Введение к работе
і. Е.л.л;;ш1 ^тдел
1СѫëЦИЙ^
Актуальности. Повышение эффективности технологических процео-
сов производства тугоплавких металлов, улучшение их качественных характеристик, создание новых технологий получения материалов и сплавов с заданными свойствами, широко применяемых в сйето- И электротехнике, радио- я микроэлектронике, атомной и плазменной энергетике, ракетостроении, в термоядерных исследованиях, является одной из важнейших народно-хозяйственных задач.
Успешное решение ее зависит от уровня аналитического контроля технологических продуктов на всех стадиях производства, представлявшего неразрывную совокупность последовательных взаимосвязанных операций многоступенчатого процесса,которые протекают в экстремальных термодинамических условиях. Особое внимание при этом должно уделяться экологическим исследованиям.
Проблемы контроля обусловлены разнообразием объектов, мнокест-венностыо задач и требований к анализу и усугубляются отсутствием стандартных образцов состава для каждого вида продукта в отдельности. Применяемые на практике методы такие, как масс-спектрометричес-кие, эмиссионной спектральный анализ, полярографические, атомная абсорбция, инфракрасная спектроскопия и др. имеют ограничения, наиболее существенными из которых являются малая представительность проб, недостаточная экспресснооть,необходимость использования стандартов в том же физическом состоянии, что и анализируемый материал.
Широкий круг технологических и практических задач может быть решен с применением активационного анализа на нейтронном генераторе, который допускает облучение больших навесок, обладает достаточно низкими пределами обнаружения для наиболее важных элементов, возможностью определения с высокой точностью одновременно целого комплекса примесей. Немаловажным является радиационная безопасность и экологическая "чистота" установки.
Интенсивные исследования в этой области относятся к концу 50-х-середине 60-х годов. К началу выполнения данной работы (середина 70-х гг) была накоплена значительная информация об основных особенностях метода и его аналитических возможностях.
Однако, с точки зрения методологии отсутствие теоретической основы для достоверного учета специфики пространственного распределения потока нейтронов затрудняло анализ протяженных объектов различной конфигурации. При этом практически не уделялось внимания сев-
местному действию особенностей их облучения вблизи тритиевой мишени и аппаратурных характеристик детектирующих устройств, недостаточно корректный подход при учете влияния временных параметров поля излучения и поглощающих свойств исследуемого материала, а также и ряд других факторов не всегда давали возможность снизить до требуемого уровня систематические погрешности, связанные с пробо--подготовкой и приготовлением образцов сравнения, способами контроля условий облучения (мониторирования нейтронного потока) и разработать универсальные методики анализа неоднородных (квазигомогенных) объектов сложного состава, имеющих однотипную матричную основу, но находящихся в различных физических состояниях. Практически отсутствовало методическое обеспечение применения метода для аналитического контроля многостадийных технологических процессов.
Неполнота данных по практическому использовании термализован-ных нейтронов, способов регистрации наведенной активности в области шзкоэнергетического рентгеновского излучения (ХРИ), а также количественной оценки эффектов "ядерного распыления" и "эмиссии радионуклидов отдачи" являлась ограничением для повышения селективности, увеличения точности метода, расширения его аналитических возможностей.
Проведенные автором исследования показали перспективность комплексного решения проблемы создания способов нераэрушающего аналитического контроля всего многообразия материалов, а актуальность развития методологических я теоретических основ активациок-ного анализа неоднородных структур сложного состава и объектов различного конфигурационного профиля определяется насущной необходимостью народного хозяйства в повышении эффективности производства и улучшения качественных показателей выпускаемой продукции, потребностями в новых более совершенных технологиях, достоверной оценке их влияния на экологическое состояние окружающей среды.
Цель и задачи работы. Цель» данной работы явилось развитие теоретических и методологических основ неразруващего активацион-ного анализа неоднородных объектов различной конфигурации, отличающихся физико-химическими свойствами, с использованием нейтронного генератора применительно к производству тугоплавких металлов, а также расширение круга решаемых с его помощь» практических задач в различных областях науки и техники.
