Нейтронно-активационный анализ - Neutron activation analysis

Нейтронно-активационный анализ (NAA) - это ядерный процесс, используемый для определения концентраций элементов в огромном количестве материалов. NAA позволяет дискретный отбор элементов, поскольку он игнорирует химическую форму образца и сосредотачивается исключительно на его ядре. Метод основан на нейтронной активации и поэтому требует источника нейтронов . Образец бомбардируется нейтронами, в результате чего элементы образуют радиоактивные изотопы. В радиоактивных выбросах и радиоактивные пути распада для каждого элемента, хорошо известны. Используя эту информацию, можно изучить спектры выбросов радиоактивного образца и определить концентрации элементов в нем. Особым преимуществом этого метода является то, что он не разрушает образец, и поэтому он использовался для анализа произведений искусства и исторических артефактов. NAA также можно использовать для определения активности радиоактивного образца.

Если NAA проводится непосредственно на облученных образцах, это называется инструментальным нейтронно-активационным анализом (INAA). В некоторых случаях облученные образцы подвергаются химическому разделению для удаления мешающих частиц или концентрации интересующего радиоизотопа, этот метод известен как радиохимический нейтронно-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 появления ICP-AES и PIXE NAA был стандартным аналитическим методом для выполнения многоэлементного анализа с минимальными пределами обнаружения в диапазоне ниже ppm . Точность NAA находится в районе 5%, а относительная точность часто лучше 0,1%. У использования NAA есть два заслуживающих внимания недостатка; даже несмотря на то, что метод является в основном неразрушающим, 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

Нейтронный активационный анализ является чувствительным мульти- элемента аналитического метод используется как для качественного и количественного анализа крупных, малых, и след редких элементов. NAA был обнаружен в 1936 году Хевеши и Леви, который обнаружил , что образцы , содержащие определенные редкоземельные элементы стали сильно радиоактивны после воздействия источника нейтронов . Это наблюдение привело к использованию наведенной радиоактивности для идентификации элементов. НАА значительно 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 искусственные радиоизотопы распадаются с испусканием частиц или, что более важно, гамма-лучей , которые характерны для элемента, из которого они были испущены.

Чтобы процедура NAA была успешной, образец или образец должны быть тщательно отобраны. Во многих случаях небольшие объекты можно облучать и анализировать в целости и сохранности без отбора проб. Но чаще всего берут небольшой образец, обычно путем просверливания в незаметном месте. Примерно 50 мг (одна двадцатая грамма ) - достаточный образец, поэтому повреждение объекта сведено к минимуму. Часто хорошей практикой является удаление двух образцов с помощью двух разных сверл, изготовленных из разных материалов. Это позволит выявить любое загрязнение пробы материалом самого бурового долота. Затем образец инкапсулируют во флакон, сделанный либо из линейного полиэтилена высокой чистоты, либо из кварца . Эти пробирки для образцов бывают разных форм и размеров, чтобы вместить много типов образцов. Затем образец и стандарт упаковывают и облучают в подходящем реакторе при постоянном известном потоке нейтронов . Типичный реактор, используемый для активации, использует деление урана , обеспечивая высокий нейтронный поток и самую высокую доступную чувствительность для большинства элементов. Поток нейтронов от такого реактора составляет порядка 10 12 нейтронов см -2 с -1 . Типы генерируемых нейтронов имеют относительно низкую кинетическую энергию (KE), обычно менее 0,5 эВ . Эти нейтроны называются тепловыми нейтронами. При облучении 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 энергии связи теплового нейтрона с ядром-мишенью. Это возбужденное состояние является неблагоприятным, и составное ядро ​​будет почти мгновенно девозбуждать (трансмутировать) в более стабильную конфигурацию посредством 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, как правило, испускаемыми гамма-лучами.

Вариации

NAA может варьироваться в зависимости от ряда экспериментальных параметров. Кинетическая энергия нейтронов, используемых для облучения, будет основным экспериментальным параметром. Приведенное выше описание касается активации медленными нейтронами, медленные нейтроны полностью замедляются в реакторе и имеют KE <0,5 эВ. Средние нейтроны KE также могут использоваться 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). Другой важный экспериментальный параметр - измеряются ли продукты ядерного распада (гамма-лучи или частицы) во время нейтронного облучения ( быстрое гамма-излучение ) или через некоторое время после облучения (задержанное гамма-излучение, DGNAA). PGNAA обычно выполняется с использованием потока нейтронов, отводимого от ядерного реактора через порт для пучка. Потоки нейтронов из окон пучка в 10 6 раз слабее, чем внутри реактора. Это несколько компенсируется размещением детектора очень близко к образцу, что снижает потерю чувствительности из-за низкого потока. PGNAA обычно применяется к элементам с чрезвычайно высокими сечениями захвата нейтронов ; элементы, которые распадаются слишком быстро, чтобы их можно было измерить с помощью DGNAA; элементы, производящие только стабильные изотопы ; или элементы со слабой интенсивностью гамма-излучения распада. PGNAA характеризуется коротким временем облучения и коротким временем затухания, 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, поскольку 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:

Реакторы

Некоторые реакторы используются для нейтронного облучения образцов для производства радиоизотопов в различных целях. Образец может быть помещен в контейнер для облучения, который затем помещается в реактор; если для облучения требуются надтепловые нейтроны, то кадмий можно использовать для фильтрации тепловых нейтронов.

Фузоры

Относительно простой фузор Фарнсворта-Хирша можно использовать 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.

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 испускаемого гамма-излучения . Наиболее распространенными типами гамма-детекторов, встречающихся в NAA, являются детекторы с газовой ионизацией , сцинтилляционные и полупроводниковые . 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 площадь собирающей поверхности 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 воздействии гамма-квантов. Эти детекторы обладают превосходной чувствительностью и стабильностью, а также разумным разрешением.

Полупроводниковые детекторы используют германий полупроводниковый элемент . Германий обрабатывается , чтобы сформировать штифт (положительной внутренней-отрицательной) диода , и при охлаждении до ~ 77 K с помощью жидкого азота , чтобы уменьшить темновой ток и шум детектора, формирует сигнал , который пропорционален энергии фотона входящего излучения. Существует два типа германиевых детекторов: германий с дрейфом лития, или Ge (Li) (произносится как «желе»), и германий высокой чистоты, или HPGe. Кремний полупроводниковый элемент также может быть использован, но германий является предпочтительным, 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, дрейфующий во внутреннюю область, разрушает детектор. Эта проблема была решена с помощью разработки необработанного германия высокой чистоты.

Детекторы частиц также могут использоваться для обнаружения испускания альфа (α) и бета (β) -частиц, которые часто сопровождают испускание гамма-фотона, но менее благоприятны, поскольку эти частицы испускаются только с поверхности образца и часто поглощается или ослабляется атмосферными газами, что требует для эффективного обнаружения дорогостоящих условий вакуума . Однако гамма-лучи не поглощаются и не ослабляются атмосферными газами, а также могут выходить из глубины образца с минимальным поглощением.

Аналитические возможности

НАА может обнаружить до 74 элементов , в зависимости от экспериментальной процедуры, с пределами обнаружения минимального в пределах от 0,1 до 1x10 6 нг г -1 в зависимости от элемента под следствием. Более тяжелые элементы имеют более крупные ядра, поэтому они имеют большее сечение захвата нейтронов и с большей вероятностью будут активированы. 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 1х10 13 н см -2 с -1 )
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
1000–10 4 Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni, Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te, Zn, Zr
10 4 –10 5 Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y
10 5 –10 6 F, Fe, Nb, Ne
10 7 Pb, S

Приложения

Нейтронно-активационный анализ имеет широкий спектр приложений, в том числе в области археологии , почвоведения , геологии , судебной экспертизы и полупроводниковой промышленности . С судебной экспертизы волосы, подвергнутые детальному судебно-медицинскому нейтронному анализу, чтобы определить, получены ли они от одних и тех же людей, впервые использовались в судебном процессе над Джоном Норманом Коллинзом .

Археологи используют NAA для определения элементов, составляющих 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 маршрутов, особенно для обсидиана, благодаря способности NAA различать химический состав. В сельскохозяйственных процессах перемещение удобрений и пестицидов зависит от поверхностных и подземных перемещений, 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 загрязнения значительно снижают качество полупроводника. NAA используется для обнаружения следов примесей и установления стандартов загрязнения, так как требует ограниченного обращения с пробами и высокой чувствительности.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ a b c d Поллард, AM, Херон, C., 1996, Археологическая химия . Кембридж, Королевское химическое общество.
  2. ^ a b Обзор NAA
  3. ^ [1] Архивировано 6 апреля 2005 г., в Wayback Machine.
  4. ^ «Анализ активации нейтронов, Ядерные службы, NRP» . Архивировано из оригинала на 2013-01-28 . Проверено 13 апреля 2006 .
  5. ^ Результаты поиска - Глоссарий по нефтяным месторождениям Schlumberger
  6. ^ Киз, Эдвард (1976). Убийства в Мичигане . Ридерз Дайджест Пресс. ISBN   978-0-472-03446-8 .
  7. ^ Приложения NAA