Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице
Проанализировано влияние характеристического рентгеновского излучения урана L- и M-серий на определение содержаний интерферирующих примесных элементов (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh) в урановой матрице с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра с волновой дисперсией S 8 Tiger...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2018 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2018
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147305 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице / Д.В. Кутний, А.В. Медведев, С.А. Ванжа, Г.В. Зима // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 140-145. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147305 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кутний, Д.В. Медведев, А.В. Ванжа, С.А. Зима, Г.В. 2019-02-14T11:55:21Z 2019-02-14T11:55:21Z 2018 Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице / Д.В. Кутний, А.В. Медведев, С.А. Ванжа, Г.В. Зима // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 140-145. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147305 539.1.05 Проанализировано влияние характеристического рентгеновского излучения урана L- и M-серий на определение содержаний интерферирующих примесных элементов (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh) в урановой матрице с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра с волновой дисперсией S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Германия). Рассчитано спектральное разрешение спектрометра (FWHM) в интервале энергий рентгеновского излучения от 1 до 20 кэВ, максимальное значение разрешения составило ~ 300 эВ при энергии ~ 20 кэВ. Оценены взаимные вклады аналитических линий урана и интерферирующих элементов в суммарную интенсивность неразрешаемого мультиплета для различных урановых матриц (металлический уран, оксидное керамическое топливо, урановый концентрат, отходы и скрап). Показана возможность прямого РФА образцов с концентрациями урана ⩽ 60 мас.% и интерферирующих элементов > 3 мас.% с необходимостью учета наиболее интенсивных линий урана ULα1, ULβ1, ULβ2 и UMβ. Проаналізовано вплив характеристичного рентгенівського випромінювання урану L- і M-серій на визначення вмісту домішкових елементів, які інтерферують (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh), в урановій матриці за допомогою рентгенофлуоресцентного спектрометра з хвильовою дисперсією S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Німеччина). Розрахована спектральна роздільна здатність спектрометра (FWHM) в інтервалі енергій рентгенівського випромінювання від 1 до 20 кеВ, максимальне значення роздільної здатності склало ~ 300 еВ при енергії ~ 20 кеВ. Оцінені взаємні вклади аналітичних ліній урану і елементів, які інтерферують, в сумарну інтенсивність нерозділеного мультиплету для різних уранових матриць (металевий уран, оксидне керамічне паливо, урановий концентрат, відходи і скрап). Показана можливість прямого РФА зразків з концентраціями урану ⩽ 60 ваг.% і елементів, які інтерферують, > 3 ваг.% з необхідністю врахування найбільш інтенсивних ліній урану ULα1, ULβ1, ULβ2 и UMβ. Influence of the characteristic X-ray emission of L and M series uranium on the determination of the contents of interfering elements (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh) in the uranium matrix was analyzed using a wavelenth-dispersive X-ray fluorescence spectrometer S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Germany). The spectral resolution of the spectrometer (FWHM) was calculated within the X-ray radiation energy range from 1 to 20 keV, the maximum resolution value was calculated as ~ 300 eV at the energy of ~ 20 keV. The mutual contributions of uranium analytical lines and interfering elements to the total intensity of the unresolved multiplet for different uranium matrices (metal uranium, oxide ceramic fuel, uranium concentrate, waste and scrap) were evaluated. The possibility of direct X-ray fluorescence analysis of samples with uranium content ⩽ 60 wt.% and interfering element contents > 3 wt.% was shown, but the calculation of the most intense uranium lines ULα1, ULβ1, ULβ2 и UMβ are still necessary. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Применение ядерных методов Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице Вплив характеристичного рентгенівського випромінювання урану на рентгенофлуоресцентне визначення вмісту интерферуючих домішкових елементів в урановій матриці Іnfluence of characteristic X-ray radiation of uranium on the interfering impurity element contents in a uranium matrix Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице |
| spellingShingle |
Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице Кутний, Д.В. Медведев, А.В. Ванжа, С.А. Зима, Г.В. Применение ядерных методов |
| title_short |
Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице |
| title_full |
Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице |
| title_fullStr |
Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице |
| title_full_unstemmed |
Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице |
| title_sort |
влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице |
| author |
Кутний, Д.В. Медведев, А.В. Ванжа, С.А. Зима, Г.В. |
| author_facet |
Кутний, Д.В. Медведев, А.В. Ванжа, С.А. Зима, Г.В. |
| topic |
Применение ядерных методов |
| topic_facet |
Применение ядерных методов |
| publishDate |
2018 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Вплив характеристичного рентгенівського випромінювання урану на рентгенофлуоресцентне визначення вмісту интерферуючих домішкових елементів в урановій матриці Іnfluence of characteristic X-ray radiation of uranium on the interfering impurity element contents in a uranium matrix |
| description |
Проанализировано влияние характеристического рентгеновского излучения урана L- и M-серий на определение содержаний интерферирующих примесных элементов (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh) в урановой матрице с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра с волновой дисперсией S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Германия). Рассчитано спектральное разрешение спектрометра (FWHM) в интервале энергий рентгеновского излучения от 1 до 20 кэВ, максимальное значение разрешения составило ~ 300 эВ при энергии ~ 20 кэВ. Оценены взаимные вклады аналитических линий урана и интерферирующих элементов в суммарную интенсивность неразрешаемого мультиплета для различных урановых матриц (металлический уран, оксидное керамическое топливо, урановый концентрат, отходы и скрап). Показана возможность прямого РФА образцов с концентрациями урана ⩽ 60 мас.% и интерферирующих элементов > 3 мас.% с необходимостью учета наиболее интенсивных линий урана ULα1, ULβ1, ULβ2 и UMβ.
