Нейтронно-активационный анализ - Neutron activation analysis

Нейтронно-активационный анализ (NAA) это ядерный процесс, используемый для определения концентраций элементы в огромном количестве материалов. NAA позволяет дискретное отбор проб элементов, поскольку он игнорирует химическую форму образца и фокусируется исключительно на его ядре. Метод основан на нейтронная активация и поэтому требует источника нейтроны. Образец бомбардируется нейтронами, в результате чего элементы образуют радиоактивные изотопы. В радиоактивные выбросы хорошо известны пути радиоактивного распада каждого элемента. Используя эту информацию, можно изучать спектры выбросов радиоактивного образца и определять концентрации элементов в нем. Особым преимуществом этого метода является то, что он не разрушает образец, поэтому он использовался для анализа произведений искусства и исторических артефактов. NAA также может использоваться для определения Мероприятия радиоактивного образца.

Если НАА проводится непосредственно на облученных образцах, это называется Инструментальный нейтронный активационный анализ (INAA). В некоторых случаях облученные образцы подвергаются химическому разделению для удаления мешающих частиц или для концентрирования интересующего радиоизотопа, этот метод известен как Радиохимический нейтронный активационный анализ (РНКП).

NAA может выполнять неразрушающий анализ твердых тел, жидкостей, суспензий, суспензий и газов без подготовки или с минимальной подготовкой. Из-за проникающей природы падающих нейтронов и результирующего гамма-излучения этот метод обеспечивает истинный объемный анализ. Поскольку разные радиоизотопы имеют разный период полураспада, подсчет может быть отложен, чтобы позволить мешающим видам распадаться, устраняя помехи. До введения ICP-AES и ПИКС, NAA был стандартным аналитическим методом для выполнения многоэлементного анализа с минимальными пределами обнаружения в суб-промилле классифицировать.^[1] Точность NAA находится в районе 5%, а относительная точность часто лучше 0,1%.^[1] У использования NAA есть два заслуживающих внимания недостатка; даже несмотря на то, что метод по существу неразрушающий, облученный образец будет оставаться радиоактивным в течение многих лет после первоначального анализа, что требует правил обращения и захоронения радиоактивных материалов с низким и средним уровнем активности; также сокращается количество подходящих активационных ядерных реакторов; из-за нехватки оборудования для облучения популярность этого метода снизилась, и он стал более дорогим.

Обзор

Нейтронно-активационный анализ - это чувствительныйэлемент аналитический метод, используемый как для качественный и количественный анализ основных, второстепенных, редких и редких элементов. НАА была открыта в 1936 г. Hevesy и Леви, которые обнаружили, что образцы, содержащие определенные редкоземельные элементы стал очень радиоактивный после воздействия источника нейтроны.^[2] Это наблюдение привело к использованию наведенной радиоактивности для идентификации элементов. НАА существенно отличается от других методов спектроскопического анализа тем, что он основан не на электронных переходах, а на ядерных переходах. Для проведения анализа NAA образец помещают в подходящую установку для облучения и бомбардируют нейтронами. Это создает искусственные радиоизотопы присутствующих элементов. После облучения искусственный радиоизотопы распад с испусканием частиц или, что более важно гамма излучение, которые характерны для элемента, из которого они были созданы.

Чтобы процедура NAA была успешной, образец или образец должны быть тщательно отобраны. Во многих случаях небольшие объекты можно облучить и проанализировать в целости и сохранности без отбора проб. Но чаще всего берут небольшой образец, обычно путем просверливания в незаметном месте. Около 50 мг (одна двадцатая часть грамм ) является достаточным образцом, поэтому повреждение объекта сведено к минимуму.^[3] Часто хорошей практикой является удаление двух образцов с помощью двух разных сверл, изготовленных из разных материалов. Это позволит выявить любое загрязнение пробы материалом самого сверла. Затем образец инкапсулируется во флакон, изготовленный из линейного материала высокой чистоты. полиэтилен или же кварц.^[4] Эти пробирки с пробами бывают разных форм и размеров, чтобы в них можно было поместиться много типов проб. Затем образец и стандарт упаковывают и облучают в подходящем реакторе при постоянном известном нейтронном потоке. поток. Типичный реактор, используемый для активации уран деление, обеспечивая высокий нейтронный поток и самую высокую доступную чувствительность для большинства элементов. Поток нейтронов от такого реактора составляет порядка 10¹² нейтроны см⁻² s⁻¹.^[1] Тип генерируемых нейтронов относительно невысок. кинетическая энергия (KE), обычно менее 0,5 эВ. Эти нейтроны называются тепловыми нейтронами. После облучения тепловой нейтрон взаимодействует с ядром-мишенью посредством неупругого столкновения, вызывая захват нейтрона. Это столкновение образует составное ядро, которое находится в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения в составном ядре формируется из энергия связи теплового нейтрона с ядром мишени. Это возбужденное состояние является неблагоприятным, и составное ядро почти мгновенно де-возбуждено (трансмутируется) в более стабильную конфигурацию за счет испускания быстрой частицы и одного или нескольких характерных мгновенных гамма-фотонов. В большинстве случаев эта более стабильная конфигурация дает радиоактивное ядро. Вновь образованное радиоактивное ядро теперь распадается за счет испускания обеих частиц и одного или нескольких характерных задержанных гамма-фотонов. Этот процесс распада происходит гораздо медленнее, чем начальное снятие возбуждения, и зависит от уникального периода полураспада радиоактивного ядра. Эти уникальные периоды полураспада зависят от конкретных радиоактивных частиц и могут составлять от долей секунды до нескольких лет. После облучения образец оставляют на определенный период распада, а затем помещают в детектор, который будет измерять ядерный распад в соответствии с испускаемыми частицами или, что более часто, испускаемыми гамма-лучами.^[1]

