Ядерно-физический анализ золотосодержащего минерального сырья

Вестник ДВО РАН. 2009. № 2

Сарин Сергей Александрович

С. А. Сарин окончил физический факультет ИФИТ ДВГУ (специализация «Физическая метрология и автоматизация эксперимента»). Занимался изучением возможности оптимизации основных аналитических характеристик инструментального нейтронно-активационного метода анализа (ИНАА) с использованием источника нейтронов Cf-252. С 2006 г. основная тема исследований - «Изучение возможностей ИНАА применительно к геологическим золотоносным объектам с высоким содержанием углерода». После окончания в 2007 г аспирантуры работал в лаборатории ядерно-физических методов анализа Института химии ДВО РАН.

В настоящее время - сотрудник лаборатории коллоидных систем и межфазных процессов, возглавляемой чл.-корр. РАН Ю.А.Щипуновым. Прошел стажировку в центре обучения Mettler Toledo (Швейцария, г. Грифинзи), где изучил методику работы на динамическом механическом анализаторе. В настоящее время проводит реологические исследования гибридных наноматериалов, синтезируемых в лаборатории. Имеет публикации (в соавторстве) в журналах «Вестник ДВО РАН», «Химическая технология». С 2007 г. является председателем совета молодых ученых ИХ ДВО РАН. Участвовал в организации международных конференций ASAM-2007 и ISIF-2008, проводившихся на базе института, конференций молодых ученых.

УДК 543.522, 543.07

С. А. САРИН, В .В .ИВАНЕНКО

Ядерно-физический анализ золотосодержащего минерального сырья

Рассмотрены физические основы и аналитические возможности инструментального нейтронно-активационного метода анализа элементного состава вещества. Разработана и аттестована методика определения содержания золота в пробах вулканогенных и золотокварцевых рудных месторождений. Получены пределы определения золота до 0,1 г/т и оценена возможность анализа сопутствующих элементов.

Ключевые слова: нейтронно-активационный анализ, РФАПО, золотосодержащее сырье, золото, метрология, калифорний-252.

Neutron-activation analysis of gold-containing mineral raw material. S.A.SARIN, V.V.IVANENKO (Institute

of Chemistry, FEB RAS, Vladivostok).

САРИН Сергей Александрович - младший научный сотрудник, ИВАНЕНКО Вадим Васильевич - доктор технических наук, главный научный специалист (Институт химии ДВО РАН, Владивосток). Е-таі1: jintao-m@yandex.ru

Physical principles and analytical application of the instrumental neutron activation analysis of substance ultimate composition have been considered. A method of determination of aurum concentration in samples of volcanogenic and gold-quartz ore deposits has been developed and certified. The aurum lowest detection limits up to 0.1 gram/tone have been obtained, and the possibility of content analysis of associate elements has been estimated.

Key words: instrumental neutron activation analysis, TXRF, gold ores.

Анализ элементного состава минерального сырья - один из важнейших этапов изучения и освоения месторождений. В решении этой задачи наряду с классическими важную роль играют методы инструментального ядерно-физического анализа с использованием ядерных реакторов и ускорителей. Достоинством данных методов является недеструктивная схема анализа, возможность достижения низких пределов обнаружения при высокой информативности анализа.

В Дальневосточном регионе в отсутствие крупномасштабных комплексов получили развитие разработанные в Институте химии ДВО РАН компактные установки нейтронноактивационного анализа (НАА) с радионуклидным источником возбуждения на основе калифорния-252 [5, 6]. Аттестация методик в геологической отрасли страны, выполненная в 1984-1987 и 2007 гг., позволила активно проводить поисково-разведочные работы практически во всех основных золотосодержащих регионах Дальнего Востока.

