Анализ активации нейтронов

Анализ активации нейтронов ( NAA ) - это ядерный процесс, используемый для определения концентраций элементов во многих материалах. NAA допускает дискретную выборку элементов, когда он игнорирует химическую форму образца и фокусируется исключительно на атомных ядрах. Метод основан на активации нейтронов и, следовательно, требует источника нейтронов . Образец бомбардируется нейтронами , в результате чего его составляющие элементы образуют радиоактивные изотопы. Радиоактивные выбросы и пути радиоактивного распада для каждого элемента давно изучались и определены. Используя эту информацию, можно изучить спектры выбросов радиоактивного образца и определить концентрации различных элементов внутри него. Особое преимущество этого метода заключается в том, что он не разрушает выборку и, таким образом, использовался для анализа произведений искусства и исторических артефактов. NAA также можно использовать для определения активности радиоактивного образца.

Если NAA проводится непосредственно на облученных образцах, его называют инструментальной анализом активации нейтронов ( INAA ). В некоторых случаях облученные образцы подвергаются химическому разделению для удаления мешающих видов или концентрации интересующего радиоизотопа; Этот метод известен как анализ радиохимической активации нейтронов ( RNAA ).

NAA может провести неразрушающий анализ на твердые вещества, жидкости, суспензии, суспензии и газы без или минимальной подготовки. Из -за проникающего характера падающих нейтронов и результирующих гамма -лучей, метод обеспечивает истинный объемный анализ. Поскольку разные радиоизотопы имеют разные периоды полураспада, подсчет может быть отложено, чтобы позволить мешать нарушению видов устранения помех. До введения ICP-AES и Pixe NAA стал стандартным аналитическим методом для выполнения многоэлементного анализа с минимальными пределами обнаружения в диапазоне PPM . ^{[ 1 ]} Точность NAA находится в области 5%, а относительная точность часто лучше, чем 0,1%. ^{[ 1 ]} Есть два примечательных недостатка в использовании NAA; Несмотря на то, что методика по существу неразрушающая, облученная образец будет оставаться радиоактивной в течение многих лет после первоначального анализа, требуя протоколов обработки и утилизации для радиоактивного материала низкого уровня до среднего уровня; Кроме того, количество подходящих ядерных реакторов активации снижается; Благодаря отсутствию облученных объектов, техника снизилась в популярности и стала более дорогой.

Обзор

Анализ активации нейтронов- это чувствительный многоэлементный аналитический метод, используемый как для качественного , так и для количественного анализа основных, незначительных, следов и редких элементов. NAA был обнаружен в 1936 году Хевеси и Леви, которые обнаружили, что образцы, содержащие определенные редкозвездочные элементы, стали очень радиоактивными после воздействия источника нейтронов. ^{[ 2 ]} Это наблюдение привело к использованию индуцированной радиоактивности для идентификации элементов. NAA значительно отличается от других спектроскопических аналитических методов тем, что он основан не на электронных переходах, а на ядерных переходах. Чтобы провести анализ NAA, образец помещается в подходящее облучение и бомбардируется нейтронами. Это создает искусственные радиоизотопы присутствующих элементов. После облучения искусственные радиоизотопы разрушаются с излучением частиц или, что более важно, гамма -лучи , которые характерны для элемента, из которого они испускались.

