Нейтронно-активационный анализ
| Наука с нейтронами |
|---|
 |
| Фонды |
| Рассеяние нейтронов |
| Другие приложения |
|
| Инфраструктура |
|
| Нейтронные установки |
Нейтронно-активационный анализ ( NAA ) — это ядерный процесс, используемый для определения концентрации элементов во многих материалах. NAA позволяет дискретно отбирать образцы элементов, поскольку не учитывает химическую форму образца и фокусируется исключительно на атомных ядрах. Метод основан на нейтронной активации и поэтому требует источника нейтронов . Образец бомбардируется нейтронами , в результате чего его составные элементы образуют радиоактивные изотопы. Радиоактивные выбросы и пути радиоактивного распада каждого элемента уже давно изучены и определены. Используя эту информацию, можно изучить спектры выбросов радиоактивного образца и определить концентрации различных элементов в нем. Особым преимуществом этого метода является то, что он не разрушает образец и поэтому используется для анализа произведений искусства и исторических артефактов. NAA также можно использовать для определения активности радиоактивного образца.
Если НАА проводится непосредственно на облученных образцах, это называется инструментальным нейтронно-активационным анализом ( ИНАА ). В некоторых случаях облученные образцы подвергаются химическому разделению для удаления мешающих частиц или для концентрации интересующего радиоизотопа; этот метод известен как радиохимический нейтронно-активационный анализ ( РНКА ).
NAA может выполнять неразрушающий анализ твердых веществ, жидкостей, суспензий, суспензий и газов без подготовки или с минимальной подготовкой. Благодаря проникающей природе падающих нейтронов и образующихся в результате гамма-лучей этот метод обеспечивает настоящий объемный анализ. Поскольку разные радиоизотопы имеют разные периоды полураспада, подсчет может быть отложен, чтобы позволить мешающим веществам распасться, устраняя помехи. До появления ICP-AES и PIXE NAA был стандартным аналитическим методом для выполнения многоэлементного анализа с минимальными пределами обнаружения в диапазоне субчастей на миллион . [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 соблюдения протоколов обращения и утилизации радиоактивных материалов низкого и среднего уровня; также сокращается количество пригодных для активации ядерных реакторов; из-за отсутствия оборудования для облучения популярность этого метода снизилась и он стал более дорогим.
Обзор [ править ]
Нейтронно-активационный анализ — это чувствительный многоэлементный аналитический метод, используемый как для качественного , так и для количественного анализа основных, второстепенных, редких и редких элементов. NAA была открыта в 1936 году Хевеши и Леви, которые обнаружили, что образцы, содержащие определенные редкоземельные элементы, становятся высокорадиоактивными после воздействия источника нейтронов. [2] Это наблюдение привело к использованию наведенной радиоактивности для идентификации элементов. НАА существенно отличается от других методов спектроскопического анализа тем, что в его основе лежат не электронные, а ядерные переходы. 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 , характерных для элемента, из которого они были испущены.
Чтобы процедура NAA прошла успешно, необходимо тщательно отобрать образец или образец. Во многих случаях небольшие объекты можно облучать и анализировать в целости и сохранности без необходимости отбора проб. Но чаще всего отбирается небольшая проба, обычно путем сверления в незаметном месте. Около 50 мг (одна двадцатая грамма ) — достаточная проба, поэтому повреждение объекта сводится к минимуму. [3] Часто рекомендуется брать два образца с помощью двух разных сверл, изготовленных из разных материалов. Это позволит выявить любое загрязнение образца материалом самого сверла. Затем образец инкапсулируют во флакон, изготовленный либо из линейного полиэтилена высокой чистоты , либо из кварца . [4] Эти флаконы для образцов бывают разных форм и размеров, подходящие для разных типов образцов. Затем образец и стандарт упаковывают и облучают в подходящем реакторе при постоянном известном потоке нейтронов . Типичный реактор, используемый для активации, использует урана деление , обеспечивая высокий поток нейтронов и максимально возможную чувствительность к большинству элементов. Поток нейтронов из такого реактора составляет порядка 10 12 нейтроны см −2 с −1 . [1] Генерируемые нейтроны имеют относительно низкую кинетическую энергию (КЭ), обычно менее 0,5 эВ . Эти