Ранее исследованиями по дисперсионной схеме анализа показано [2, 6], что основными причинами случайных погрешностей НАА являются недостаточно жесткая фиксация положения источника, активируемых образцов и погрешность определения интенсивности аналитической линии определяемого элемента. В целях повышения стабильности условий активации блок, включающий нейтронный источник и активируемые образцы, оборудован в 2005 г. системами жесткой пневмодоставки источника и исследуемых образцов (рис. 1). В зоне активации находится центральный канал с Cf-252 и 6 вертикальных облучательных каналов высотой до 30 см и диаметром 6,7 см, что позволяет проводить одновременное облучение до 60 кассет высотой 2,7-6 см с максимальной массой пробы до 180 г. В зоне активации возможно достижение максимальной плотности тепловых нейтронов Фа = 9,3* 106 нейтр./с*см2 и резонансных Фер! = 0,43* 106 нейтр./с*см2. При длительности цикла облучения, равной ~24 ч, и суточной выдержке активированных образцов для пробы массой m , содержащей m / золота, достигается удельная активность

Рис. 1. Блок-схема нейтронно-активационной установки

Ь = 3,51'106(имп/мин,шпр •тг/т). Производительность НАА при длительности спектрометрического этапа 1 = 10 мин обычно составляет 20-30 образцов в сутки.

Блок спектрометрии выполнен на основе комплекса СКС-50М, включающего ве-Ы полупроводниковый детектор с энергетическим разрешением > 2,2 кэВ объемом 80 см3 и автоматизированную систему обработки спектрометрической информации. В настоящей работе проведена полная компьютеризация этапа определения площади аналитической линии, находящейся на сплошном комптоновском распределении спектра. Обработка спектрометрической информации проводится с помощью программы «Гамма-анализатор», позволяющей осуществлять поиск, анализ гамма-линий в спектре и их описание. Для анализа в программе используется метод разложения пиков полного поглощения по линиям изотопов, включенных в библиотеку идентификации. Описание пиков проводится методом линеаризации гауссовой кривой с последующей коррекцией полученной прямой методом наименьших квадратов с использованием критерия ^-распределения [3, с. 14]. Такой подход позволяет дополнительно снизить случайные погрешности НАА.

Наиболее перспективными сферами применения метода НАА является определение элементов с высоким сечением тепловой и резонансной нейтронной активации ядер (Мп, Со, Л8, 1п, 1г, Аи, редкоземельные и другие элементы). В последние годы в связи с расширением в регионе геологических поисково-разведочных работ особую актуальность приобрело применение метода к объектам с мелкодисперсным золотом. Это обусловлено возможностью достижения предела обнаружения золота С1!ш = 0,1-0,2 г/т, достаточного для разведки и подсчета запасов месторождений [2; 4, с. 6], и, главное, недеструктивной схемой анализа, исключающей этапы термического и химического воздействия на образец, которое может привести к образованию летучих продуктов и как следствие - к существенным погрешностям анализа.

Высокая представительность анализа обеспечивается за счет использования больших навесок мелкодробленых или истертых образцов массой 50-200 г. На рис. 2а представлен спектр золотосодержащего образца, в котором отчетливо видны аналитические линии золота с Еу = 411,8 кэВ (СЛи = 4,6 г/т) и ряда иных промышленно ценных элементов. По нашим оценкам, предел обнаружения, обычно составляющий

Рис 2. Спектры золотосодержащей пробы Сли = 4,6 г/т: а - гамма-спектр,

0,1-0,2 г/т, с увеличением б - рентгеновский, полученный с помощью радиоизотопного источника

длительности измерения возбуждения 241 Лш

50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550 1650 1750 Еу, кеУ

Рис. 3. Спектры золотосодержащей пробы САи = 0,1 г/т: а, б - гамма-спектры, в, г - рентгеновские, полученные с помощью радиоизотопных источников возбуждения соответственно 244Ри, 241Ат

до 1 ~ 10 ч может быть снижен до АиСЦш ~ 0,05 г/т (рис. 3а, б). При этом возрастает ин-

формативность анализа за счет дополнительного выявления аналитических линий ряда иных элементов, в том числе 8с, Сг, Со, Аб и др. НАА платиноидов наиболее перспективен для иридия, для которого достигается предел обнаружения, близкий к величинам, указанным для золота. Ранее в совместных с Приморским геологическим объединением работах установлено [6], что комбинирование метода пробирной плавки с нейтронно-активационным окончанием позволяет в 5-10 раз снизить пределы обнаружения для Аи, Ag , 1г и ряда других элементов.