Чтобы процедура NAA была успешной, образец или образец должны быть тщательно выбраны. Во многих случаях небольшие объекты могут быть облучены и проанализированы нетронутыми без необходимости отбора проб. Но, чаще, принимается небольшая выборка, обычно путем бурения в незаметном месте. Около 50 мг (один двадцатый грамм ) является достаточным образцом, поэтому повреждение объекта сводится к минимуму. ^{[ 3 ]} Часто хорошая практика, чтобы удалить два образца, используя два различных бита для буровых изделий, изготовленных из разных материалов. Это выявит любое загрязнение образца из самого материала из бурового бита. Затем образец инкапсулируют в флакон, изготовленный из линейного полиэтилена высокой чистоты или кварца . ^{[ 4 ]} Эти образцы флаконов бывают разных форм и размеров для размещения многих типов образцов. Образец и стандарт затем упаковывают и облучают в подходящем реакторе при постоянном, известном потоке нейтронов . Типичный реактор, используемый для активации, использует урановое деление , обеспечивающее высокий поток нейтронов и самую высокую доступную чувствительность для большинства элементов. Поток нейтронов от такого реактора находится в порядке 10 ¹² Нейтроны Cm ⁻² с ⁻¹. ^{[ 1 ]} Тип генерируемых нейтронов имеет относительно низкую кинетическую энергию (KE), как правило, менее 0,5 эВ . Эти нейтроны называются тепловыми нейтронами. После облучения тепловой нейтрон взаимодействует с ядром-мишенью через неэластическое столкновение, вызывая захват нейтронов. Это столкновение образует составное ядро, которое находится в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения в составном ядре образуется из энергии связывания теплового нейтрона с ядром -мишенью. Это возбужденное состояние является неблагоприятным, и составное ядро будет почти мгновенно отключить (трансмутат) в более стабильную конфигурацию посредством излучения оперативной частицы и одного или нескольких характерных приглашенных гамма-фотонов. В большинстве случаев эта более стабильная конфигурация дает радиоактивное ядро. Недавно сформированное радиоактивное ядро теперь распадается из -за излучения как частиц, так и одного или нескольких характерных заложенных гамма -фотонов. Этот процесс распада находится на гораздо более медленной скорости, чем начальный детектирование, и зависит от уникального периода полураспада радиоактивного ядра. Эти уникальные периоды полураспада зависят от конкретных радиоактивных видов и могут варьироваться от фракций секунды до нескольких лет. После облучения образец оставляется в течение определенного периода распада, а затем помещается в детектор, который будет измерять ядерный распад в соответствии с испускаемыми частицами, либо, скорее всего, излучаемых 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 имеет активацию медленными нейтронами, медленные нейтроны полностью модерируются в реакторе и имеют Ke <0,5 эВ. Средние Ke -нейтроны также могут использоваться для активации, эти нейтроны были частично модерированы и имеют KE от 0,5 эВ до 0,5 МэВ и называются эпитермальными нейтронами. Активация эпитермальными нейтронами известна как эпитермальный NAA (ENAA). Высокие Ke -нейтроны иногда используются для активации, эти нейтроны нерегулированы и состоят из первичных нейтронов деления. Высокие KE или быстрые нейтроны имеют KE> 0,5 МэВ. Активация с быстрыми нейтронами называют быстрым NAA (FNAA). Другим основным экспериментальным параметром является то, измеряются ли продукты ядерного распада (гамма -лучи или частицы) во время облучения нейтронов ( приглашенная гамма ) или в некоторое время после облучения (отсроченная гамма, dgnaa). PGNAA обычно выполняется с использованием нейтронного потока, выдвинутого от ядерного реактора через лучевой порт. Нейтронные потоки из лучевых портов - это порядок 10 ⁶ раз слабее, чем внутри реактора. Это несколько компенсируется за счет размещения детектора очень близко к образцу, уменьшая потерю чувствительности из -за низкого потока. PGNAA обычно применяется к элементам с чрезвычайно высокими поперечными сечениями захвата нейтронов ; элементы, которые слишком быстро распадаются, чтобы измерить DGNAA; элементы, которые производят только стабильные изотопы ; или элементы со слабыми интенсивностью гамма -луча. PGNAA характеризуется коротким временем облучения и коротким временем распада, часто в порядке секунд и минут. DGNAA применим к подавляющему большинству элементов, которые образуют искусственные радиоизотопы. Анализ DG часто проводится в течение нескольких дней, недель или даже месяцев. Это повышает чувствительность к долгосрочным радионуклидам, поскольку он позволяет короткоживущему радионуклиду затухать, эффективно устраняя помехи. DGNAA характеризуется длительным временем облучения и длительным временем распада, часто в порядке часа, недели или дольше.

