Эта цель достигается также включением в состав спектрометра блока детектирования, ЭЗЧ которого в области быстрых нейтронов существенно иная, чем для детектора тепловых нейтронов, размещенного в шаровом замедлителе. Таким блоком является поликристаллический сцинтил-лятор ZnS, помещенный в прозрачный водородосодержа-щий материал, при этом регистрируется скорость счета импульсов с дискриминацией импульсов по амплитуде от фона и сопутствующего гамма-излучения. Для этих блоков детектирования ЭЗЧ нужно определять индивидуально, так как в детекторах можно использовать поликристаллический сцин-тиллятор ZnS с различной дисперсностью.
Для этих целей перспективен блок детектирования с пластмассовым или жидким сцинтиллятором и системой разделения импульсов от нейтронов и гамма-излучения по их форме. Работа в этом направлении в настоящее время проводится во ВНИИФТРИ.
При отсутствии источников моноэнергетических нейтронов ЭЗЧ детекторов быстрых нейтронов получают в результате решения системы интегральных уравнений, где в качестве ядер уравнений используют спектры нейтронов от ра-дионуклидных источников, включая спектры, моделируемые различными формирователями. Система интегральных уравнений имеет вид
А = (Е)^ (Е), i = 1, 2,..., т, (6)
где Л/ — скорость счета импульсов для /-го спектра нейтронов.
Для создания спектров нейтронов, используемых в (6), применяли контейнер установки УКПН-1М, показанный на рис. 4. В контейнер можно помещать как коллиматор, так и
формирователи различных энергетических спектров нейтронов. Эти спектры также могут служить для сравнительных измерений дозиметрических характеристик нейтронных полей (сличений) различными СИ.
Л и т е р а т у р а
1. ICRU Report 26. Neutron Dosimetry for Biology and Medicine. 1977.
2. МУ 2.6.1.25—2000. Методические указания. Дозиметрический контроль внешнего профессионального облучения. Общие требования.
3. ICRP Publication 60. Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. 1991.
4. СанПиН 2.6.1.2523—09. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009).
5. ICRU Report 57. Conversion Coefficients for use in Radiological Protection against External Radiation. 1998.
6. ISO 8529-1:2001. Reference neutron radiation. Pt. 1: Characteristics and methods of production.
7. ГОСТ 8.521—84. ГСИ. Установки поверочные нейтронного излучения. Методика поверки.
8. Масляев П. Ф. Формирование полей нейтронов от ра-дионуклидных источников нейтронов // АНРИ. 2012. № 2. С. 32—38.
9. Крамер-Агеев Е. А., Трошин В. С., Тихонов Е. Г. Актива-ционные методы спектрометрии нейтронов. М.: Атомиздат, 1976.
10. Bramblett R. L., Ewing R. I., Bonner T. W. A new type of neutron spectrometer // Nucl. Instrum. Methods. 1960. № 9. P. 1—12.
Дата принятия 10.11.2014 г.
006.91:541.182.4/.65:620.3
Методы и средства измерений дисперсных параметров частиц взвесей субмикронного и нанометрового диапазонов
Е. В. ЛЕСНИКОВ, M. В. БАЛАХАНОВ, Д. M. БАЛАХАНОВ
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: lesnikov@vniiftri.ru, mbalakhanov@vniiftri.ru
Рассмотрены основные алгоритмы обработки автокорреляционных функций для метода динамического рассеяния света, как наиболее эффективного при определении размеров частиц. Предложены алгоритмы обработки функций для случая полидисперсного распределения частиц. Приведены результаты измерений параметров частиц в водных средах, в частности, в природных минеральных водах, предложена методика их идентификации.
Ключевые слова: частицы, дисперсные параметры, наноразмеры, минеральные воды, эталон.
The basic algorithms of processing of the autocorrelation functions for the method of dynamic light scattering as the most effective in the determination of particle sizes are given. The capabilities of processing algorithms in the case of the polydisperse particle distribution explored. Experimental measurements results for particles in aqueous media, particularly in natural mineral waters are given, the method of identifying them is proposed.
Key words: particles, dispersive parameters, nanosizes, mineral water, etalon.
В связи с более широким применением нанотехнологий в различных областях, таких как биология, медицина, энергетика, электроника, оптика и фотоника, актуализируется за-
дача измерений дисперсных параметров аэрозолей и частиц взвесей нанометрового диапазона. После утверждения Государственного первичного эталона единиц дисперсных
параметров аэрозолей, взвесей и порошкообразных материалов ГЭТ 163—2003, воспроизводившего дисперсные параметры в диапазоне размеров частиц 0,5—10 мкм, были начаты работы как по его совершенствованию, так и по созданию государственного вторичного эталона, предназначенного для воспроизведения размера единиц дисперсных параметров наночастиц взвесей. В ГЭТ 163—2010 [1] нижняя граница измерений размеров частиц была расширена вплоть до 30 нм, а созданный Государственный вторичный эталон единиц дисперсных параметров взвесей нанометро-вого диапазона ВЭТ 163—1—2010 обеспечил единство измерений наночастиц в жидкой среде в диапазоне концентраций 108—1014 см-3, поверку и калибровку средств измерений параметров частиц в диапазоне до 10 нм [2]. В основу измерений положен метод динамического рассеяния света (ДРС), являющийся первичным методом анализа параметров наночастиц в жидких средах.