Вариации

NAA может варьироваться в зависимости от ряда экспериментальных параметров. Кинетическая энергия нейтронов, используемых для облучения, будет основным экспериментальным параметром. Приведенное выше описание относится к активации медленными нейтронами, медленные нейтроны полностью замедляются в реакторе и имеют KE <0,5 эВ. Средние нейтроны KE также могут быть использованы для активации, эти нейтроны были только частично замедлены и имеют KE от 0,5 эВ до 0,5 МэВ, и называются надтепловыми нейтронами. Активация эпитепловыми нейтронами известна как эпитермальный NAA (ENAA). Для активации иногда используются нейтроны с высоким KE, эти нейтроны немодерированы и состоят из нейтронов первичного деления. Высокие KE или быстрые нейтроны имеют KE> 0,5 МэВ. Активация быстрыми нейтронами называется Fast NAA (FNAA). Еще одним важным экспериментальным параметром является то, измеряются ли продукты ядерного распада (гамма-лучи или частицы) во время нейтронного облучения (оперативная гамма ), или через некоторое время после облучения (задержанная гамма, DGNAA). PGNAA обычно выполняется с использованием потока нейтронов, отводимого от ядерного реактора через порт для пучка. Потоки нейтронов из окон пучка порядка 10⁶ раз слабее, чем внутри реактора. Это отчасти компенсируется размещением детектора очень близко к образцу, что снижает потерю чувствительности из-за низкого потока. PGNAA обычно применяется для элементов с чрезвычайно высоким захватом нейтронов. поперечные сечения; элементы, которые распадаются слишком быстро, чтобы их можно было измерить с помощью DGNAA; элементы, которые производят только стабильные изотопы; или элементы со слабой интенсивностью гамма-излучения распада. PGNAA характеризуется коротким временем облучения и коротким временем распада, часто порядка секунд и минут. DGNAA применим к подавляющему большинству элементов, образующих искусственные радиоизотопы. Анализ DG часто выполняется в течение нескольких дней, недель или даже месяцев. Это улучшает чувствительность к долгоживущим радионуклидам, так как позволяет короткоживущим радионуклидам распадаться, эффективно устраняя помехи. DGNAA характеризуется длительным временем облучения и длительным временем распада, часто порядка часов, недель или дольше.

Ядерные процессы, происходящие при облучении кобальта нейтронами

Источники нейтронов

может использоваться ряд различных источников:

Ядерный реактор
An актиноид Такие как калифорний который испускает нейтроны в результате спонтанного деления
Альфа-источник, такой как радий или же америций, смешанный с бериллий; это генерирует нейтроны посредством a (α,¹²C + n) реакция
Реакция синтеза D-T в газоразрядная трубка

Реакторы

Некоторые реакторы используются для нейтронного облучения образцов для радиоизотоп продукция различного назначения. Образец может быть помещен в контейнер для облучения, который затем помещается в реактор; если для облучения требуются надтепловые нейтроны, то кадмий может использоваться для фильтрации тепловых нейтронов.

Фузоры

Относительно простой Фарнсворт – Хирш фузор может использоваться для генерации нейтронов для экспериментов НАА. Преимущества этого типа устройств заключаются в том, что они компактны, часто имеют размер настольного, и их можно просто включать и выключать. Недостатком является то, что этот тип источника не будет производить нейтронный поток, который может быть получен с помощью реактора.

Источники изотопов

Для многих рабочих в этой области реактор - это слишком дорогое изделие, вместо этого обычно используют источник нейтронов, в котором используется комбинация альфа-излучателя и бериллия. Эти источники обычно намного слабее реакторов.

Газоразрядные трубки

Их можно использовать для создания импульсов нейтронов, они использовались для некоторых активационных работ, когда распад целевого изотопа происходит очень быстро. Например, в нефтяных скважинах.^[5]

Детекторы

Гамма-сцинтилляционный детектор для нейтронно-активационного анализа с аналитиком лаборатории судебной экспертизы ATF в Вашингтоне, округ Колумбия (1966 г.)

В NAA используется ряд типов и конфигураций детекторов. Большинство из них предназначены для обнаружения испускаемых гамма-излучение. Наиболее распространенными типами гамма-детекторов, встречающихся в NAA, являются: ионизация газа тип, мерцание тип и полупроводник тип. Из них наиболее широко используются сцинтилляционные и полупроводниковые. Используются две конфигурации детектора: планарный детектор, используемый для PGNAA, и детектор лунки, используемый для DGNAA. Планарный детектор имеет плоскую большую поверхность сбора и может быть размещен рядом с образцом. Детектор лунок «окружает» образец большой площадью поверхности сбора.