Ядерные процессы, происходящие, когда кобальт облучен нейтронами

Нейтронные источники

Можно использовать диапазон различных источников:

Ядерный реактор
Актиноид , такой как Калифорния , который излучает нейтроны посредством спонтанного деления
Альфа -источник, такой как радиум или америкаж , смешанный с бериллием ; Это генерирует нейтроны с помощью (α, ¹²C+N) реакция
Реакция слияния DT в газовой пробирке

Реакторы

Некоторые реакторы используются для облучения образцами нейтронов для производства радиоизотопа для ряда целей. Образец может быть помещен в контейнер для облучения, который затем помещается в реактор; Если для облучения необходимы эпитермальные нейтроны, то кадмий для фильтрации тепловых нейтронов можно использовать .

Фьюсоры

Относительно простой Фарнсворт -Хирш Фзор может использоваться для создания нейтронов для экспериментов NAA. Преимущества такого рода аппарата состоит в том, что он компактный, часто размером с стен, и что его можно просто отключить и включить. Недостатком является то, что этот тип источника не будет создавать нейтронный поток, который может быть получен с помощью реактора.

Источники изотопов

Для многих работников в этой области реактор - это слишком дорогой предмет; Вместо этого это часто использовать источник нейтронов, который использует комбинацию альфа -эмиттера и бериллия. Эти источники, как правило, намного слабее, чем реакторы.

Газовые пробирки

Они могут быть использованы для создания импульсов нейтронов, они использовались для некоторой активационной работы, где распад целевого изотопа очень быстрый. Например в масляных скважинах. ^{[ 5 ]}

Детекторы

Сцинтилляционный детектор гамма-излучения для анализа активации нейтронов с аналитиком по криминалистике ATF в Вашингтоне, округ Колумбия (1966)

В NAA используется ряд типов детекторов и конфигураций. Большинство из них предназначены для обнаружения испускаемого гамма -излучения . Наиболее распространенными типами гамма -детекторов, встречающихся в NAA, являются газовый тип ионизации , сцинтилляционный тип и полупроводник . Из них наиболее широко используются сцинтиллятные и полупроводниковые типы. Используются две конфигурации детектора, они являются плоским детектором, используемым для PGNAA и детектора скважины, используемых для DGNAA. Планарный детектор имеет плоскую, большую площадь поверхности сбора и может быть размещен рядом с образцом. Детектор скважины «окружает» образец большой площадью поверхности сбора.

Детекторы сцинтилляционного типа используют чувствительный к радиации кристалл, чаще всего йодид натрия, легированный таллием (NAI (TL)), который излучает свет при ударе гамма-фотонами. Эти детекторы обладают отличной чувствительностью и стабильностью, а также разумным разрешением.

Полупроводниковые детекторы используют полупроводящий элемент Германия . Германия обрабатывают с образованием контактного (положительного интриранта-негативного) диода , а при охлаждении до ~ 77 K жидким азотом для уменьшения темного тока и шума детектора дает сигнал, который пропорционален фотонной энергии входящего излучения. Существует два типа детектора германия, германия или GE (LI), дать литий или GE (LI) (произносится «желе») и германия с высокой чистотой или HPGE. полупроводящий элемент Кремний также может быть использован, но германия предпочтительнее, так как его более высокое атомное число делает его более эффективным при остановке и обнаружении гамма -лучей с высокой энергией. Как детекторы GE (LI), так и HPGE обладают превосходной чувствительностью и разрешением, но детекторы GE (LI) нестабильны при комнатной температуре, а литий -дрейф в внутреннюю область разрушает детектор. Развитие нерешимой высокой чистоты Германия преодолела эту проблему.

Детекторы частиц также могут быть использованы для обнаружения излучения частиц альфа (α) и бета (β), которые часто сопровождают излучение гамма -фотона, но менее благоприятны, так как эти частицы испускаются только с поверхности образца и часто являются Поглощается или ослаблена атмосферными газами, требующими дорогих вакуумных эффективного обнаружения условий. Гамма -лучи, однако, не поглощаются и не ослабляются атмосферными газами, а также могут сбежать из глубины в образце с минимальным поглощением.