Проаналізовано вплив характеристичного рентгенівського випромінювання урану L- і M-серій на визначення вмісту домішкових елементів, які інтерферують (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh), в урановій матриці за допомогою рентгенофлуоресцентного спектрометра з хвильовою дисперсією S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Німеччина). Розрахована спектральна роздільна здатність спектрометра (FWHM) в інтервалі енергій рентгенівського випромінювання від 1 до 20 кеВ, максимальне значення роздільної здатності склало ~ 300 еВ при енергії ~ 20 кеВ. Оцінені взаємні вклади аналітичних ліній урану і елементів, які інтерферують, в сумарну інтенсивність нерозділеного мультиплету для різних уранових матриць (металевий уран, оксидне керамічне паливо, урановий концентрат, відходи і скрап). Показана можливість прямого РФА зразків з концентраціями урану ⩽ 60 ваг.% і елементів, які інтерферують, > 3 ваг.% з необхідністю врахування найбільш інтенсивних ліній урану ULα1, ULβ1, ULβ2 и UMβ.
Influence of the characteristic X-ray emission of L and M series uranium on the determination of the contents of interfering elements (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh) in the uranium matrix was analyzed using a wavelenth-dispersive X-ray fluorescence spectrometer S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Germany). The spectral resolution of the spectrometer (FWHM) was calculated within the X-ray radiation energy range from 1 to 20 keV, the maximum resolution value was calculated as ~ 300 eV at the energy of ~ 20 keV. The mutual contributions of uranium analytical lines and interfering elements to the total intensity of the unresolved multiplet for different uranium matrices (metal uranium, oxide ceramic fuel, uranium concentrate, waste and scrap) were evaluated. The possibility of direct X-ray fluorescence analysis of samples with uranium content ⩽ 60 wt.% and interfering element contents > 3 wt.% was shown, but the calculation of the most intense uranium lines ULα1, ULβ1, ULβ2 и UMβ are still necessary.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147305 |
| citation_txt |
Влияние характеристического рентгеновского излучения урана на рентгенофлуоресцентное определение содержаний интерферирующих примесных элементов в урановой матрице / Д.В. Кутний, А.В. Медведев, С.А. Ванжа, Г.В. Зима // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 140-145. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kutniidv vliânieharakterističeskogorentgenovskogoizlučeniâurananarentgenofluorescentnoeopredeleniesoderžaniiinterferiruûŝihprimesnyhélementovvuranovoimatrice AT medvedevav vliânieharakterističeskogorentgenovskogoizlučeniâurananarentgenofluorescentnoeopredeleniesoderžaniiinterferiruûŝihprimesnyhélementovvuranovoimatrice AT vanžasa vliânieharakterističeskogorentgenovskogoizlučeniâurananarentgenofluorescentnoeopredeleniesoderžaniiinterferiruûŝihprimesnyhélementovvuranovoimatrice AT zimagv vliânieharakterističeskogorentgenovskogoizlučeniâurananarentgenofluorescentnoeopredeleniesoderžaniiinterferiruûŝihprimesnyhélementovvuranovoimatrice AT kutniidv vplivharakterističnogorentgenívsʹkogovipromínûvannâuranunarentgenofluorescentneviznačennâvmístuinterferuûčihdomíškovihelementívvuranovíimatricí AT medvedevav vplivharakterističnogorentgenívsʹkogovipromínûvannâuranunarentgenofluorescentneviznačennâvmístuinterferuûčihdomíškovihelementívvuranovíimatricí AT vanžasa vplivharakterističnogorentgenívsʹkogovipromínûvannâuranunarentgenofluorescentneviznačennâvmístuinterferuûčihdomíškovihelementívvuranovíimatricí AT zimagv vplivharakterističnogorentgenívsʹkogovipromínûvannâuranunarentgenofluorescentneviznačennâvmístuinterferuûčihdomíškovihelementívvuranovíimatricí AT kutniidv ínfluenceofcharacteristicxrayradiationofuraniumontheinterferingimpurityelementcontentsinauraniummatrix AT medvedevav ínfluenceofcharacteristicxrayradiationofuraniumontheinterferingimpurityelementcontentsinauraniummatrix AT vanžasa ínfluenceofcharacteristicxrayradiationofuraniumontheinterferingimpurityelementcontentsinauraniummatrix AT zimagv ínfluenceofcharacteristicxrayradiationofuraniumontheinterferingimpurityelementcontentsinauraniummatrix |
| first_indexed |
2025-11-25T22:27:58Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:27:58Z |
| _version_ |
1850563496675115008 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 140
УДК 539.1.05
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ УРАНА НА РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЙ ИНТЕРФЕРИРУЮЩИХ
ПРИМЕСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В УРАНОВОЙ МАТРИЦЕ
Д.В. Кутний, А.В. Медведев, С.А. Ванжа, Г.В. Зима
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-maіl: d_kutniy@kipt.kharkov.ua
Проанализировано влияние характеристического рентгеновского излучения урана L- и M-серий на опре-
деление содержаний интерферирующих примесных элементов (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo,
Rh) в урановой матрице с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра с волновой дисперсией
S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Германия). Рассчитано спектральное разрешение спектрометра (FWHM) в ин-