нейтроны называются тепловыми нейтронами. При облучении тепловой нейтрон взаимодействует с ядром мишени посредством неупругого столкновения, вызывая захват нейтрона. В результате этого столкновения образуется составное ядро, находящееся в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения внутри составного ядра формируется за счет энергии связи теплового нейтрона с ядром-мишенью. Это возбужденное состояние является неблагоприятным, и составное ядро почти мгновенно девозбуждается (трансмутирует) в более стабильную конфигурацию посредством испускания мгновенной частицы и одного или нескольких характерных мгновенных гамма-фотонов. В большинстве случаев эта более стабильная конфигурация дает радиоактивное ядро. Вновь образовавшееся радиоактивное ядро теперь распадается за счет испускания обеих частиц и одного или нескольких характерных задержанных гамма-фотонов. Этот процесс распада происходит гораздо медленнее, чем первоначальное снятие возбуждения, и зависит от уникального периода полураспада радиоактивного ядра. Эти уникальные периоды полураспада зависят от конкретного вида радиоактивных веществ и могут варьироваться от долей секунды до нескольких лет. После облучения образец оставляют на определенный период распада, а затем помещают в детектор, который будет измерять ядерный распад либо по испускаемым частицам, либо, что чаще, по испускаемым гамма-излучениям. [1]
Вариации [ править ]
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 внутри реактора и имеют KE <0,5 эВ. Для активации также могут использоваться нейтроны со средним КЭ. Эти нейтроны лишь частично замедлились и имеют КЭ от 0,5 эВ до 0,5 МэВ и называются эпитепловыми нейтронами. Активация эпитепловыми нейтронами известна как эпитермальная НАА (ЭНАА). Для активации иногда используются нейтроны с высокой КЭ, эти нейтроны не замедлились и состоят из первичных нейтронов деления. Высокие КЭ или быстрые нейтроны имеют КЭ >0,5 МэВ. Активация быстрыми нейтронами называется быстрым NAA (FNAA).Еще одним важным экспериментальным параметром является то, измеряются ли продукты ядерного распада (гамма-лучи или частицы) во время нейтронного облучения ( мгновенная гамма ) или через некоторое время после облучения (замедленная гамма, DGNAA). PGNAA обычно выполняется с использованием потока нейтронов, отводящегося из ядерного реактора через пучковый порт. Потоки нейтронов из пучковых портов порядка 10. 6 раз слабее, чем внутри реактора. Это в некоторой степени 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 распада гамма-излучения. PGNAA характеризуется коротким временем облучения и коротким временем затухания, часто порядка секунд и минут.ДГНАА применима к подавляющему большинству элементов, образующих искусственные радиоизотопы. Анализы DG часто выполняются в течение нескольких дней, недель или даже месяцев. Это повышает чувствительность к долгоживущим радионуклидам, поскольку позволяет короткоживущим радионуклидам распадаться, эффективно устраняя помехи. ДГНАА характеризуется длительным временем облучения и длительным временем затухания, часто порядка часов, недель или дольше.
Источники нейтронов [ править ]
Можно использовать различные источники:
- Ядерный реактор
- Актиноид , такой как калифорний , который испускает нейтроны в результате спонтанного деления.
- Источник альфа-излучения, такой как радий или америций , смешанный с бериллием ; это генерирует нейтроны с помощью (α, 12 C+n) реакция
- Реакция синтеза DT в газоразрядной трубке
Реакторы [ править ]
Некоторые реакторы используются для нейтронного облучения образцов для производства радиоизотопов различного назначения. Образец можно поместить в контейнер для облучения, который затем помещают в реактор; если для облучения необходимы эпитепловые нейтроны, то кадмий для фильтрации тепловых нейтронов можно использовать .
Фузоры [ править ]
Относительно простой фузор Фарнсворта – Хирша можно использовать для генерации нейтронов для экспериментов НАА. Преимущество такого рода устройств в том, что они компактны, часто размером с настольный компьютер, и их можно просто выключать и включать. Недостатком является то, что этот тип источника не будет производить тот поток нейтронов, который можно получить с помощью реактора.
Источники изотопов [ править ]
Для многих работников реактор является слишком дорогой вещью; вместо этого обычно используется источник нейтронов, в котором используется комбинация альфа-излучателя и бериллия. Эти источники, как правило, намного слабее, чем реакторы.