Аналитические возможности

NAA может обнаружить до 74 элементов в зависимости от экспериментальной процедуры с минимальными пределами обнаружения в диапазоне от 0,1 до 1x10 ⁶ г ⁻¹ в зависимости от исследуемого элемента. Более тяжелые элементы имеют большие ядра, поэтому они имеют более крупный поперечный сечение захвата нейтронов и с большей вероятностью будут активированы. Некоторые ядра могут захватывать ряд нейтронов и оставаться относительно стабильными, не подвергаясь трансмутации и не развалидно 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 -лучей распада (при условии облучения в потоке нейтронов реактора 1x10 ¹³ n см ⁻² с ⁻¹) ^{[ 2 ]}
Чувствительность (пикограммы)	Элементы
1	Dy, я
1–10	В, Лу, мн
10–100	Я, сделал, делал, re, r, w
100–1000	AG, AR, Asian, BR, CL, CO, CS, CS, E, GA, HF, I, LA, SB, SK, SC, SE, THB, 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, Pt, Pt, Son, TL, TL, TL, Y
10 ⁵–10 ⁶	F, Fe, Nb, Ne
10 ⁷	Pb, s

Приложения

Анализ активации нейтронов имеет широкий спектр применений, в том числе в области археологии , науки о почве , геологии , криминалистики и полупроводниковой промышленности . Серейскороводно, волосы, подвергшиеся подробному анализу криминалистических нейтронов, чтобы определить, были ли они получены от тех же людей, впервые использовались в испытании Джона Нормана Коллинза . ^{[ 6 ]}

Археологи используют NAA, чтобы определить элементы, которые составляют определенные артефакты. Этот метод используется, потому что он неразрушающий, и он может связать артефакт с его источником с помощью химической подписи. Этот метод оказался очень успешным при определении торговых путей, особенно для обсидиана, со способностью NAA различать химические композиции. В сельскохозяйственных процессах на движение удобрений и пестицидов влияет поверхностное и подповерхностное движение, когда оно проникает в водоснабжение. Чтобы отслеживать распределение удобрений и пестицидов, ионы бромидов в различных формах используются в качестве трассеров, которые свободно перемещаются с потоком воды при минимальном взаимодействии с почвой. Анализ активации нейтронов используется для измерения бромида, так что экстракция не необходима для анализа. NAA используется в геологии, чтобы помочь в исследовании процессов, которые образовали породы посредством анализа редкоземельных элементов и микроэлементов. Это также помогает определить местонахождение рудных депозитов и отслеживать определенные элементы. Анализ активации нейтронов также используется для создания стандартов в полупроводниковой промышленности. Полупроводники требуют высокого уровня чистоты, при этом загрязнение значительно снижает качество полупроводника. NAA используется для обнаружения примесей трассировки и установления стандартов загрязнения, поскольку он включает в себя ограниченную обработку образцов и высокую чувствительность. ^{[ 7 ]}

Смотрите также

Изотопный реактор с высоким потоком (HFIR) в Oak Ridge National Labs обладает возможностями NAA.
Нейтронный поток
Нейтронный гаубинг

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Поллард, А.М., Херон, С., 1996, Археологическая химия . Кембридж, Королевское химическое общество.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Обзор или NAA
^ [1] Архивировано 6 апреля 2005 года, на машине Wayback
^ «Анализ активации нейтронов, ядерные услуги, NRP» . Архивировано из оригинала 2013-04-11 . Получено 2006-04-13 .
^ Результаты поиска - Глоссарий Schlumberger Oilfield
^ Кейз, Эдвард (1976). Мичиган убивает . Reader's Digest Press. ISBN 978-0-472-03446-8 .
^ Приложения NAA

[pollard-1] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Поллард, А.М., Херон, С., 1996, Археологическая химия . Кембридж, Королевское химическое общество.

[missouri1-2] Jump up to: ^а ^{беременный} Обзор или NAA

[3] [1] Архивировано 6 апреля 2005 года, на машине Wayback

[4] «Анализ активации нейтронов, ядерные услуги, NRP» . Архивировано из оригинала 2013-04-11 . Получено 2006-04-13 .

[5] Результаты поиска - Глоссарий Schlumberger Oilfield

[6] Кейз, Эдвард (1976). Мичиган убивает . Reader's Digest Press. ISBN 978-0-472-03446-8 .

[7] Приложения NAA

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]