Частицы как природного, так и техногенного происхождения оказывают значительное воздействие на процессы, происходящие в воздушной [3, 4] и водной средах, которые, в свою очередь, влияют на климат и экологическую обстановку, поскольку значительная часть переносимых этими средами частиц находится в составе дисперсной фазы вещества. Для изучения и контроля воздействия частиц на процессы в природных и технологических средах чрезвычайно актуальным является обеспечение единства и достоверности измерений их основных параметров: размера (в единицах длины), счетной концентрации (в количестве частиц на единице объема), удельной площади поверхности (в единицах площади на единицу объема), объемной и массовой концентраций (в единицах объема и массы частиц на единицу объема), а также формы, строения, химического или биологического состава частиц.
В эталонной аппаратуре применяют несколько стандартных методов измерения размера частиц: метод, использующий особенности дифракции лазерного излучения на частицах [5]; метод динамического рассеяния света в водных средах (в диапазоне размеров до 3 нм) [6]; метод на основе дифференциальной электрической подвижности наночас-тиц (в диапазоне от 1 мкм до 7 нм) [7]; метод диффузионной спектроскопии [8].
Приборы, использующие перечисленные методы, выпускаются рядом зарубежных фирм: Malvern (Великобритания), Fritsch (Германия) и др. Для монодисперсных частиц оценки неисключенной систематической погрешности (НСП), среднего квадратического отклонения (СКО) и расширенной неопределенности при доверительной вероятности 0,95 составляют 4,0; 1,5; 8,0 %, соответственно. Существенным недостатком приборов такого рода является ограничение по нижней границе измеряемых размеров частиц до 0,08—0,1 мкм.
Динамическое рассеяние света (ДРС) — один из наиболее эффективных методов определения размеров частиц в водных средах [9]. Метод основан на анализе автокорреляционной функции излучения, рассеянного коллоидными частицами. Во множестве экспериментов показана применимость метода для анализа монодисперсных растворов частиц в широком диапазоне размеров от нескольких нанометров до нескольких микрон. Однако до сих пор не существует
единого алгоритма, позволяющего с достаточной точностью анализировать сложные смеси, содержащие группы частиц разного размера.
В типичном эксперименте при анализе методом ДРС исследуемый раствор частиц освещают узким лучом света монохроматического когерентного источника (лазера) с длиной волны Х0 [10]. Свет, рассеянный частицами, когерентно детектируется под углом 8 по отношению к направлению начального распространения луча. Предполагается, что частицы в растворе не коагулируют и не разбухают. Вследствие броуновского движения плотность частиц в среде флуктуирует со временем и, следовательно, флуктуирует рассеянное на частицах излучение лазера. Поле суммарной волны представляет суперпозицию полей, рассеянных на броуновских частицах [11]:
E(t) = íEj e/((J(t)-fflof>, j=1
где Ej — амплитуда рассеянной волны, зависящая от формы частицы, ее оптических свойств, расстояния до детектора и угла рассеяния; N — число частиц; ю0 — частота падающего излучения; (j(t) = qrj — набег фазы, связанный со случайным смещением j-й частицы, r — радиус-вектор j-й частицы, q = k0 - ks — разность волновых векторов падающей и рассеянной волн. Модуль вектора q определяется как:
q = 4пп01Х0 sin (8/2), (1)
где п0 — показатель преломления среды, заполняющей рассеивающий объем, 8 — угол рассеяния.
Измеряемой величиной является интенсивность рассеянного излучения
I(t) = E*(t) E(t) = í í EjEkei ((j(t)-(k(t)), j=1 k=1
где E, E* — комплексно-сопряженные значения напряженности электрического поля падающего излучения.
Для получения ценной информации о рассеивающих частицах строится автокорреляционная функция интенсивности
Gi (т) = (I (t) I (t + т)).
Здесь ( ) обозначает усреднение по времени.
Если имеется дискретный ряд измеренных значений ин-тенсивностей I(t¿), то автокорреляционная функция для данного значения т' вычисляется по формуле:
NT
Gl (т') = N7 í I (ti) I (t¡ + т'). т i=1
Для частиц сферической формы и одинакового размера (вырожденное распределение) корреляционная функция принимает вид:
G( т) = Р2Е0
( ы2+(Ы2 - м)э-Гт],
где р = ЕV Ед; Е,
Е0 — напряженности электрического поля
рассеянной и падающей волн, соответственно; N — количество рассеивающих частиц; Г — коэффициент затухания. В коэффициенте перед экспонентой членом N можно пренебречь по сравнению с N (считаем, что число рассеивающих частиц всегда велико). Таким образом, задача об определении диаметра частиц сводится к нахождению коэффициента Г, который связан с диаметром частицы б ч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.