Определение кремния, фосфора, серы и хлора в урановых материалах разделительного производства методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой

• Автор: Кузьмина, Наталья Валерьевна
• Шифр специальности: 02.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 142 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ НЕМЕТАЛЛОВ В УРАНОВЫХ МАТЕРИАЛАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Характеристика элементов-неметаллов

1.2 Химические методы определения неметаллов в урановых материалах

1.3 Возможности и ограничения метода ИСП-МС для определения элементов-неметаллов. Способы повышения чувствительности

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. АППАРАТУРА, РЕАКТИВЫ И ХИМИЧЕСКАЯ ПОСУДА. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1 Сведения об изотопах, выбранных для проведения анализа методом ИСП-МС

2.2 Средства измерения и их характеристики

2.2.1 Устройство, краткие характеристики, оптимальные параметры работы масс-спектрометра высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой Е1етегИ-2
2.2.2 Устройство, краткие характеристики, оптимальные параметры работы квадрупольного масс-спектрометра с динамической реакционной ячейкой
2.3 Вспомогательные устройства
2.4 Стандартные образцы, реактивы и химическая посуда
2.5 Снижение величины поправки «холостого» опыта
2.6 Градуировка масс-спектрометра с ИСП
2.7 Выводы по главе
ГЛАВА 3 СПЕКТРАЛЬНЫЕ НАЛОЖЕНИЯ И МАТРИЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ИСП-
МС ОПРЕДЕЛЕНИИ СОДЕРЖАНИЯ КРЕМНИЯ, ФОСФОРА, СЕРЫ И ХЛОРА В УРАНОВЫХ МАТЕРИАЛАХ
3.1 Исследование спектральных наложений и возможности их устранения с помощью масс-спектрометра высокого разрешения
3.2 Устранение спектральных наложений с применением динамической реакционной системы
3.2.1 Теоретическое изучение действия "химического" разрешения. Типы ионномолекулярных реакций
3.2.2 Выбор реакционного газа
3.2.3 Предварительная оценка реакционной способности Ог, N113, СН4 и Н2 расчетным способом

3.2.4 Оценка реакционной способности газов по отношению к полиатомным ионам
л© 31 32
и Si , Р, S, С1 экспериментальным способом
3.2.5 Оценка исследованных реакционных газов по величине отношения аналитического сигнала к "фоновому". Выбор оптимального газа
3.2.6 Контроль над ионно-молекулярными реакциями в ячейке ДРС. Параметры квадруполя ячейки
3.3 Исследование влияния урана на аналитические сигналы определяемых элементов-неметаллов
3.3.1 Теоретическое исследование матричных эффектов в методе ИСП-МС
3.3.2 Оценка матричного влияния урана при измерениях аналитических сигналов определяемых элементов на масс-спектрометре Element-2 и Elan DRC II
3.3.3 Выбор оптимальной концентрации урана в анализируемом растворе
3.4 Выводы по главе
Глава 4 Разработка методик определения содержания элементов-неметаллов в урановых материалах
4.1 Общие методические сведения
4.1.1 Оптимизация инструментальных параметров работы масс-спектрометров
4.1.2 Оценка аналитических характеристики методик
4.2 Разработка методик определения содержания кремния, фосфора, серы и хлора методом ИСП-МС высокого разрешения
4.2.1 Разработка методик прямого определения содержания кремния и фосфора
4.2.2 Разработка высокочувствительной ИСП-МС методики определения содержания кремния с предварительным отделением дистилляцией
4.2.3 Разработка методики определения содержания серы методом ИСП-МС высокого разрешения
4.2.4 Разработка методики определения содержания хлора методом ИСП-МС высокого разрешения
4.3 Разработка методик прямого определения кремния, фосфора и серы с использованием динамической реакционной ячейки
4.3.1 Разработка методики определения содержания кремния методом ИСП-МС-ДРС с аммиаком в качестве реакционного газа
4.3.2 Разработка методики определения содержания кремния, фосфора и серы методом ИСП-МС-ДРС с кислородом в качестве реакционного газа
4.4 Сопоставление аналитических возможностей разработанных методик
4.5 Исследование возможности унификации прямых методик ИСП-МС определения содержания неметаллов
4.6 Применение разработанных методик для анализа урановых материалов особой чистоты
4.7 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Автоклав из фторопласта (сборочный чертеж Л5489-0-00СБ)
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Свидетельство об аттестации МВИ «Сера. Методика масс-спектрометрического с индуктивно-связанной плазмой определения массовой доли в
гексафториде урана»
ПРИЛОЖЕНИЕ В Свидетельство об аттестации МВИ «Хлор. Методика масс-спектрометрического с индуктивно-связанной плазмой определения массовой доли в
гексафториде урана»
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Свидетельство об аттестации МВИ «Кремний. Фосфор. Сера. Хлор. Методика масс-спектрометрического с индуктивно-связанной плазмой определения массовой доли в гексафториде урана»

сапфирового инжектора, горелки из пиролитического нитрида кремния, а также при проведении подготовки проб в боксе с ламинарными потоками воздуха, обеспечивающем чистоту, соответствующую 5 классу. В данной работе авторами были исследованы влияние кислот, воды, используемых при растворении пробы, и материала горелки на интенсивность фонового сигнала. При использовании кварцевой горелки интенсивность фонового сигнала на 20 % выше, чем при измерениях с горелкой из нитрида кремния. Предел обнаружения кремния составил 0,15 мкг/г. О преимуществах керамических горелок также свидетельствуют авторы работы [129], в которой были изучены возможности горелок, изготовленных из различных керамических материалов - пиролитического нитрида бора и оксида алюминия (алунда). Горелка из нитрида бора может использоваться при низких концентрациях HF, однако при высоких концентрациях фтористоводородной кислоты велика вероятность загрязнения проб бором из-за возможного разрушения горелки. При использовании оксида алюминия в качестве материала для горелки, уровень фона по кремнию может быть уменьшен в 65 раз по сравнению с использованием кварцевой горелки.
В работе [117] авторы изучали влияние материала горелки (кварц и керамика) и операционных параметров плазмы (мощность ВЧ генератора, расход плазмообразующего газа) на интенсивность фонового сигнала при определении следовых количеств кремния в чистой воде на масс-спектрометре Elan DRC Plus. Экспериментальным путем было показано, что наибольший отклик фонового сигнала, соответствующий концентрации кремния, равной 70 мкг/дм3, наблюдался при использовании кварцевой горелки при максимальной мощности ВЧ генератора (1600 Вт). Поскольку измерения проводились в режиме ДРС с аммиаком в качестве реакционного газа, влияние полиатомных ионов на фоновый сигнал было исключено. Как указывают авторы данной работы, полученную величину фонового сигнала можно уменьшить в 7 раз, снижая мощность ВЧ генератора до 1100 Вт, и соответственно температуру плазмы. Однако наименьшее значение концентрации кремния в фоновом растворе (0,6 мкг/дм3) авторы работы получили при измерениях, выполненных с использованием керамической горелки с платиновым инжектором.
Таким образом, анализ литературных данных показал, что предел обнаружения можно значительно улучшить, если исключить риск загрязнения анализируемых образцов из окружающей среды, например, при выполнении работ в помещении, соответствующем по концентрации взвешенных частиц (менее 0,5 мкм) 5 классу по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2002.
Методы учета спектральных наложений
Информативный обзор работ по использованию данного способа коррекции спектральных наложений при определении различных элементов приведен в работе [23], посвященной полиатомным спектральным помехам в методе ИСП-МС.