тервале энергий рентгеновского излучения от 1 до 20 кэВ, максимальное значение разрешения составило
~ 300 эВ при энергии ~ 20 кэВ. Оценены взаимные вклады аналитических линий урана и интерферирующих
элементов в суммарную интенсивность неразрешаемого мультиплета для различных урановых матриц (ме-
таллический уран, оксидное керамическое топливо, урановый концентрат, отходы и скрап). Показана воз-
можность прямого РФА образцов с концентрациями урана 60 мас.% и интерферирующих элементов
> 3 мас.% с необходимостью учета наиболее интенсивных линий урана UL1, UL1, UL2 и UM.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
С целью дальнейшего освоения и импортозаме-
щения производства ядерного топлива проектом
новой энергетической стратегии Украины до
2035 года в качестве основных мероприятий рефор-
мирования энергетического сектора определены
следующие ключевые задачи:
актуализация общегосударственной программы
развития минерально-сырьевой базы Украины на
долгосрочный период с целью расширения соб-
ственной ресурсной базы урана и других полезных
ископаемых путем осуществления разведки, разра-
ботки и введения в эксплуатацию новых месторож-
дений урана;
создание запаса свежего ядерного топлива
(уранового концентрата);
исследование возможностей создания в Укра-
ине мощностей по производству ядерного топлива.
Решение этих задач невозможно без обеспечения
высокого качества продукции на всех стадиях ядер-
ного топливного цикла (ЯТЦ), включающих добычу
урановой руды и производство свежего ядерного
топлива. Так, например, содержание примесей в
порошках уранового концентрата и двуокиси урана
регламентируется международными стандартами
ASTM (American Society for Testing and Materials)
С967 и С969.
Современные ядерно-физические методы анализа
элементного состава вещества обладают большим по-
тенциалом, способным повысить эффективность раз-
ведки, добычи и обогащения полезных ископаемых и
производства конечной продукции соответствующего
качества, и являются экспрессными, совместимыми с
компьютерной обработкой, более экономичными и
менее трудоемкими [1].
Одним из наиболее эффективных методов эле-
ментного анализа образцов, независимо от их агре-
гатного состояния, является рентгенофлуоресцент-
ный анализ (РФА). Этот метод позволяет одновре-
менно определять более 80 элементов (от B до U) и
может быть использован для контроля содержания
как элементов матрицы, так и микропримесей в раз-
личных по составу материалах [2]. В мировой прак-
тике РФА стал основным средством массового ис-
следования геологических проб, вытесняя методы
классической химии и полуколичественного спек-
трального анализа.
Урансодержащие материалы как объект исследо-
ваний РФА рассматриваются значительно реже по
сравнению с другими геологическими образцами
(руды, горные породы и т. п.) за исключением ура-
новых руд с содержанием урана 1 мас.%. Так, ряд
работ [3 - 9] посвящен определению содержания
урана (от 0,0004 до 1,0 мас.%) в рудах, минералах,
золе и углях. Анализ публикаций показывает, что на
сегодняшний день такие задачи успешно решаются
с использованием современных энерго- и волно-
дисперсионных РФ-спектрометров, с минимальной
пробоподготовкой и относительной погрешностью
измерений 1…5%. Тем не менее разнообразие ис-
следуемых объектов требует разработки и создания
отдельной (уникальной) методики определения эле-
ментного состава для каждого из них.
На следующих за добычей урановой руды стади-
ях ЯТЦ (аффинаж, обогащение урана, изготовление
топлива) содержание урана в урансодержащих ма-
териалах превышает 50…60%. Поэтому для РФА
таких продуктов применяют достаточно сложную
пробоподготовку с целью уменьшения концентра-
ции урана в растворителе до 50…150 г/л [10]. Дан-
ный подход нивелирует такие преимущества РФА,
как экспрессность, трудоемкость и экономичность, а
также приводит к образованию жидких радиоактив-
ных отходов, которые впоследствии необходимо
утилизировать. Кроме того, уменьшение концентра-
ции урана в растворителе приводит к соответству-
ющему снижению концентраций примесей, что мо-
жет отрицательно сказаться на интенсивности их
аналитических линий.
mailto:kutniy@kipt.kharkov.ua
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 141
В работах [11 - 13] предпринята попытка прямого
РФА порошков U3O8 (содержание урана более 75%) с
подготовкой проб путем прессования. В [11] из 19
анализируемых элементов удалось рассчитать содер-
жание только Fe, Ni, Si и Zn с погрешностью от 6 до
39%. Исследования, выполненные в [12], показывают
возможность определения содержания как некоторых
примесей (V, T, Mg, Fe, Ca), так и матричного эле-
мента U с погрешностью 5…29%. Авторами [13]
приводятся данные по РФА содержания Al, Bi, Ca,
Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Si, Ti, V, W,
Zn, Zr в U3O8 с погрешностями 5…70%, однако в
данном случае в процессе прессования 1 г вещества
пробы смешивали с 4 г связующего (борной кисло-
ты), т.е. снижали концентрацию урана. Отмечено
влияние матричных эффектов на результаты анализа,
а также возможные интерференции основных анали-
тических линий Mo, K, Ag и Cd с аналитическими
линиями урана L- и M-серий.
