Лекция 16. Ядерная геофизика. 5.1 Физико-геологические основы гамма - и нейтронных методов (стр. 6 )

(5.22)

где для К-уровней aК=1,06·10-6, для L-уровней aL=1·108

5.1.7.2 Возбуждение и регистрация характеристического рентгеновского излучения элементов. Источники возбуждающего излучения

Для возбуждения рентгеновской флуоресценции в методе обычно используют ампульные радионуклидные источники. По типу распада применяемые источники можно разделить на четыре группы.

К первой группе относятся источники, испускающие фотоны в результате захвата ядром орбитального электрона (ЭЗ), а также дающие характеристическое рентгеновское излучение атомов дочернего элемента. Этот вид распада часто сопровождается внутренней конверсией гамма-излучения, заключающейся в том, что атомное ядро при переходе из возбужденного состояния в другое состояние с меньшей энергией отдает энергию непосредственно одному из электронов атомной оболочки, который вылетает из атома. В связи с этим внутренняя конверсия также сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения. Атомный номер элемента и атомная масса при внутренней конверсии, так же как и при испускании фотонов, не изменяются.

Источники первой группы, к которым относятся железо-55, кадмий-109, йод-125, самарий-145, гадолиний-153, кобальт-57, церий-149, селен-75, имеют достаточно высокий выход фотонов (0,1-1 фотон/расп.) и линейчатый спектр, характеризующийся, как правило, хорошей чистотой. Наилучшими в отношении чистоты спектра являются циклотронные (нейтронодефицитные) изотопы, образующиеся в циклотроне в результате облучения мишени заряженными частицами.

Вторую группу составляют источники, представляющие собой ядерные изомеры, ядра которых находятся в возбужденном (метастабильном) состоянии. Переход изомера (ИП) в исходное состояние сопровождается испусканием фотонов. Источники этой группы (например, олово-119m) также характеризуются высокой чистотой спектра. Активность применяемых в РР-методе источников первой и второй групп составляет обычно 1-30мКи.

Для источников третьей группы характерен альфа-распад, сопровождаемый испусканием гамма-излучения. Источники этой группы (плутоний-238, америций-241 и кюрий-244) имеют, как правило, значительный период полураспада. Альфа-распад сопровождается также испусканием характеристического рентгеновского излучения атомами нового элемента, который образуется в результате распада материнского ядра и имеет порядковый номер на две единицы меньше. Активность стандартных альфа-источников составляет обычно 5-100 мКи.

Источники этой группы используются как для фотонного, так и для альфа-возбуждения рентгеновской флуоресценции элементов. Альфа-частицы эффективно возбуждают характеристическое рентгеновское излучение с энергией ниже 3кэВ. Однако альфа-возбуждение, так же как и фотонное возбуждение с энергией фотонов ниже 2-3кэВ, реализуется только в лабораторных условиях, ибо для этого требуется поместить анализируемый образец вместе с радионуклидным источником и детектором в вакуумный блок.

Четвертую группу составляют радиоактивные изотопы, распадающиеся с испусканием бета-частиц. К ним относятся тритий, прометий-147 и тулий-170. Так как выход характеристического рентгеновского излучения и контрастность (отношение сигнал/фон) при электронном возбуждении на один-два порядка ниже, чем при фотонном, то в ренгено-радиометрическом методе используется фотонное излучение, сопровождающее бета-распад, а также излучение специальных источников фотонов, изготовленных на основе бета-излучателей. У источника тулий-170 бета-распад сопровождается испусканием гамма-излучения с энергией 84кэВ и К-серии характеристического рентгеновского излучения иттербия, который образуется в результате превращения нейтрона в ядре тулия в протон и испускания электрона.

В радионуклидных источниках фотонов на основе бета-излучателя трития характеристическое рентгеновское излучение титана и циркония возникает в результате взаимодействия бета-частиц с атомами мишеней из титана и циркония. Бета-излучатели являются также источниками тормозного рентгеновского излучения, имеющего непрерывный спектр и возникающего при торможении электронов в веществе радиоактивного соединения, в мишени и корпусе ампулы. Выход фотонов для источников с двухступенчатым возбуждением, выполняемых на основе бета-излучателей (например, тритий-циркониевых мишеней), составляет 10-5 фотон/расп., а требуемая активность может достигать десятков Кюри. Наличие тормозного излучения, снижающего контрастность в несколько раз по сравнению с моноэнергетическим возбуждением, а также повышенные требования к защите в случае присутствия высокоэнергетического бета-излучения в значительной степени снижают эффективность применения бета-излучателей в ренгено-радиометрическом методе.

Выбор радионуклидного источника для проведения ренгено-радиометрических измерений в общем случае зависит от атомных номеров совокупности определяемых элементов, от условий измерений, требований к чувствительности, точности и избирательности анализа и от других факторов.

Определение тяжелых (Z≥70) элементов по K-серии осуществляется обычно с источником кобальт-57, реже с источниками гадолиний-153 и селен-75. Для определения лантаноидов (57≤Z≤69) наиболее часто применяется америций-241. Для определения элементов с атомным номером около 50 наиболее эффективен самарий-145. Определение элементов с атомными номерами от 24 до 42 по K-серии и тяжелых элементов по L-серии осуществляется преимущественно с источником кадмий-109. Для определения элементов Z<24 целесообразно использовать железо-55, а также тритий-циркониевые и тритий-титановые мишени.

Для повышения чувствительности и избирательности ренгено-радиометрического нализа при двухступенчатом возбуждении кроме бета-излучателей используются и другие радионуклидные источники, в частности америций-241 и кадмий-109. При этом, однако, необходимо увеличение активности источников на один-два порядка.