 14] поправки, учитывающие распад ядер за время облучения (1 - e-Xt,rr) = 0.76, охлаждения e ~Мс = 0.76, измерения (1 _ e-X~ )= 0.82, поправку, связанную с интенсивностью у- линии IY = 0.71, полную эффективность детектора sn = 0.237, а также зависимость от постоянной распада X = 0.0897. В результате SY ~ 7000.
Таким образом, при энергии электронов 8.7 МэВ и среднем токе 1 мА количество фотонов с энергией 279.0 кэВ, которое должен в идеальном случае зарегистрировать детектор после облучения пробы с содержанием Au 1 ppm, ~ 7000, а при концентрации 0.1 г/т Sy ~ 700. Кроме того, расчеты свидетельствуют о возможности надежного определения минимальной концентрация золота для промышленного сырья ~1 г/т [7] при снижении тока до величины 50 мкА (SY ~ 350). Полученные результаты согласуются с данными работ [6,7].
Чувствительность анализа может быть улучшена, если увеличить массу пробы до ~ 500 г, использовать два однокристальных у- спектрометра NaJ(Tl) или применять полупроводниковые у- детектора из сверхчистого германия с большим чувствительным объемом.
Выводы
Представленные результаты основаны на использовании экспериментальных интегральных сечений возбуждения изомера золота через активационные уровни и мате-
матического моделирования по методу Монте-Карло (код GEANT3.21). Показано, что предложенный метод оценки выхода ядер 197mAu для обнаружения золота в природных и технологических материалах, дает разумные результаты, согласующиеся с экспериментальными данными, и может быть использован для практического применения.
Литература
1. Белов, А.Г. Методика определения содержания золота в геологических образцах с использованием резонансных нейтронов [Текст] / А.Г. Белов и др. // Препринт ОИЯИ 18-80-841. Дубна. 9 с.
2. Зузаан, П. Методика определения золота в золотосодержащих образцах с использованием замедленных нейтронов [Текст] / П. Зузаан, Б. Отгоолой, З. Дамдинсурен // Письма в ЭЧАЯ. 2005. Т. 2. № 6(129). С. 58-63.
3. Dikiy, N.P. Use of accelerators in geology, medicine, isotopes production and atomic-power energetics [Текст]/ N.P. Dikiy, A.N. Dovbnya, N.A. Skakun et al. // Problems of Atomic Science and Technology. 2001. № 1. Series: Nucl. Phys. Invest. (37). P. 26-35.
4. Аббосов, О. Гамма- и нейтронно-активационный анализ с применением ускорителя электронов на 4,2 МэВ [Текст]/ О. Аббосов, С. Кодири, Л.П. Старчик // Сб. Ядернофизические методы анализа веществ. 1971. М. Атомиздат. С. 244-250.
5. Берзин, А.К. Практические возможности применения реакции неупругого рассеяния у- квантов для элементного анализа пород и руд. [Текст]/ А.К. Берзин, Ю.В. Груздев, В.В. Сулин // Сб. Ядернофизические методы анализа веществ. 1971. М. Атомиздат. С. 236-244.
6. Капица, С.И. О применении микротрона для экспрессного у-активационного анализа рудных проб на золото [Текст] / С.И. Капица, Ю.Т. Мартынов, В.В. Сулин, Ю.М. Ципенюк // Атомная Энергия. 1973. Т. 34. Вып. 3. С. 199-200.
7. Бурмистренко, Ю.Н. Фотоядерный анализ состава вещества. [Текст]/ Ю.Н. Бурмистренко // 1986. М. Энергоатомиздат. 200с.
8. Collins, C.B. Common threshold and role of deformations in the photoexcitation of isomers [Текст]/ C.B. Collins, J.J. Carroll, K.N. Taylor et al.// Phys. Rev. C. 1992. V. 46. N. 3. P. 952-960.
9. Давыдов, М.Г. Селективность у-активационного анализа [Текст]/ М.Г. Давыдов, В.А. Щербаченко // Атомная Энергия. 1969. Т. 27. Вып. 3. С.205-208.
10. Shevchenko, O.S. Excitation of isomer in 115In(y,y')115mIn reaction [Текст]/ O.S. Shevchenko, A.N. Dovbnja, E.L. Kuplennikov et al. // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigation. 2005. 6(45). P. 30-34.
11. Passive Nondestructive Assay of Nuclear Materials. Edited by D. Reilly, N Ensslin, H. Smith and S. Kreiner, 1991. 436 p.
12. О.Ф. Немец, Ю.В. Гофман Справочник по ядерной физике. Киев. Наукова Думка.1975. 415 с.
13. Eidelman, S. Particle Physics booklet. [Текст]/ S. Eidelman et al. // Phys. Lett. B. V.592. No 1. 320 р.
14. Yhiep, T.D. Activation method for measurement of bremsstrahlung photon flux produced by electron accelerator [Текст]/ T.D. Yhiep, T.T. An, T.D. Phu et al.// Письма в ЭЧАЯ. 2005. Т. 2. № 4. С. 53-59.
FINDING CONTENT OF Au IN SAMPLES BY (y,y')m REACTIONS AND INTEGRAL SECTIONS
E.D. Kuplennikov1*, S.N. Afanas’ev1*, V.V. Krasil’nikov2*
'-National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Akademicheskaya St. 1, 61108 Kharkov, Ukraine e-mail: kupl@kipt.kharkov.ua 2)Belgorod State University, Pobeda St. 85, 308015 Belgorod, Russian e-mail: kras@bsu.edu.ru
In this work, it is considered the possibility of applying an electron accelerator to control gold test in ore samples. The results are based on the 197Au(y,y')197mAu reaction, experimental integral sections of isomer excitation by activation levels and Monte-Carlo modeling (GE-ANT3.21).
Key words: electron accelerator, photons, inelastic scattering, photoexcitation, gamma-activation analysis, gold, isomer, geological sample, concentration, analysis sensibility.
