Олег Чакилев: «Лучше всего мы определяем редкоземельные элементы»

На кафедре прикладной ядерной физики (№24) Института физико-технических интеллектуальных систем НИЯУ МИФИ идет работа над совершенствованием установки, способной дистанционно определять химический состав горных пород. О ходе работы и ее результатах нам рассказывает ассистент кафедры прикладной ядерной физики Олег Чакилев.

Интервью взято в рамках рубрики «Голос науки». 

Олег Чакилев

­­ – Олег Васильевич, расскажите вкратце - в чем суть проекта, в котором вы участвуете?

­ – Мы занимаемся анализом химического состава горных пород нейтронным методом. Сейчас разрабатываем стационарную установку, а параллельно ее конвейерный вариант. Наш метод позволяет делать элементный анализ дистанционно, без разрушения образца, без какой-то проб-подготовки, как в случае химического анализа, для которого нужно разводить всякие реактивы.

­ – А как устроена ваша установка?

 – ­ В ее основе лежит нейтронно-радиационный анализ. Мы облучаем образец горной породы нейтронами, они взаимодействуют с ядрами атомов в образце, это взаимодействие приводит к образованию гамма-излучения, которое мы регистрируем детектором, и уже по спектру гамма-излучения определяем химический состав.

­  – Что используется в качестве источника нейтронов?

 – Генераторы нейтронов, которые производит наш партнер – ВНИИА им. Духова. Вообще существует множество разных источников нейтронов – генераторы, изотопные источники, реакторы и так далее. В генераторе используется реакция синтеза. В нем есть мишень из трития, ионы дейтерия ускоряются и бомбардируют эту мишень, в результате образуется, как всегда бывает при реакции синтеза, альфа-частицы и один нейтрон. Вот эти нейтроны, обладающие энергией в 14 мегаэлектронвольт мы и используем. Детектор на данный момент мы используем зарубежный, но ведутся разработки, чтобы попробовать заменить на отечественную модель.

­  – А в чем в данной системе анализа состоит собственно вклад сотрудников МИФИ?

­  – Мы разработали саму методику измерений и провели ее испытания. Суть была именно в том, чтобы установить корреляцию между характеристиками гамма-излучения и концентрацией химических элементов. Существуют зарубежные аналоги подобных приборов, но их отличие в том, что они в основном используют изотопные источники. У нас же генератор нейтронов, который работает в импульсном режиме и перед нами стоит глобальная задача — регистрировать и при этом различать три разных типа гамма-излучения: радиационного захвата, неупругого рассеяния и наведенной активности. Это позволяет расширить список химических элементов, которые определяются таким анализом. Дело в том, что у каждого из видов излучения есть свои ограничения. Например, излучение неупругого рассеяния хорошо определяет углерод, кислород и так далее. А излучение радиационного захвата дает информацию о редкоземельных элементах. Использование генератора нейтронов позволяет работать в импульсном режиме и разделять виды излучения при регистрации, тем самым увеличивая число определяемых элементов.

На данный момент мы в основном работаем с излучением радиационного захвата, но в дальнейшем планируем объединить все три вида излучения и их обработку.

­  – И это позволит выявлять всю таблицу Менделеева?

­  – Ну, не всю, но большую ее часть.

­  – А сейчас какую часть?

 – ­ По сути, можно определить все элементы, но у излучения радиационного захвата, с которым мы сейчас работаем, есть ограничения на сечение реакции, поэтому существуют элементы, которые могут определяться с хорошей точности, из-за того, что у них сечение реакции очень большое, а существуют элементы, у которых очень маленькое сечение, и их можно измерить только при очень большой концентрации.

Осколок Сихотэ-Алиньского метеорита, переданный в МИФИ для анализа

 – ­ Вы пытаете создать конвейерный вариант своей установки. Что это и для чего нужно?

 – ­Стационарная установка у нас как выглядит? Мы просто загружаем образец в установку, а значит у образца появляются ограничения по геометрии. На данный момент загрузка представляет собой цилиндр диаметром 10 сантиметров и высотой 4,5 сантиметра. Мы облучаем эту загрузку, детектируем спектр излучения в течение получаса и потом выдаем элементный состав. Конвейерный вариант, который нужен большинству горнодобывающих предприятий, работает по другому принципу. Мы должны дистанционно определять концентрацию элементов, движущихся по ленте конвейера. Тут мы не можем ждать полчаса, измерение должно длиться секунды. К тому же материал движется, то есть его состав постоянно меняется. Это довольно сложно, но мы сейчас разрабатываем это.

­  – А для конвейеров существует отечественные аналоги таких приборов?

­  – Да, существуют, но они работают на генераторах меченых нейтронов. Мы сейчас пытаемся удешевить стоимость такой установки путем уменьшения числа детекторов и оптимизации компоновки. Если у нас все получится, то наша установка будет лучше и по цене, и по числу определяемых элементов.

­  – Итак, потенциальный заказчик вашего прибора – это горная промышленность?

­  – Прежде всего она, но вообще он годится для самого широкого применения, по сути с его помощью можно анализировать любые образцы. Вопрос в том, какие элементы нужно определить. Какие-то мы можем определить хуже, какие-то лучше.

­  – А сейчас что лучше?

­  – Сейчас в основном редкоземельные элементы, и классические элементы, актуальные для горнодобывающих предприятий - кремний, кальций, железо.

­  – Интересный кейс: ваш прибор использовали для анализа химического состава метеорита?

­  – Да, к нам обратился Минералогический Музей им. А.Е. Ферсмана РАН, который передал нам для анализа осколки Сихотэ-Алинского метеорита. Их интересовали элементы, которые были в метеорите. Это в основном железо, никель и остаточные доли других тяжелых элементов. Мы провели анализ, но проблем в том, что эти остаточные элементы присутствуют в образце в очень малой концентрации, их там буквально миллионные доли. Если бы это были редкоземельные элементы, скорее всего мы бы их определили, но это элементы из другой группы, которые мы пока в таких маленьких концентрациях определять не можем.

­  – А что же вы нашли?

­ Нашли железо, никель, то, что обычно бывает в железном метеорите.

­  – Криптонита не нашли?

­  – Нет, увы. Возможно в будущем, мы проведем повторный анализ, используя в качестве источника нейтронов наш исследовательский реактор. Большинство метеоритов, где требуется определять вещества в таких маленьких концентрациях исследуют нейтронно-активационным методом на реакторах.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