Физико-химические основы и метод извлечения единичных атомов германия из галлиевой мишени Ga-Ge детектора (14.09.2009)

Автор: Киреев Сергей Михайлович

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержание изложено на 195 страницах машинописного текста, включает 39 рисунков, 16 таблиц и библиографию из 185 наименований.

Основное содержание работы

Введение. Обосновывается актуальность детектирования солнечных нейтрино и создания Ga-Ge нейтринного детектора, формулируются цели и задачи работы, показана её научная новизна и практическая значимость исследования. Определены основные положения, выносимые автором на защиту.

Глава 1. Методы выделения и детектирования следовых количеств

элементов, применяемые в радиохимии и ядерной физике

Приведён аналитический обзор литературы по теме диссертации. Для радиохимии характерны задачи выделения микроколичеств элементов - при поиске сверхтяжелых элементов (СТЭ); относительно коротко живущих изотопов, образовавшихся на ускорителях и долгоживущих изотопов в природных образцах. Методология детектирования единичных атомов, основанная на анализе продуктов распада, позволила впервые определить химические свойства 112-го элемента и подтвердить синтез новых сверхтяжёлых элементов периодической таблицы Д.И.Менделеева - 114 и 116.

Хлор-аргоновый метод позволят регистрировать довольно энергичные нейтрино, которые составляют всего 0.005 % от полного потока.

37Ar + е (1)

Постановка литиевого эксперимента связана с решением в основном двух проблем: разработкой методики извлечения бериллия из металлического лития и метод счёта извлечённых атомов 7Ве.

7Li +?e ? 7Be + e- (2)

Суть предложенного Кузьминым В.А. эксперимента, способного регистрировать почти полный поток нейтрино, в следующем. Согласно теоретическим расчётам в 60 тоннах галлиевой мишени, помещённой в защитную шахту для устранения фона реакций от космических лучей, поток солнечных нейтрино от взаимодействия с ядрами Ga71 образует единичные атомы (~ 20 ) Ge71c периодом полураспада 11,4 сут. по реакции:

Ga71 + ? ? Ge71 + e-. (3)

Это ограничивает продолжительность технологических операций Ga-Ge детектора 20 часами от начала извлечения Ge из Ga до начала счета импульсов распада единичных атомов Ge71 в пропорциональном счетчике.

Химическая технология нейтринного эксперимента состоит из следующих последовательно проводимых стадий: 1 – извлечение следов германия из дисперсии галлия в кислотно-перекисном растворе; 2 – концентрирование извлечённого германия в водном растворе; 3 – перевод германия из водного раствора в газовую фазу в виде моногермана; 4 – регистрация единичных импульсов от распада радиоактивных атомов германия.

Глава 2. Обзор методов концентрирования и выделения

германия из галлия

Физико-химические свойства галлия и германия рассмотрены с точки зрения процессов, имеющих место при селективном выщелачивании германия из галлия.

Ga и Ge образуют систему простого эвтектического типа. Вырожденная эвтектика по составу и температуре близка к чистому галлию - 6х10-3 мас.% При Т плавления резко снижается растворимость большинства металлов в галлии.

В связи с постановкой нейтринного эксперимента в подземных условиях, значительный интерес вызывают «сухие» методы глубокой очистки галлия. В качестве таких методов рассмотрены: амальгамный, кристаллофизические, электролитическое рафинирование. Более перспективным считается хлоридный и нитридный методы, а также очистка через галлийорганические соединения.

В большинстве случаев для методов глубокой очистки галлия от примесей в лабораторном или полупромышленном масштабе характерны большая длительность во времени и, как правило, высокая трудоёмкость, т.е. речь не идёт о переработке сотен кг металла в течение нескольких часов.

Для выделения германия из галлия в основном получили развитие растворные методы. Давно известны способы очистки галлия от примесей обработкой расплава щелочными и кислотными растворами. Соляная кислота хорошо удаляет примеси, имеющие более отрицательный электропотенциал, чем галлий, такие как: Al, Mg, Si, V, Cr, Zn, Mn. Содержание более электроположительных Sn, Pb, Cu, Fe остаётся почти без изменений. Азотная кислота удаляет примеси Fe, Ni, Cu и т.д. Для удаления Ni, Pb и Zn рекомендуется обработка галлия щелочью. Кислотно-щелочная обработка снижает содержание примесей до 0.01 мас.% и менее. При этом растворяется от 5 до 10 % галлия от его количества в исходном образце.

Рассмотрена возможность извлечения германия из галлия с использованием различного рода диспергаторных устройств в различных кислотных и окислительных средах. Извлечение германия проводили с использованием диспергатора, затем в сепараторе происходило отстаивание дисперсной системы. Специалисты из Брукхевенской национальной лаборатории США рассматривали процесс извлечения Ge из Ga как анодный стриппинг-процесс

( процесс обратный электроосаждению)[3].

Щелочной вариант окислительного метода извлечения германия из галлия исследован более подробно[4].

Глава 3. Априорный анализ возможностей различных методов

для выделения Ge из галлиевой мишени

3.1 «Сухие» (безводные) способы извлечения Ge из Ga

3.1.1. Фильтрация

После расслоения дисперсной системы Ga-соляно-перекисный раствор окисную плёнку галлия отфильтровывали на тантал-керамическом фильтре. Результаты определения Ge и других примесей представлены в таблице 1. Степень извлечения германия фильтрованием составила ~ 71 %. Сравнивая концентрации примесей в Ga, приведённых в 3 и 4 столбцах таблицы 1, можно сделать вывод о том, что плёнка оксида галлия концентрирует содержащиеся в нём примеси: Co, Pb, Zn, Sn, Zr, Ba, Al, Ni, Sb, As, Be, Si, Cd, In, Ag, Bi, Mn. При растворении оксида галлия соляной кислотой сконцентрированные в нём примеси вновь переходят в галлий.

Таблица 1. Содержание примесей в металлическом галлии до и после фильтрования и послех растворения оксида галлия над металлом.

Содержание примесей, мас.%

Примесь До фильтрования После фильтров. Послех фильтров.

Ag 2.7х10-5 <10-6 7.7х10-5

Bi 2.7х10-3 <10-4 1.9х10-3

Co 5.9х10-5 7.7х10-6 8.3х10-5

Cu 5.7х10-5 4.3х10-4 5.1х10-4

Mn <3х10-6 3.4х10-5 4.1х10-5

Pb 5.2х10-5 <10-5 5.4х10-4

Zn <4х10-5 1.8х10-4 8.4х10-4

Al 9.2х10-4 1.4х10-3 2.8х10-3


загрузка...