Целью данной работы является: анализ всех воз-
можных интерференций аналитических линий эле-
ментов с линиями урана L- и M-серий; оценка вза-
имного вклада интенсивностей линий урана и ин-
терферирующих элементов при различных концен-
трациях матрицы и примесей; обоснование возмож-
ности определения содержаний интерферирующих
примесных элементов в урановой матрице.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования выполняли на рентгенофлуорес-
центном спектрометре с волновой дисперсией
(ВДРФ) S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Германия).
Спектрометр укомплектован рентгеновской трубкой
OEG 95LT с Rh-анодом максимальной мощностью
4 кВт и силой тока до 170 мА, набором кристалл-
анализаторов, проточно-пропорциональным и сцин-
тилляционными детекторами, коллиматорами, а
также Al- и Cu-фильтрами различной толщины.
Управление спектрометром и обработка спектраль-
ных данных осуществляется с помощью пакета про-
грамм Spectra Plus. Для учета эффектов межэле-
ментного влияния используется модель поправок по
концентрации с теоретическими α-коэффициентами,
основанная на методе фундаментальных параметров
(МФП) [14].
В качестве объектов исследований использовали
стандартные образцы состава урановой руды сили-
катного типа, изготовленные КП «Кировгеология»,
образец уранового концентрата (U3O8), изготовлен-
ный ГП «ВостГОК», и стандартный образец элемент-
ного состава SRM 610, изготовленный National
Institute of Standards and Technology, США. Для
уменьшения поверхностных эффектов (влияния не-
однородности поверхности на интенсивность анали-
тического сигнала) порошковые пробы прессовали в
виде таблеток с помощью лабораторного гидравличе-
ского пресса ПЛГ-20, диапазон рабочих усилий кото-
рого от 0 до 200 кН. Прессованные таблетки разме-
щали в стандартную кювету, нижнюю часть которой
закрывали майларовой пленкой на основе синтетиче-
ского полиэфирного волокна толщиной 2,5 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Для идентификации и оценки интенсивностей
линий характеристического рентгеновского излуче-
ния урана в урановой матрице выполняли измерение
рентгеновского спектра образца уранового концен-
трата (содержание урана ~ 84 мас.%) в диапазоне
энергий 2,3…23 кэВ.
2,35 2,40 2,45
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
И
н
те
н
с
и
в
н
о
с
ть
,
и
м
п
/с
RhLl
2,38
UM
2,46
2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
RhL1
2,69
RhL1
2,83
UM
3,17
3,3 3,4 3,5 3,6
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
UM
3,34
UM
3,57
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Энергия, кэВ
ULl
11,62
UL1,2
13,61
13,44
UL6
15,73
UL2,4
16,43
16,58
UL1,3
17,22
17,45
UL1,2,3,6
RhK1
Рис. 1. Участки рентгеновского спектра образца уранового концентрата в диапазоне энергий 2,3…23 кэВ
Для анализа интерференций аналитических ли-
ний элементов с линиями урана L- и M-серий необ-
ходимо знать энергетическое (спектральное) разре-
шение детектирующей системы (FWHM – полуши-
рина пика аналитической линии на половине высо-
ты). Производители аналитического оборудования
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 142
для РФА указывают величину FWHM для энерго-
дисперсионных спектрометров – 120…220 эВ и для
волнодисперсионных спектрометров – 5…20 эВ.
Очевидно, что энергетическое разрешение спектро-
метрической системы является функцией энергии
рентгеновского излучения, поэтому для корректного
анализа интерференций необходимо знать FWHM
для каждой аналитической линии элемента.
Средний атомный номер матрицы уранового кон-
центрата достаточно велик ( Z = 79), поэтому на
участке спектра (Рис. 1) от 10 до 23 кэВ отсутствуют
линии некогерентного (комптоновского) рассеяния
Rh. С уменьшением среднего атомного номера мат-
рицы комптоновское рассеяние начинает преобла-
дать, и его пики могут давать существенный вклад в
фоновую подложку спектра и, как следствие, влиять
на энергетическое разрешение детектирующей си-
стемы. На Рис. 2 приведены зависимости FWHM от
энергии рентгеновского излучения, полученные на
ВДРФ-спектрометре S 8 Tiger для двух исследуемых
образцов: уранового концентрата ( Z = 79) и алюмо-
силикатной урановой руды ( Z = 14).