Для достижения поставленной цели необходимо было:
-разработать математическую модель для описания пространственного распределения поля излучения вблизи тритиевой мишени, получить аналитические выражения для расчета степени активации образцов раз-яичной конфигурации к величины навески с учетом позиционной эффективности регистрации детектирующих устройств, развить новый подход к анализу представительных проб;
-исследовать влияние нестационарного во времени выхода нейтронов на величину активности радионуклидов о разными периодами полураспада и разработать методические приемы оптимизации временных параметров при многоэлементном анализе с учетом этого эффекта;
-изучить степень влияния поглощающих факторов, разработать методические приемы их оценки и расчетов количественных характеристик для материалов, имеющих однотипную матричную основу, но отличающихся агрегатным состоянием и физико-химическими свойствами;
-оценить возможности существующих и разработать новые способы повышения селективности анализа путем вариации энергетического спектра активирующих частиц и регистрации низкознергетяческого рентгеновского излучения;
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Развит и теоретически обоснован ядерно-физический метод аналитического контроля неоднородных объектов различного конфигурационного профиля, позволивший увеличить точность анализа и базирующийся на следующих научных разработках:
- математическая модель поля излучения вблизи тритиевой мишени, учитывающая совместное влияние особенностей облучения и измерения и обеспечивающая адекватное отобраяение неоднородного распределения плотности потока активирующих частиц в фазовом пространстве и позиционную эффективность регистрации детектирующих устройств;
-совокупность математических выражений для расчетов активности протяженных объектов различной, конфигурации и размеров при их облучении в стационарных и динамических условиях с учетом диаметра пучка дейтонов ка тритиевой мишени.
2.Предложен отсутствовавший ранее методологический подход к ак-тивационному анализу неоднородных материалов с однотипной матричной основой, включающий
-новый подход к оптимизации величины навески обЪемных проб по критерию относительного изменения активности с учетом погрешности измерений;
-обеспечение соответствия измеренной активности для радаоиукди-
дов о различными периодами полураспада и показаний контролирующего нейтронный поток монитора в условиях нестационарного во времени выхода активирующих частиц;
-опособ учета поглощающих факторов путем нормализации интенсивности излучения аналигических радионуклидов к матричной активности и использования единого для всех типов проб образца сравнения,
-
Экспериментально исследованы спектральные характеристики радионуклидов в низкоэнергетической области и разработаны методические приемы анализа с регистрацией рентгеновского излучения. Предложены способы изучения количественных характеристик и исключения влияния эффектов "ядерного распыления" и "эмиссии радионуклидов отдачи" при определении содержания примесей на уровне микроконцентраций. ^
-
Разработаны и практически реализованы методики анализа, позволившие осуществить аналитический контроль технологических продуктов на всех этапах многостадийных процессов производства тугоплавких металлов и изделий из них.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
в целенаправленном развитии и расширении области применения метода активации на нейтронном генераторе для анализа неоднородных объектов различного конфигурационного профиля и геометрических размеров, что позволило снизить погрешность определения;
в создании неразрушающего метода аналитического контроля производства тугоплавких металлов, который по сравнению с другими характеризуется высокой представительностью пробы (И = 10-40 г) и возможностью определения в широком интервале содержаний комплекса примесных (N, О, Р, Na, Mg, Al, Si, CI, К, Сг, Мл, Fe, Си, Мо и др.
-2 -5
С = 10 - 10 % масс.) и присадочных элементов (Al, Si, К, V, Сг,
н -1 -3
Нп, Y, Zr, Ва, Re, Hf, РЗЭ - 1С - 10 % масс), позволяет исключить необходимость приготовления отдельных образцов соавнения для каждого вида продукта.
Разработанный комплекс аналитических методик использован при выполнении хоздоговорных работ по планам создания и внедрения новой техники с 4fr ВНИИТС, ї'зКТКМ, ИНЕГ АН СССР, АГМК, Институтом электроники АН УзССР и 'др.; Государственной научно-технической триграммой "Перспективные материалы (раздел: Высокочистые металли-
лические материалы)"; Государственной программой по ВТСП (Постановление ГКНТ за N 57 от 8.12.89); региональной комплексной программой "Чирчик", а также в рамках договоров о научном сотрудничестве с рядом организаций.
Полученные результаты дали возможность:
-изучить поведение примесных и присадочных элементов в молибденовых и вольфрамовых продуктах в экстремальных термодинамических условиях получения компактного металла на различных этапах технологического процесса;
-выяснить закономерности изменения состава дисперсных выделений из газовой фазы и исследовать термохимические процессы, установить возможные пути загрязнения продукта на восстановительной стадии получения металлического молибдена и дать рекомендации по прогнозированию состояния и поведения муфеля;
-изучить роль и влияние легирующих присадок и примесей на качественные характеристики компактного металла и изделий из него ( проволока, монокристаллы, сплавы на основе молибдена и вольфрама и др.);
-изучить поведение примесных элементов и составляющих компонент при разработке новых технологий для получения современных жаропрочных и твердых материалов с заданными свойствами.