Показано, что относительная среднеквадратичная погрешность НАА по 3 параллельным измерениям составляет: при диапазоне содержания золота 1-10 г/т - 11,8%; 10-100 г/т -2,54%; 100-1000 г/т - 2,06%. Отметим, что в области содержаний > 300 г/т в результаты НАА автоматически вносятся поправки на самоэкранирование нейтронов или используется метод разубоживания исследуемой пробы.

Информативность элементного анализа существенно расширяется при использовании энергодисперсионного рентгенорадиометрического метода анализа [2]. Уступая НАА по чувствительности, этот метод характеризуется более высокой информативностью, так как радионуклидные источники возбуждения на основе Pu238, Am241 и Co57 обеспечивают возбуждение К-линий флуоресцентного излучения практически для всех ценных элементов. Применительно к указанным месторождениям в спектрах дополнительно наблюдаются аналитические линии Cr, Co, Ni, Cu, Zn,Y, Zr, Mo, Sn, Sb, W, La, Ce, Pr и иных промышленно ценных и сопутствующих элементов (рис. 2б, 3б).

Дальнейшее снижение предела определения, необходимое, например, в геохимических, экологических и иных исследованиях, возможно при комбинации НАА с иными современными методами. Один из них основан на использовании функционирующего в ИХ уникального рентгено-флуоресцентного анализатора следовых количеств вещества (TXRF - Total X-Ray Reflection Fluorescence), использующего эффект полного внешнего отражения рассеянного излучения. Отметим, что для этого анализатора в тонких слоях вещества достижимы пределы обнаружения 10-10-10-11 г [2].

Взаимодополняющее использование рассмотренных установок и методов ядерно-физического анализа может быть обеспечено c полным соблюдением норм радиационной безопасности, оно доступно практически всем лабораториям, в том числе стационарным, экспедиционным и бортовым на научно-исследовательских судах [1].

Авторы выражают благодарность академику В.И.Сергиенко за постоянное внимание к настоящей работе, а также | А. А. Агафонову |, А.Ю.Метелеву, Н.В.Поляковой, ГС.Кубаховой за помощь на отдельных этапах исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иваненко В.В., Коваленко В.В., Кустов В.Н, Григорьев А.И. Комплекс ядерно-аналитических методов элементного анализа донных отложений океана // Тихоокеан. ежегодник. Владивосток: ДВО РАН, 1987. С. 68-75.

2. Иваненко В.В., Кустов В.Н., Метелев А.Ю., Григорьев А.И. Развитие методов ядерно-физического анализа (ЯФА) элементного состава вещества в Институте химии ДВО РАН // Вестн. ДВО РАН. 2002. № 4. С. 3-21.

3. Инструкция НСАМ № 211-яф. Инструментальное нейтронно-активационное определение золота в пробах вулканогенных месторождений с использованием нейтронного источника на основе калифорния-252 / Мингео СССР М., 1984. 18 с.

4. Инструкция НСАМ №242-яф. Нейтронно-активационное определение золота в пробах золотокварцевых рудных месторождений с использованием калифорниевого источника и сцинтилляционного спектрометра / Мингео СССР. М., 1987. 8 с.

5. Ivanenko V.V., Metelev A.Yu, Slavkina T.V., Hiev N.V. Instrumental neutron activation determination of rare earth, noble and other elements in mineral raw materials of the Socialist Republic of Vietnam // J. Radioanal. Nucl. Chem. A. 1988. Vol. 122, N 1. P. 35-41.

6. Shilo N.A., Ivanenko V.V., Ippolitov E.G., Kustov V.N. et al. Instrumental neutron activation determination of gold // J. Radioanal Chem. 1983. Vol. 79. P. 309-316.