0 5 10 15 20
0
50
100
150
200
250
300
350
- 1
- 2
y = 16,17*x - 60,41
R
2
= 0,96
F
W
H
M
,
э
В
Энергия, кэВ
y = 14,45*x - 48,55
R
2
= 0,97
Рис. 2. Зависимости FWHM спектрометра S 8 Tiger
от энергии рентгеновского излучения,
полученные для образцов с различным Z:
1 – алюмосиликатная урановая руда ( Z = 14);
2 – урановый концентрат ( Z = 79)
Видно, что обе зависимости достаточно хорошо
аппроксимируются функцией вида y a x b
с коэффициентом детерминации 2 0,9R . Коэффи-
циенты линейной регрессии a и b отличаются незна-
чительно для образцов уранового концентрата и
алюмосиликатной урановой руды, следовательно,
комптоновское рассеяние не влияет на значение ве-
личины энергетического разрешения. Тем не менее
для энергий рентгеновского излучения > 10…15 кэВ
величина FWHM значительно превышает заявлен-
ные производителем значения 5…20 эВ и доходит
до ~ 300 эВ при энергиях ~ 20 кэВ.
Анализ возможных интерференций основных ана-
литических линий элементов K-, L-серий с L- и M-
линиями урана проводили с учетом следующего усло-
вия: наложение двух спектральных линий элементов
является незначительным, если расстояние между их
центройдами больше либо равно 2 FWHM [15]. Ре-
зультаты анализа приведены в Табл. 1.
Таблица 1
Интерференции основных аналитических линий
элементов K-, L-серий с L- и M-линиями урана
Линия
урана
Энергия,
кэВ
Линия
элемента
Энергия,
кэВ
UM 2,46 TcL1 2,42
UM 3,17 CdL1 3,13
UM 3,34 InL1
KK1
3,29
3,31
UM 3,57 SbL1 3,60
UL1
(2
nd
order)
6,81 HoL1
CoK1
ErL1
6,72
6,93
6,95
UL1 13,61 RbK1 13,40
UL6 15,73 ZrK1 15,78
UL2 16,43 NbK1 16,62
UL1 17,22 MoK1 17,48
UL1 20,17 RhK1 20,22
Отметим, что среди полученных интерференций
присутствуют линии элементов, анализ которых
чрезвычайно важен для ЯТЦ: Co, Ho, Er, Cd с сечени-
ями поглощения нейтронов 37, 65, 159 и 2520 барн.
Для дальнейшей оценки взаимного вклада интен-
сивностей линий урана и интерферирующих элемен-
тов целесообразно рассмотреть чувствительность
спектрометра m=Ii / Ci, где Ii – интенсивность пика
аналитической линии элемента i, равная количеству
импульсов за единицу времени; Ci – концентрация
элемента i в образце. Для образца уранового концен-
трата значение чувствительности по урану рассчиты-
вали для всех L- и M-линий с учетом, что
CU = 84 мас.%. Чувствительность спектрометра по
элементам Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo
рассчитывали с использованием стандартных образ-
цов состава урановой руды и стандартного образца
элементного состава SRM 610, которые содержат эти
элементы в известных концентрациях. Элементы Tc и
Rh не содержались ни в одном из исследуемых об-
разцов, поэтому были исключены из рассмотрения.
Очевидно, что на данном этапе сравнение рассчитан-
ных чувствительностей не будет корректным, так как
анализ элементов выполнен для трех различных мат-
риц, имеющих различные значения массового коэф-
фициента ослабления s. Массовый коэффициент
ослабления образца для заданной энергии рентгенов-
ского излучения может быть получен с использова-
нием следующего выражения: ( ) ( )s j j
j
E C E , где
Cj – концентрация элемента j в образце; j(E) – мас-
совый коэффициент ослабления аналитической ли-
нии элемента j. Учитывая, что интенсивность пика
аналитической линии элемента обратно пропорцио-
нальна массовому коэффициенту ослабления 1~i sI
и рассчитав массовые коэффициенты ослабления
уранового концентрата и стандартных образцов,
можно оценить чувствительность спектрометра по
всем исследуемым элементам для любой матрицы. В
Табл. 2 приведены результаты расчета массовых ко-
эффициентов ослабления аналитических линий ис-
следуемых элементов в различных матрицах и чув-
ствительность спектрометра по данным элементам и
по урану для интерферирующих L- и M-линий.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 143
Таблица 2
Чувствительность спектрометра по основным аналитическим линиям
Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, а также по L- и M-линиям урана
Линия
элемента
s, см
2
/г
Z ~ 20
s, см
2
/г
Z = 79
m, (имп./с)/мас.%
Z ~ 20
m, (имп./с)/мас.%
Z = 79
Линия урана
m, (имп./с)/мас.%
Z = 79
1 2 3 4 5 6 7
CdL1 384,54 614,64 22,49 14,07 UM 0,07
InL1 336,97 566,44 26,58 15,81 UM 0,10
KK1 329,31 628,96 2,99 1,57 UM 0,10
SbL1 310,95 472,48 28,62 18,83 UM 0,01
HoL1 82,98 565,02 6,76 0,99 UL1 (2
nd
order) 0,01
CoK1 61,52 524,44 14,53 1,70 UL1 (2
nd
order) 0,01
ErL1 82,78 517,69 8,35 1,34 UL1 (2
nd
order) 0,01
RbK1 13,31 92,81 71,17 10,21 UL1 3,66
ZrK1 8,89 60,73 125,63 18,40 UL6 0,10
NbK1 7,69 52,97 136,87 19,86 UL2 1,20
MoK1 6,75 104,35 139,18 8,99 UL1 0,91
В столбцах 2 и 3 Табл. 2 приведены рассчитан-
ные массовые коэффициенты ослабления для каж-
дой аналитической линии элемента в «легкой» мат-
рице урановой руды или стандартного образца эле-
ментного состава SRM 610 ( Z ~ 20), а также в «тя-
желой» матрице уранового концентрата ( Z = 79)
соответственно. В столбце 4 приведены экспери-
ментальные значения чувствительности спектро-
метра по каждому элементу в «легкой» матрице, а в
столбце 5 – рассчитанное значение чувствительно-
сти в «тяжелой» матрице с учетом отношения
( 79) / ( ~ 20)s sZ Z . В столбце 7 представлены
экспериментальные данные чувствительности спек-
трометра по урану для каждой из его L- и M-линий.