Разработаны стандартные образцы (СОП) на основе компактного молибдена и вольфрама с известным содержанием кислорода для использования их при градуировке, настройке аналитического оборудования, количественном анализе готовой продукции в производственных условиях.
Экономический эффект от внедрения разработок в производственную практику за счет снижения затрат на проведение аналитических работ за период с І883 по 1989 гг составил 840 тыс.руб.
Выполненные разработки защищены авторскими свидетельствами ( NN 704341 от 21.07.79, 1204030 от 8.09.85, 1542229 от 8.10.89).
На защиту выносятся следующие положения;
-
Математическая модель для адекватного описания неоднородности поля излучения вблизи тритиевой мишени нейтронного генератора, учитывающая позиционную эффективность детектирующих устройств; совокупность математических соотношений, алгоритмы и результаты расчетов активности протяженных объектов при их облучении в стационарных и динамических условиях, экспериментальная их проверка.
-
Развитие теоретических и методологических основ анализа неод-
нородных материалов с однотипной матрицей, отличающихся конфигурацией, размерами, физико-хшическими опойствами, с использованием модельных представлении и одного образца сравнения для различных производственных продуктов.
3, Результаты теоретических и экспериментальных исследований
спектральных характеристик радионуклидов-продуктов ядерных реак
ций ны быстрых нейтронах в области низкоэнергетического рентгенов
ского излучения, позволивших повысить селективность метода; мето
дологический подход при изучении эффектов "ядерного распыления" и
"эмиссии радионуклидов отдачи" для ряда элементов и получении их
количественных характеристик.
4. Комплекс аналитических методик неразрушаощего контроля тех
нологических продуктов на всех этапах многостадийных производст
венных процессов, обеспечивших решение практических задач по улуч
шению качества тугоплавких металлов и получению новых материалов
на их основе.
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на П, Ш, 1У, У Всесоюзных совещаниях по активационному анализу ( Ташкент, 1968", 1972, . Тбилиси, 1977, Ташкент, 1987 ), Всесоюзном совещании по ядерно-физическим методам анализа на заряженных частицах (Ташкент, 1987 г.), Республиканских научно-технических совещаниях "Ядерно- физические методы опробования и " анализа на предприятиях цветной металлургии (Ташкент, 1972, 1977 гг), Ш, ІУ, У Всесоюзных конференциях по методам определения и исследования газов в металлах и неорганических материалах (Ленинград,1974, 1979, Москва, 1988 гг), XXIX Всесоюзном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Рига, 1979 г), П, Ш, ІУ, У Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1975, 1979, 1882, 1988 гг), ХУЛ Республиканской конференции электрохимиков (Вильнюс, 1979 г), I и П Всесоюзных совещаниях по ядерно-физическим методам анализа в контроле окружающей среды (Ташкент, 1979, Рига, 1882 гг), Республиканском научно-техническом совещании "Автоматический контроль и управление в цветной металлургии ( Ташкент, 1983 г), Республиканской научно-технической конференции "Новые направления в производстве тугоплавких металлов и твердых сплавов" (Чирчик, 1983 г), ХІУ Менделеевском сЪезде по общей и прикладкой химик (Ташкент, 1989 г), П Всесоюзном научно-техническом совещании ''Вопросы разработки и
применения портативных генераторов нейтронов" ( Москва, 1887 г), ХП, ХШ Всесоюзных совещаниях "Получение, структура, физические свойства и применение высокочистых и монокриеталляческих тугоплавких и редких металлов" (Суздаль, 1987, 1990 гг), I Всесоюзном совещании по проблемам диагностики материалов ВТСП (Черноголовка, 1989 г), П Всесоюзной школе по активационному анализу и другим радиоаналитическим методам (Рига, 1989 г), У Всесоюзном совещании по метрологии нейтронного излучения на реакторах и ускорителях (Москва, 1090 г). Отдельные положения диссертации обсуждались на научно-технических совещаниях производственных предприятий, использующих разработанные методики и полученные результаты в своей работе.
Структура и обЪем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего з о* наименований. В приложении приведены ряд таблиц и акты об использовании и внедрении разработок. Работа выполнена на 2»э страницах машинописного текста, включая +е таблиц, иллюстрирована бз рисунками.
Похожие диссертации на Активационный анализ неоднородных материалов и контроль производства тугоплавких металлов на нейтронном генераторе
