Применение ядерно-физических методов для элементного анализа атмосферных аэрозолей и других объектов окружающей среды

• Автор: Кудряшов, Владимир Иванович
• Шифр специальности: 04.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 272 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. ОБЗОР РЯДА СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВА Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ.
2.1. Физические методы, используемые для проведения комплексного элементного анализа.
2.1.1. Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА):
а) РФА с рентгеновской трубкой (РФА с РТ)
б) РФА с радиоизотоп»ым возбуждением (РФА с РИ)
в) РФА с протонным возбуждением (РФА с ПВ)
2.1.2. Методика измерений при проведении РФА.
а) Измерения в условиях тонкого и насыщенного слоев.
б) Потери ттульсов в пике полного поглощения.
в) Варьирование режимов измерения.
2.1.3. Инструментальный нейтронно-активационный анализ (НАА)
2.1.4. Активационный анализ с использованием заряженных частиц (ААЗЧ).
2.1.5. Количественный анализ.
а) РФА, тонкий слой (калибровка с использованием внешнего и внутреннего стандартов).
б) РФА, насыщенный слой.
в) НАА.
г) ААЗЧ.
2.2. Комплексный элементный анализ:
а) Сравнение методов РФА с РТ, РФА с РИ, РФА с ПВ.
б) РФА и НАА.
в) ААЗЧ в сравнении с РФА и НАА.
г) Сопоставление результатов анализа образцов разными методами.
д) Выбор оптимальных методов анализа.
е) Пределы обнаружения элементов в разных методах анализа.
2.3. Обработка спектральной информации:
2.4. Элементный состав фильтров и подложек, используемых для отбора проб атмосферного воздуха.
2.4.1. Фильтры из волокнистого материала ФП.
а) Перхлорвинтовые фильтры.
б) Фильтры из ацетилцеллюлозы.
в) Количество матричных элементов и микропримесей в волокнистых фильтрах.
2.4.2. Лавсановые фильтры (nuclear роге).
2.4.3. Подложки для импакторов, проб атмосферных осадков и других проб.
2.5. Требования по отбору проб и иробоподготовка.
Таблицы и рисунки к главе
Глава 3. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИНФОРМА
ЦИИ О СОДЕРЖАНИИ ЭЛЕМЕНТОВ В АТМОСФЕРЕ.
3.1. Использование коэффициентов обог ащения элементов
3.2. Применение метода корреляций для сравнения 99 экспериментальных зависимостей концентраций.
3.3. Оценка размеров аэрозольных частиц. Элементный состав 102 фракций аэрозольных и пылевых частиц.
Таблицы и рисунки к главе
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
4.1. Пространственные распределения аэрозольного вещества в 112 атмосфере.
4.2. Временные ходы содержания аэрозольного вещества в
атмосфере.
4.3. Сравнение средних кщщентраций элементов в атмосфере 118 разных регионов РФ и стран СНГ.
4.4. Анализ элементного состава атмосферных аэрозолей в районе 128 вулканов Попокатепетль и Колима (Мексика) в 1994-95г.г.
4.5. Анализ элементного состава ледников Тянь-Шаня, Памира 151 и Алтая.
Таблицы и рисунки к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ)
Литература
ПРИЛОЖЕНИЯ:
Приложение 1. Некоторые экспериментальные характеристики и результаты
полученные в настоящей работе.
Приложение 2. Таблицы экспериментальных концентраций элементов в атмосфе
ре и атмосферных осадках, определенных в разных регионах России и стран СНГ. Приложение 3. Экспериментальные результаты исследования состава атмосферы
в Мексике в 1994-1995г.г.
Приложение 4. Экспериментальные результаты исследования состава горного
льда в среднеазиатском регионе и на Алтае в 1984-1994г.г.
ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время мониторинг атмосферного воздуха для определения состава аэрозольного и пылевого вещества, изучения различных атмосферных процессов, включая пространственное и временное распределение вещества в атмосфере, а также в целях контроля окружающей среды приобрел широкое распространение. Важность этого направления исследований подтверждается проведенными за последние годы несколькими Совещаниями по ядерно-фи-зическим методам исследования объектов окружающей среды и различными региональными конференциями и семинарами.
