Авторадиография с использованием различных источников активации и компьютерных способов обработки для определения благородных металлов в геологических образцах

Актуальность

Развитие методов локального анализа, обладающих низкими пределами обнаружения, является одним из приоритетных направлений современной аналитической химии. Эти методы применяются в различных областях науки и техники. Например, решение многих фундаментальных проблем современной геохимии напрямую связано с изучением распределения микроэлементов между матрицей и различными минералами, между сосуществующими фазами и по глубине в исследуемом образце. При этом определение элементов платиновой группы (ЭПГ) и золота в образцах различного генезиса представляет особый интерес для выяснения механизмов взаимодействия ядра и мантии Земли, проблем планетообразования, метеоритики и др. Основной особенностью геологических образцов является гетерогенный фазовый и сложный химический состав, а также малые размеры (до мкм) сосуществующих фаз. ЭПГ и золото обычно присутствуют в породах в концентрациях на уровне Ю-5—10 ~7%. Эти элементы концентрируются в геологических образцах как в виде дискретных минералов платиновой группы, так и в виде твердых растворов в других минералах. Поэтому разработка методов локального определения ЭПГ и золота важна как для решения фундаментальных проблем геохимии, так и для поисковой геологии.

Для исследования распределения ЭПГ и золота между сосуществующими фазами необходимы неразрушающие методы аналитического контроля, обеспечивающие локальное определение элементов в фазах с низким пределом обнаружения (10 5—10'7%) и высоким пространственным разрешением (до долей микрона), характеризующиеся экспрессностью, высокой воспроизводимостью и правильностью, возможностью одновременного определения нескольких элементов.

Активационная авторадиография, являясь одним из методов локального анализа, предназначена для изучения пространственного распределения элементов в образцах после их облучения ионизирующим излучением для образования радионуклида, который используют как источник аналитического сигнала. Из различных вариантов активационной авторадиографии для изучения распределения ЭПГ и золота наибольший интерес представляет активационная бетаавторадиография, отличающаяся низкими пределами обнаружения и высоким пространственным разрешением.

Для исследования распределения ЭПГ и золота до сих пор использовали нейтронно-активационную авторадиографию (активирование тепловыми нейтронами реактора). Однако, как показала практика, метод пригоден для определения в типичных силикатных образцах, главным образом, золота и иридия.

Несмотря на то, что метод авторадиографии развивается давно, его потенциальные возможности далеко не исчерпаны. Расширить сферы применения метода можно несколькими путями. Один из них — применение современных информационных технологий (цифровые способы получения и обработки авторадиографических изображений), другой — применение новых, не использованных ранее в авторадиографии источников активации. Разработка этих подходов положена в основу данной работы.

Цель работы разработка метода цифровой активационной авторадиографии, основанного на двумерной денситометрии с использованием сканеров высокого разрешенияразработка методологии компьютерной обработки авторадиографических изображенийалгоритмов, структуры и функциональности программыразработка способов повышения селективности методаразработка методик авторадиографического определения ЭПГ и золота в геологических образцах.

Научная новизна разработан метод цифровой активационной авторадиографии, основанный на двумерной количественной денситометрии с использованием сканеров высокого разрешения и последующей компьютерной обработке авторадиографических изображенийвпервые предложено использовать сочетание гамма-активации и цифровой авторадиографии, что обеспечивает возможность определения всех ЭПГ и золота в силикатных образцах. предложены способы повышения селективности метода гамма-активационной авторадиографии и разработан метод для оценки предела обнаружения. разработаны методология математической обработки авторадиографических изображений, алгоритмы, структура и функциональность компьютерной программы.

Практическая значимость работы разработан новый метод цифровой гамма-активационной авторадиографии для определения элементов платиновой группы и золота, позволяющий проводить определение элементов как на поверхности, так и по глубине образца (до сотен микрон). Разработанный метод позволяет определять ЭПГ и золото с пределами обнаружения до долей нанограмма и с пространственным разрешением около 1020 мкм (в зависимости от типа образца и фотодетектора). Разработанный метод может быть использован для локального скрининг-анализа больших серий образцовразработан метод двумерной денситометрии авторадиографических изображений с использованием сканеров высокого разрешенияразработаны методики определения платины, иридия и золота в геологических образцах с помощью компьютерной обработки авторадиограмм, которые позволили также оценить глубину залегания включений и коэффициенты распределения ЭПГ и золота между включениями и вмещающей матрицей.