В детекторах сцинтилляционного типа используется радиационно-чувствительный кристалл, чаще всего йодид натрия, легированный таллием (NaI (Tl)), который излучает свет при попадании гамма-квантов. Эти детекторы обладают превосходной чувствительностью и стабильностью, а также разумным разрешением.

В полупроводниковых детекторах используется полупроводниковый элемент. германий. Германий обрабатывается, чтобы сформировать p-i-n (положительный-внутренний-отрицательный) диод, а при охлаждении до ~ 77 K к жидкий азот уменьшить темное течение и шум детектора, создает сигнал, который пропорционален энергии фотонов входящего излучения. Существует два типа германиевых детекторов: германий с дрейфом лития или Ge (Li) (произносится как «желе») и германий высокой чистоты или HPGe. кремний также можно использовать, но предпочтителен германий, поскольку его более высокий атомный номер делает его более эффективным при остановке и обнаружении гамма-излучения высокой энергии. Как Ge (Li), так и HPGe-детекторы имеют отличную чувствительность и разрешение, но Ge (Li) -детекторы нестабильны при комнатной температуре, так как литий дрейфует в внутренний область, разрушающая детектор. Эта проблема была решена с помощью разработки неориентированного германия высокой чистоты.

Детекторы частиц могут также использоваться для обнаружения излучения альфа (α) и бета (β) частицы, которые часто сопровождают испускание гамма-фотона, но менее благоприятны, поскольку эти частицы испускаются только с поверхности образца и часто поглощаются или ослабляются атмосферными газами, что требует больших затрат вакуум условия для эффективного обнаружения. Гамма-лучи, однако, не поглощаются и не ослабляются атмосферными газами, а также могут выходить из глубины образца с минимальным поглощением.

Аналитические возможности

NAA может обнаруживать до 74 элементов в зависимости от экспериментальной процедуры с минимальными пределами обнаружения от 0,1 до 1x10.⁶ нг г⁻¹ в зависимости от исследуемого элемента. Более тяжелые элементы имеют более крупные ядра, поэтому они имеют большее сечение захвата нейтронов и с большей вероятностью активируются. Некоторые ядра могут захватывать несколько нейтронов и оставаться относительно стабильными, не подвергаясь трансмутации или распаду в течение многих месяцев или даже лет. Другие ядра распадаются мгновенно или образуют только стабильные изотопы и могут быть идентифицированы только с помощью PGNAA.

Расчетные пределы обнаружения для INAA с использованием гамма-излучения распада (при условии облучения в потоке нейтронов реактора 1 × 10¹³ п см⁻² s⁻¹)^[2]
Чувствительность (пикограммы)	Элементы
1	Dy, Eu
1–10	In, Lu, Mn
10–100	Au, Ho, Ir, Re, Sm, W
100–1000	Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, Cs, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb, Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb
1000–10⁴	Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni, Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te, Zn, Zr
10⁴–10⁵	Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y
10⁵–10⁶	F, Fe, Nb, Ne
10⁷	Pb, S

Приложения

Анализ активации нейтронов имеет широкий спектр приложений, в том числе в областях археология, почвоведение, геология, криминалистика, а полупроводниковая промышленность. С судебной точки зрения, волосы, подвергнутые подробному судебно-медицинскому нейтронному анализу, чтобы определить, получены ли они от одних и тех же людей, впервые использовались в судебном разбирательстве Джон Норман Коллинз.^[6]

Археологи используют NAA, чтобы определить элементы, из которых состоят определенные артефакты. Этот метод используется потому, что он неразрушающий и может связать артефакт с его источником по его химической сигнатуре. Этот метод оказался очень успешным при определении торговых путей, особенно для обсидиана, благодаря способности NAA различать химический состав. В сельскохозяйственных процессах движение удобрений и пестицидов зависит от поверхностных и подземных движений, поскольку они проникают в источники воды. Чтобы отслеживать распределение удобрений и пестицидов, бромид-ионы в различных формах используются в качестве индикаторов, которые свободно перемещаются с потоком воды при минимальном взаимодействии с почвой. Нейтронно-активационный анализ используется для измерения бромида, поэтому экстракция не требуется для анализа. NAA используется в геологии, чтобы помочь в исследовании процессов, которые сформировали горные породы, путем анализа редкоземельных элементов и микроэлементов. Он также помогает находить залежи руды и отслеживать определенные элементы. Нейтронно-активационный анализ также используется для создания стандартов в полупроводниковой промышленности. Полупроводники требуют высокого уровня чистоты, а загрязнение значительно снижает качество полупроводника. NAA используется для обнаружения следов примесей и установления стандартов загрязнения, так как требует ограниченного обращения с пробами и высокой чувствительности.^[7]

Смотрите также

Изотопный реактор с высоким потоком (HFIR) в Oak Ridge National Labs NAA.
Нейтронный поток
Нейтронная гаубица