Таким образом, сравнение столбцов 5 и 7 дает зна-
чение интенсивности аналитической линии (имп./с)
исследуемого элемента и интерферирующей линии
урана L- и M-серий, нормированной на концентра-
цию в урановой матрице. Далее, подставляя различ-
ные варианты содержаний урана и анализируемого
элемента, можно оценить взаимные вклады (, %) их
аналитических линий в суммарную интенсивность
неразрешаемого мультиплета (Табл. 3).
Таблица 3
Взаимные вклады интенсивностей аналитических
линий элементов и L-, M-линий урана в суммарную
интенсивность мультиплета в различных урановых
матрицах
Элемент
Iэлем.,
имп./с
IU,
имп./с
элем.,
%
U,
%
U 99 мас.% (элементы) 0,1 мас.%
Cd 1,41 6,93 16,88 83,12
In 1,58 9,90 13,77 86,23
K 0,16 9,90 1,56 98,44
Sb 1,88 0,99 65,54 34,46
Ho 0,10 0,99 9,09 90,91
Co 0,17 0,99 14,66 85,34
Er 0,13 0,99 11,92 88,08
Rb 1,02 362,34 0,28 99,72
Zr 1,84 9,90 15,67 84,33
Nb 1,99 118,80 1,64 98,36
Mo 0,90 90,09 0,99 99,01
U 80 мас.% (элементы) 1 мас.%
Cd 14,07 5,60 71,53 28,47
In 15,81 8,00 66,40 33,60
K 1,57 8,00 16,41 83,59
Sb 18,83 0,80 95,92 4,08
Ho 0,99 0,80 55,31 44,69
Co 1,70 0,80 68,00 32,00
Er 1,34 0,80 62,62 37,38
Rb 10,21 292,80 3,37 96,63
Zr 18,40 8,00 69,70 30,30
Nb 19,86 96,00 17,14 82,86
Mo 8,99 72,80 10,99 89,01
U 60 мас.% (элементы) 3 мас.%
Cd 42,21 4,20 90,95 9,05
In 47,43 6,00 88,77 11,23
K 4,71 6,00 43,98 56,02
Sb 56,49 0,60 98,95 1,05
Ho 2,97 0,60 83,19 10,53
Co 5,10 0,60 89,47 10,53
Er 4,02 0,60 87,01 12,99
Rb 30,63 219,60 12,24 87,76
Zr 55,20 6,00 90,20 9,80
Nb 59,58 72,00 45,28 54,72
Mo 26,97 54,60 33,06 66,94
U 30 мас.% (элементы) 6 мас.%
Cd 84,42 2,10 97,57 2,43
In 94,86 3,00 96,63 3,07
K 9,42 3,00 75,85 24,15
Sb 112,98 0,30 99,74 0,26
Ho 5,94 0,30 95,19 4,81
Co 10,20 0,30 97,14 2,86
Er 8,04 0,30 96,40 3,60
Rb 61,26 109,80 35,81 64,19
Zr 110,40 3,00 97,35 2,65
Nb 119,16 36,00 76,80 23,20
Mo 53,94 27,30 66,40 33,60
В Табл. 3 рассмотрены четыре варианта содер-
жаний урана: 99; 80; 60; 30 мас.% и каждого из ана-
лизируемых элементов (Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb,
Zr, Nb, Mo): 0,1; 1; 3; 6 мас.% соответственно. Ис-
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 144
пользуемые концентрации урана соответствуют ти-
пичным характеристикам урансодержащей продук-
ции на различных стадиях ЯТЦ: ~ 99 мас.% про-
дукция на основе металлического урана; ~ 80 мас.%
керамическое оксидное топливо; ~ 60 мас.%
нижняя граница чистоты уранового концентрата
[16]; ~ 30 мас.% отходы производства и скрап.
Программное обеспечение ВДРФ-спектрометра
S 8 Tiger в основном рассчитывает интенсивности
пиков аналитических линий элементов со статисти-
ческой погрешностью 10%. Для легких элементов и
для элементов в малых концентрациях (менее
0,1 мас.%) погрешность может увеличиваться до
20 % и выше. Таким образом, в металлическом уране
(CU ~ 99 мас.%) не представляется возможным опре-
делить концентрации ( 0,1 мас.%) элементов K, Ho,
Rb, Nb и Mo, так как вклад их аналитических линий в
суммарную интенсивность мультиплета ниже 10%.