Апробация работы

Результаты работы доложены на следующих конференциях и совещаниях:

1. 10-th Russian-Japan Joint Symposium on Analytical Chemistry (Moscow, 2000).

2. 5-th International Conference on Nuclear and Radiochemistry (Pontresina, Switzerland, 2000).

3. 17-ое Международное Черняевское совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов (Москва, 2001).

4. Научная сессия МИФИ-2001 (Москва, 2001).

5. The Sixth Sino-Russian International Symposium on New Materials and Technologies (Beijing, China, 2001).

6. Международный симпозиум «Разделение и концентрирование в аналитической химии» (Краснодар, 2002).

7. Workshop «Low and intermediate energies electron beams» (Dubna, 2003).

8. 11-я Международная конференция «Modern Trends in Activation Analysis» (Guildford, UK, 2004)

9. Всероссийская конференция «Аналитика России — 2004», (Клязьма, 2004)

На защиту выносятся следующие положения и результаты разработка метода цифровой активационной авторадиографии, основанной на использовании высокоразрешающих сканеров и программного обеспечения для обработки авторадиографических изображенийразработка метода количественной гамма-активационной авторадиографии для определения ЭПГ и золотаспособы повышения селективности активационной авторадиографии ЭПГ и золота (анализ кинетики распада радионуклидов по авторадиографическим изображениям, сочетание с высокоразрешающей гамма-спектрометрией, применение различных источников активации) — разработка методик определения платины, иридия и золота, интерпретация полученных результатов.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и списка литературы из 51 наименования. Диссертация изложена на 120 страницах печатного текста, включая 38 таблиц и 49 рисунков.

3. Выводы

1. Разработан метод цифровой активационной авторадиографии, основанный на двумерной количественной денситометрии с использованием сканеров высокого разрешения. Предложено универсальное уравнение, описывающее отклик всех типов сканеров. Оценена погрешность денситометрии с использованием сканеров, которая не превышает 5% в интервале оптических плотностей 0−1,5. Предложено уравнение градуировки фотодетектора для определения флюенса бета-излучения. Найдено, что погрешность определения флюенса не превышает 10% в рабочей области фото детектора (0=0−1,7). Предложен коэффициент для коррекции результатов денситометрии при обработке серии авторадиограмм.

2. Предложено использовать компьютерную обработку изображений в сочетании с гамма-спектрометрией и различными источниками активации для повышения селективности метода авторадиографии. Разработаны методология математической обработки авторадиографических изображений, алгоритмы, структура и функциональность компьютерной программы.

3. Впервые предложено использовать сочетание гамма-активации и цифровой авторадиографии для определения ЭПГ и золота. Найдено, что все ЭПГ и золото активируются тормозным излучением микротрона с образованием радионуклидов с периодами полураспада, удобными для анализа методами авторадиографии и гамма-спектрометрии, установлен выход радионуклидов. Разработан метод для оценки предела авторадиографического обнаружения. Оценены пределы обнаружения ЭПГ и золота методом цифровой гамма-активационной авторадиографии в силикатных образцах. Пределы обнаружения ЭПГ и золота составляют от двух нанограмм до его долей, в зависимости от элемента, пространственное разрешение — от 10 до 20 мкм.

4. Изучено мешающее влияние элементов на авторадиографическое определение ЭПГ и золота с использованием гамма-активации. Показано, что такие матричные элементы, как А1, Сг, Бе, К, Мп, Ыа, не мешают авторадиографическому определению.

5. Разработаны методики определения платины, иридия и золота в геологических образцах. Предложен метод для оценки коэффициента распределения элементов между включением и вмещающей матрицей на примере природных образцов ферроплатины и кварца. Оценена глубина залегания включений в образце природного кварца (до 500 мкм). Предложен метод для оценки толщины пленки золота на различных участках образца пирита (3−10 мкм).

6. Разработанный метод цифровой гамма-активационной авторадиографии и методики могут быть рекомендованы для локального определения платины, иридия и золота в силикатных образцах, включая скрининг-анализ.