Вследствие малого абсолютного содержания примесей в атмосфере для детального изучения атмосферных процессов анализ элементного состава проб воздуха требуется осуществлять методами, способными выявить химический элемент в количествах 10'1,1 - 10"6 г [1]. Этому требованию отвечают существующие в настоящее время физические методы анализа - рентгенофлуоресцентный с различными источниками первичного излучения (РФА), инструментальный нейтронно-активационный (НАА), а также методы активации образца заряженными частицами (протонами, дейтронами, альфа-частицами) с последующим измерением гамма-излучения (ААЗЧ) или рентгеновской флуоресценции [2-33].
Применение этих методов исследования, как указывалось авторами в перечисленных работах, а также в выполненных нами [34-45], позволяет одновременно определить в пробе характерный ряд элементов: до 20-30 элементов в каждом виде анализа. РФА, в частности, осуществляется без разрушения образца. Пределы обнаружения (ПО) элементов при этом достаточно малы, что дает возможность определять концентрации элементов практически во всех случаях более низкие, чем уровни предельно допустимых концентраций (ПДК). Для анализа требуется малое количество вещества - в зависимости от конкретной методики и цели от 0,001 до 1-2 г, которое можно получить при прокачивании атмосферного воздуха через фильтры или в виде осадка при выпаривании 0,01-2 л воды, талого снега и льда.
Кроме исследования непосредственно проб атмосферного воздуха задача определения содержания вещества в атмосфере включает в себя и анализ различных атмосферных осадков (дождевая вода, снег, горный лед), а также определение состава подстилающей поверхности (различные типы грунтов и пород или водной поверхности). При этом исследование элементного состава снежного покрова и горного льда дает возможность определить содержание химических элементов в атмосферных осадках за большие периоды времени -от нескольких месяцев и лет до нескольких десятков лет и более, а также позволяет прогнозировать содержание этих элементов, например, в воде рек, куда попадает вода растаявшего снега и ледников. Кроме того, с методической точки зрения анализ проб льда или снега сводится к анализу проб воды и поэтому все рассмотренные методики применимы для анализа широкого круга водных объектов.

К сожалению введение матричной поправки таким образом возможно примерно лишь в интервале значений Кматр =0,6-1,5. При больших различиях между матрицами стандартных и исследуемых образцов отклонение определяемых концентраций от истинных значений уже слишком велико, что также видно из табл.2.3. В случае использования р/а источника 241 Ат использование такого матричного коэффициента затруднено.
При проведении РФА с РТ применение подобного метода учета матричного эффекта прямым образом исключено из-за того, что невозможно измерить интенсивность пиков когерентного и некогерентного рассеяния, так как они сливаются друг с другом вследствие широкого спектра первичного излучения от трубки (в отличие от случая кадмиевого источника, где первичное излучение монохроматично). Поэтому, если известны Кматр из измерений РФА с РИ, то их можно использовать при проведении РФА с РТ. В противном случае можно только оценочно ввести матричную поправку по соотношению величин фона на каком-либо высокоэнергетическом участке спектра (например, в области энергии около 18-19 кэВ, где фон от рассеяния велик и практически нет аналитических линий). Но при этом не исключена ошибка, если сильно изменится отношение некогерентного к когерентному рассеянию для образца по сравнению со стандартом, так как отношение уровней фона в стандартном и анализируемом образцах - это фактически только отношение сечений некогерентного рассеяния, которое полностью не характеризует матрицы образцов.
в) НАЛ.
При проведении НАА для определения абсолютных значений содержаний элементов можно также использовать методы внешнею и внутреннего стандарта. Применение последнего, в частности, рассмотрено в работах И.В. Казачевского [11]. В случае использования внешнего стандарта в качестве стандартных образцов обычно берутся такие же многокомпонентные аттестованные стандарты, как и при проведении РФА в условиях насыщенного слоя, а также специальные стандарты типа СВ (стандарт воздуха) или высушенные на фильтровальной бумаге химические растворы. Масса навески порошкообразных стандартов для указанных выше потоков нейтронов составляла 10-30 мг. Масса элементов из растворов подбиралась с учетом предела обнаружения элементов и интенсивностей аналитических гамма-линий на спектре. Отметим, что в НАА при использовании метода внешнего стандарта (в отличие от РФА) необходим эталон на каждый элемент, поскольку интенсивности гамма-линий р/а нуклидов разных элементов неравномерно зависят от нескольких параметров (сечения реакции, периода полураспада р/а нуклида, величины квантового выхода гамма-излучения, естественного содержания нуклида в природе). Этот недостаток отсутствует при калибровке с помощью метода внутреннего стандарта, но он пока не получил широкого распространения и имеет свои сложности [11].