Газоразрядные трубки [ править ]
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 [ править ]
В NAA используется несколько типов и конфигураций детекторов. Большинство из них предназначены для обнаружения испускаемого гамма-излучения . Наиболее распространенными типами гамма-детекторов, встречающихся в НАА, являются газовый ионизационный тип, сцинтилляционный тип и полупроводниковый тип. Из них наиболее широко используются сцинтилляционный и полупроводниковый тип. Используются две конфигурации детектора: планарный детектор, используемый для PGNAA, и луночный детектор, используемый для DGNAA. Планарный детектор имеет плоскую большую площадь поверхности сбора и может располагаться близко к образцу. 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-фотонов. Эти детекторы обладают превосходной чувствительностью и стабильностью, а также разумным разрешением.
Полупроводниковые детекторы используют полупроводниковый элемент германий . Германий обрабатывается для формирования штыревого (положительного-отрицательного) диода , и при охлаждении до ~ 77 К жидким азотом для уменьшения темнового тока и шума детектора генерирует сигнал, пропорциональный энергии фотонов падающего излучения. Существует два типа германиевых детекторов: литий-дрейфовый германий или Ge(Li) (произносится как «желе») и германий высокой чистоты или HPGe. Также можно использовать полупроводниковый элемент кремний , но предпочтителен германий, поскольку его более высокий атомный номер делает его более эффективным в остановке и обнаружении гамма-лучей высокой энергии. Детекторы Ge(Li) и HPGe обладают превосходной чувствительностью и разрешением, но детекторы Ge(Li) нестабильны при комнатной температуре, а дрейф лития в собственную область разрушает детектор. Разработка недрейфового германия высокой чистоты позволила решить эту проблему.
Детекторы частиц также можно использовать для обнаружения испускания альфа- (α) и бета -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, требуются дорогостоящие вакуумные для эффективного обнаружения которых условия. Однако гамма-лучи не поглощаются и не ослабляются атмосферными газами, а также могут выходить из глубины образца с минимальным поглощением.
Аналитические возможности [ править ]
НАА может обнаружить до 74 элементов в зависимости от методики эксперимента 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 некоторое количество 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.
| Чувствительность (пикограммы) | Элементы |
|---|---|
| 1 | Ты, Ю |
| 1–10 | Ин, Лу, Мн |
| 10–100 | Au, Ho, Ir, Re, Sm, W |
| 100–1000 | Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, C, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb |
| 1000–10 4 | Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Cr, 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 | Пб, С |
Приложения [ править ]
Нейтронно-активационный анализ имеет широкий спектр применений, в том числе в области археологии , почвоведения , геологии , криминалистики и полупроводниковой промышленности . С криминалистической точки зрения, волосы, подвергнутые детальному судебно-медицинскому нейтронному анализу, чтобы определить, принадлежат ли они одним и тем же людям, впервые были использованы в суде над Джоном Норманом Коллинзом . [6]
Археологи используют NAA, чтобы определить элементы, из которых состоят те или иные артефакты. Этот метод используется потому, что он неразрушающий и позволяет 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 на перемещение удобрений и пестицидов влияют поверхностные и подземные движения, 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, минимально взаимодействуя с почвой. Нейтронно-активационный анализ используется для измерения бромида, поэтому для анализа не требуется экстракция. NAA используется в геологии для изучения процессов формирования горных пород посредством анализа редкоземельных и микроэлементов. Он также помогает в обнаружении месторождений руды и отслеживании определенных элементов. 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, поскольку требует ограниченной обработки проб и высокой чувствительности. [7]
См. также [ править ]
- Высокопоточный изотопный реактор (HFIR) в Национальной лаборатории Ок-Ридж обладает возможностями NAA.
- Нейтронный поток
- Нейтронная гаубица
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Поллард А.М., Херон К., 1996, Археологическая химия . Кембридж, Королевское химическое общество.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Обзор НАА
- ^ [1] Архивировано 6 апреля 2005 г., в Wayback Machine.
- ^ «Нейтронно-активационный анализ, ядерные службы, NRP» . Архивировано из оригинала 11 апреля 2013 г. Проверено 13 апреля 2006 г.
- ^ Результаты поиска - Глоссарий нефтяных месторождений Schlumberger
- ^ Киз, Эдвард (1976). Убийства в Мичигане . Ридерз Дайджест Пресс. ISBN 978-0-472-03446-8 .
- ^ Приложения NAA
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
