Активационный анализ представляет собой метод количественного и качественного определения химических элементов в образцах на основе их превращений под действием ядерного излучения. Этот метод опирается на процесс нейтронного или иного ядерного облучения, приводящий к образованию радиоактивных изотопов, свойства которых позволяют выявлять содержание элементов с высокой точностью.
Процесс активации заключается в захвате ядром нейтрона или другой частицы с последующим образованием радиоактивного изотопа. Для нейтронного активационного анализа (НАА) ключевым является нейтронный захват:
[ {A}{Z}X + n ^{A+1}{Z}X* ^{A+1}_{Z}X + ]
где (X^*) — возбужденное состояние ядра, испускающее γ-излучение при переходе в стабильное или радиоактивное состояние. Энергия испускаемых γ-квантов и их интенсивность определяются энергетическими уровнями ядра, что позволяет идентифицировать элемент.
Активационный анализ подразделяется на несколько видов в зависимости от типа облучения и измеряемого излучения:
Нейтронный активационный анализ (НАА) Основной метод, использующий тепловые и быстрые нейтроны, генерируемые ядерными реакторами или нейтронными генераторами. Применяется для точного количественного анализа элементов, включая следовые концентрации (до 10⁻¹² г/г).
Протонный и дейтронный активационный анализ Использует ускорители заряженных частиц, которые индуцируют ядерные реакции ((p,n), (d,n), (p,α)). Позволяет работать с элементами, мало чувствительными к нейтронному захвату.
γ-активационный анализ Основан на измерении γ-излучения, испускаемого радиоактивными изотопами после облучения, и широко применяется для многоэлементного анализа.
Подготовка образца Образцы должны быть очищены от примесей, способных вызвать постороннее радиационное фоновое излучение. Форма и размер образца подбираются с учетом однородности облучения.
Активация (облучение) Выбор типа облучения определяется физическими свойствами элементов и требуемой чувствительностью. Время облучения подбирается таким образом, чтобы достичь оптимального соотношения радиоактивного распада и интенсивности сигнала.
Охлаждение После облучения образец выдерживается для уменьшения активности короткоживущих изотопов и снижения фона. Время охлаждения зависит от периода полураспада продуктов активации.
Регистрация и измерение излучения Используются высокочувствительные γ-спектрометры, сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Спектр позволяет идентифицировать элементы по энергии γ-квантов и количественно оценить их содержание по интенсивности.
Обработка данных Применяются поправки на время облучения, период полураспада, геометрические и детекторные коэффициенты. Для сложных образцов используется многоэлементный спектральный анализ.
Термический нейтронный захват: [ {59}Co(n,){60}Co] Период полураспада (^{60}Co) — 5,27 года, интенсивное γ-излучение на 1,17 и 1,33 МэВ.
Быстро-нейтронные реакции: [ {27}Al(n,α){24}Na] Используется для выявления алюминия в сплавах и минералах.
Реакции с заряженными частицами: [ {63}Cu(p,n){63}Zn] Применяются для элементов, слабо активируемых нейтронами.
Развитие активационного анализа связано с улучшением детекторов с высокой энергией разрешения, автоматизацией обработки спектров и внедрением компьютерного моделирования распределения нейтронного потока. Современные методы позволяют достигать точности до долей процента даже при сложных матрицах образцов и минимальных концентрациях элементов.
Активационный анализ сохраняет ключевую роль в аналитической химии как метод высокочувствительного и надежного выявления элементов, недоступного большинству других способов анализа.