На Рис. 3 приведены результаты аппроксимации
участка экспериментального рентгеновского спек-
тра уранового концентрата в интервале энергий
16,7…17,6 кэВ суммой гауссианов: 1 UL5
(17,07 кэВ); 2 UL1 (17,22 кэВ); 3 UL3
(17,46 кэВ). Очевидно, что для оценки интерферен-
ций U и Mo при значительных концентрациях урана,
помимо линии UL1, необходимо учитывать еще и
линию UL3, энергия которой практически совпада-
ет с энергией MoK1 (17,48 кэВ), т.е. оценка вклада
молибдена в таком мультиплете не представляется
возможной.
Рис. 3. Участок рентгеновского спектра образца
уранового концентрата, аппроксимированный
суммой гауссианов:
1 – линия UL5 (17,07 кэВ); 2 – линия UL1
(17,22 кэВ); 3 – линия UL3 (17,46 кэВ)
Анализ элементов Cd, In, Co, Er, Zr также явля-
ется достаточно сложной задачей в связи с тем, что
интенсивности их аналитических линий составляют
всего лишь 10…20%. Единственным элементом,
содержание которого может быть измерено в дан-
ном случае, является Sb, однако при анализе интен-
сивности его аналитического пика необходимо учи-
тывать вклад линии UM. Снижение концентрации
урана до 80 мас.% при неизменной концентрации
примесных элементов (~ 0,1 мас.%, данный случай
не показан в Табл. 3) не приведет к кардинальному
изменению ситуации, т.е. содержания большинства
элементов не смогут быть измерены. Тем не менее
концентрации ряда примесных элементов (Rb, Zr,
Nb и Mo), вероятно, могут быть проанализированы в
области энергий от 1,6 до 2,3 кэВ, свободной от ин-
терференций, с помощью их аналитических линий
L-серии: RbL1 (1,69 кэВ); ZrL1 (2,04 кэВ);
NbL1 (2,17 кэВ); MoL1 (2,29 кэВ).
В случае состава образца U 80 мас.% (элемен-
ты) 1 мас.% метод рентгеновской флуоресценции
позволяет измерять интерферирующие элементы по
их наиболее интенсивным аналитическим линиям,
за исключением K, Rb, Nb и Mo. Дальнейшее сни-
жение концентрации урана до 30 мас.% с одновре-
менным увеличением содержаний анализируемых
элементов до 6 мас.% дает возможность анализа
всех интерферирующих элементов с необходимо-
стью учета наиболее интенсивных линий урана
UL1, UL1, UL2 и UM.
ВЫВОДЫ
Исследовано влияние характеристического рент-
геновского излучения урана на рентгенофлуорес-
центное определение содержаний интерферирующих
примесных элементов в урановой матрице.
Для анализа интерференций аналитических ли-
ний элементов с линиями урана L- и M-серий рас-
считано спектральное разрешение спектрометра в
интервале энергий рентгеновского излучения от 1 до
20 кэВ. Максимальное значение FWHM составило
~ 300 эВ при энергии ~ 20 кэВ.
Проанализированы все возможные интерферен-
ции основных аналитических линий элементов K-, L-
серий с L- и M-линиями урана. Определены основ-
ные интерферирующие элементы: Tc, Cd, In, K, Sb,
Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh.
Оценены взаимные вклады аналитических линий
урана и интерферирующих элементов в суммарную
интенсивность неразрешаемого мультиплета для
различных видов продукции ЯТЦ (металлический
уран, оксидное керамическое топливо, урановый
концентрат, отходы и скрап). Показана возможность
прямого РФА образцов с концентрациями урана
60 мас.% и интерферирующих элементов
> 3 мас.% с необходимостью учета наиболее интен-
сивных линий урана UL1, UL1, UL2 и UM.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Р. Розенберг, Ж. Гизерикс. Применение ядерных
методов при разведке, добыче и обогащении по-
лезных ископаемых // Бюллетень МАГАТЭ:
Ядерная технология в мирных целях. 1986, т. 29,
№ 2, с. 33-38.
2. Н.Г. Черноруков, О.В. Нипрук. Теория и практи-
ка рентгенофлуоресцентного анализа: Учебно-
методическое пособие. Нижний Новгород: НГУ
им. Н.И. Лобачевского, 2012, 57 с.
3. M. Al-Eshikh, A. Kadachi, M. Sarfaz. Determina-
tion of uranium content in phosphate ores using dif-
ferent measurements techniques // Journal of King
Saud University – Engineering Science. 2013, № 25,
p. 197-202.
4. T. Cherkashina, D. Bolortuya, A. Revenko,
P. Zuzaan. Development of X-ray fluorescence
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 145
technique for the uranium determination in Mongo-
lian coal, coal ash and phosphate ore // Аналитика и
контроль. 2014, № 18(4), c. 404-410.
5. V. Natarajan, N. Porwal, S. Godbole. Determination
of uranium and thorium in zircon by energy disper-
sive X-ray fluorescence technique // Indian Journal
of Chemical Technology. 2012, № 19, p. 399-402.
6. L. Pezonicki, A. Hanna, O. Suschny. Determination
of uranium in uranium phosphate ores: Report on
Intercomparisons IAEA/S-17, S-18, S-19. Vienna:
International Atomic Energy Agency. 1984, 32 p.
7. M. Nadbouly, M. Nassef, A. Diab, S. El-Mongy. A
comparative analysis of uranium ore using laser flu-
orimetric and gamma-spectrometry techniques //
Journal of Nuclear Radiation Physics. 2009, v. 4,
№ 2, p. 75-81.
8. K. Nielson, N. Wogman, R. Brodzinski. X-ray fluo-
rescence capabilities for uranium ore analysis: Re-
port. Richland: Battelle Pacific Northwest Laborato-
ry, 1987, 15 p.
9. П. Зузаан, Ж. Амгалан, Б. Отгоолой, Д. Болортуяа,
А. Минжигмаа, Р. Маахуу, Г. Дамдинсурен.
Определение урана в природных образцах с
помощью ядерно-физических методов анализа
// VII Всероссийская конференция по рентгено-
спектральному анализу: Тезисы докладов, 19-
23 сентября 2011 г, Новосибирск: Изд-во СО
РАН, 2011, 190 с.
10. Методы и оборудование для целей гарантий.
Вена. МАГАТЭ, 2003, 95 с.
11. Impurities determination on nuclear fuel element
component for the IEA-R1 research reactor by ana-
lytical method based ED-XRF and ICP-OES [Elec-
tronic resource] / International Nuclear Information
System. Way to access: URL: https://inis.iaea.org/
search/search.aspx?orig_q=RN:41100081. Title from
the screen.
12. Combining analytical techniques for trace elements
in uranium oxide (U3O8) [Electronic resource] / In-
ternational Nuclear Information System. Way to ac-
cess: URL: https://inis.iaea.org/search/search.
aspx?orig_q=RN:33034317. Title from the screen.
13. Determination of elemental impurities in U3O8 by
wavelength-dispersive X-ray fluorescence spectrom-
etry [Electronic resource] / The International Center
for Diffraction Data. Way to access: URL:
http://www.icdd.com/resources/axa/Vol40/v40_342.
pdf. Title from the screen.
14. J. Criss, L. Birks. Calculation methods for fluores-
cent X-ray spectrometry // Analytical Chemistry.
1968, v. 40(7), p. 1080-1086.
15. P. Potts, M. West. Portable X-ray fluorescence spec-
trometry: capabilities for in situ analysis. Cam-
bridge: RSC Publishing, UK, 2008, 291 p.
16. А. Маслов, Г. Каляцкая, Г. Амелина,
А. Водянкин, Н. Егоров. Технология урана:
Учебное пособие. Томск: Томский политехниче-
ский университет. 2007, 97 с.
Статья поступила в редакцию 06.12.2017
INFLUENCE OF CHARACTERISTIC X-RAY RADIATION OF URANIUM ON THE INTERFERING
IMPURITY ELEMENT CONTENTS IN A URANIUM MATRIX
D.V. Kutniy, A.V. Medvedev, S.A. Vanzha, G.V. Zyma
Influence of the characteristic X-ray emission of L and M series uranium on the determination of the contents of
interfering elements (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh) in the uranium matrix was analyzed using a
wavelenth-dispersive X-ray fluorescence spectrometer S 8 Tiger (Bruker AXS GmbX, Germany). The spectral reso-
lution of the spectrometer (FWHM) was calculated within the X-ray radiation energy range from 1 to 20 keV, the
maximum resolution value was calculated as ~ 300 eV at the energy of ~ 20 keV. The mutual contributions of ura-
nium analytical lines and interfering elements to the total intensity of the unresolved multiplet for different uranium
matrices (metal uranium, oxide ceramic fuel, uranium concentrate, waste and scrap) were evaluated. The possibility
of direct X-ray fluorescence analysis of samples with uranium content 60 wt.% and interfering element contents
> 3 wt.% was shown, but the calculation of the most intense uranium lines UL1, UL1, UL2 and UM are still
necessary.
ВПЛИВ ХАРАКТЕРИСТИЧНОГО РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ УРАНУ
НА РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ВМІСТУ ИНТЕРФЕРУЮЧИХ
ДОМІШКОВИХ ЕЛЕМЕНТІВ В УРАНОВІЙ МАТРИЦІ
Д.В. Кутній, О.В. Медведєв, С.О. Ванжа, Г.В. Зима
Проаналізовано вплив характеристичного рентгенівського випромінювання урану L- і M-серій на визна-
чення вмісту домішкових елементів, які інтерферують (Tc, Cd, In, K, Sb, Ho, Co, Er, Rb, Zr, Nb, Mo, Rh), в
урановій матриці за допомогою рентгенофлуоресцентного спектрометра з хвильовою дисперсією S 8 Tiger
(Bruker AXS GmbX, Німеччина). Розрахована спектральна роздільна здатність спектрометра (FWHM) в ін-
тервалі енергій рентгенівського випромінювання від 1 до 20 кеВ, максимальне значення роздільної здатності
склало ~ 300 еВ при енергії ~ 20 кеВ. Оцінені взаємні вклади аналітичних ліній урану і елементів, які інтер-
ферують, в сумарну інтенсивність нерозділеного мультиплету для різних уранових матриць (металевий
уран, оксидне керамічне паливо, урановий концентрат, відходи і скрап). Показана можливість прямого РФА
зразків з концентраціями урану 60 ваг.% і елементів, які інтерферують, > 3 ваг.% з необхідністю врахуван-
ня найбільш інтенсивних ліній урану UL1, UL1, UL2 і UM.
|