Neutronaktiveringsanalyse

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 29. april 2016; checks kræver 11 redigeringer .

I kemi er neutronaktiveringsanalyse (NAA)  en nuklear proces, der bruges til at bestemme koncentrationerne af grundstoffer i en prøve. NAA gør det muligt at bestemme grundstoffer på en diskret måde, da den ikke tager højde for prøvens kemiske form og udelukkende fokuserer på grundstoffernes kerner. Metoden er baseret på neutronaktivering , og derfor er en neutronkilde påkrævet . Prøven bombarderes med neutroner, hvilket resulterer i dannelsen af ​​grundstoffer med radioaktive isotoper , der har en kort halveringstid. Radioaktiv stråling og radioaktivt henfald er velkendte for hvert grundstof. Ved hjælp af denne information er det muligt at studere emissionsspektrene for en radioaktiv prøve og bestemme koncentrationen af ​​grundstoffer i den. En særlig fordel ved denne metode er, at den ikke ødelægger prøven, og varigheden af ​​den inducerede stråling er normalt fra nogle få nanosekunder til timer. Metoden bruges til at analysere kunstværker og historiske artefakter. NAA kan også bruges til at bestemme aktiviteten af ​​radioaktive prøver og ædelmetaller i malme .

Oversigt

Neutronaktiveringsanalyse er en følsom multi-element analytisk metode til kvalitativ og kvantitativ analyse af næsten alle elementer. NAA blev opdaget i 1936 af Hevesy og Levy, som fandt ud af, at prøver indeholdende visse sjældne jordarters grundstoffer blev meget radioaktive efter kontakt med en neutronkilde. [1] Denne observation førte til brugen af ​​induceret radioaktivitet til at identificere grundstoffer. NAA adskiller sig væsentligt fra andre spektroskopiske analysemetoder ved, at den ikke er baseret på elektroniske overgange, men på nukleare overgange. Til NAA-analyse anbringes prøven i et passende bestrålingsobjekt og bombarderes med neutroner. Dette skaber kunstige radioisotoper af de elementer, der er til stede i objektet. Efter bestråling henfalder kunstige radioaktive isotoper ved at udsende partikler eller, endnu vigtigere, gammastråler .

For en vellykket NAA-procedure skal prøven udvælges omhyggeligt. I mange tilfælde kan små genstande bestråles og analyseres uden behov for prøveudtagning. Men oftest udtages en lille prøve, som regel ved at bore et ikke iøjnefaldende sted. En prøve på ca. 50 mg er tilstrækkelig, da skade på genstanden holdes på et minimum. [2] Meget ofte bruges to bor lavet af forskellige materialer til at tage to prøver. Dette gør det muligt at detektere enhver forurening af prøven med borematerialet. Prøven anbringes derefter i et hætteglas lavet af højrent lineær polyethylen eller kvarts . [3] Hætteglas kommer i en række forskellige former og størrelser, afhængigt af de forskellige prøvetyper. Prøven og standarden pakkes derefter og bestråles i en passende reaktor med en konstant neutronflux. En typisk reaktor, der bruges til bestråling, bruger urans nuklear fissionsreaktion, hvilket giver den højeste neutronflux og den højeste følsomhed for de fleste grundstoffer. Neutronfluxen i en sådan reaktor er omkring 1012 cm – 2 s – 1 . [4] Neutroner har en relativt lav kinetisk energi (KE), typisk mindre end 0,5 eV . Disse neutroner kaldes termiske neutroner . Når de bestråles, interagerer termiske neutroner med målkernen ved hjælp af uelastiske kollisioner, hvilket resulterer i neutronfangst. Denne kollision danner en sammensat kerne, som er i en exciteret tilstand. Den exciterede tilstand er ustabil, og den sammensatte kerne vil næsten øjeblikkeligt gå over til en mere stabil konfiguration ved at udsende partikler og en eller flere hurtige gammafotoner. I de fleste tilfælde producerer den mere stabile konfiguration en radioaktiv kerne. Den nydannede radioaktive kerne henfalder til to partikler og en eller flere gammastrålefotoner. Denne henfaldsproces er meget langsommere end den indledende de-excitation og afhænger af den individuelle halveringstid af den radioaktive kerne. Halveringstiden afhænger af de specifikke radioaktive isotoper og kan variere fra brøkdele af et sekund til flere år. Den resterende prøve efter bestråling placeres i en detektor, som måler yderligere henfald i henhold til enten udsendte partikler eller mere bredt udsendte gammastråler. [fire]

Variationer

Neutronaktiveringsanalyse kan variere afhængigt af en række eksperimentelle parametre. Den kinetiske energi af neutroner, der anvendes til bestråling, vil være en af ​​de vigtigste eksperimentelle parametre. Beskrivelsen ovenfor er aktivering af langsomme neutroner, som er fuldt modereret inde i reaktoren, og den kinetiske energi er <0,5 eV. Neutroner med en gennemsnitlig kinetisk energi kan også bruges til aktivering, og disse neutroner er kun delvist modererede, og deres kinetiske energi er fra 0,5 eV til 0,5 MeV. Disse neutroner kaldes epitermiske. Aktivering med epitermiske neutroner er kendt som Epithermal Neutron Activation Analysis (ENNA). Neutroner med høj kinetisk energi bruges nogle gange til aktivering, disse neutroner modereres og består af primære fissionsneutroner. Kinetisk energi for hurtige neutroner: Kinetisk energi > 0,5 MeV. Aktivering ved hjælp af hurtige neutroner kaldes Fast Neutron Activation Analysis (FNA). En anden vigtig parameter er følgende kendsgerning: ændres henfaldsprodukterne under neutronbestråling (hurtige gammastråler), eller ændres de noget tid efter bestrålingen (gammastråleforsinkelse, ZNAA ). Hurtig neutronaktiveringsanalyse udføres typisk ved hjælp af en neutronflux og tages fra en atomreaktor ved hjælp af en stråleport. Neutronfluxene fra stråleportene er omkring 106 gange svagere end dem inde i reaktoren. Dette kompenseres noget for ved at placere detektoren meget tæt på prøven. Hurtig neutronaktiveringsanalyse anvendes typisk på elementer med ekstremt høje neutronfangstværsnit; til grundstoffer, der henfalder for hurtigt til at blive målt gammastråleforsinkelse Neutronaktiveringsanalyse  ; til grundstoffer, der kun danner stabile isotoper, eller til grundstoffer med en svag henfaldshastighed af gammastråler. Hurtig neutronaktiveringsanalyse er kendetegnet ved en kort eksponeringstid og en kort henfaldstid (fra få sekunder til et minut) Gammastråleforsinkelse Neutronaktiveringsanalyse er anvendelig på langt de fleste grundstoffer, der danner kunstige radioaktive isotoper. gammastråleforsinkelse Neutronaktiveringsanalyse udføres ofte over flere dage, uger eller endda måneder. Dette forbedrer følsomheden for langlivede radionuklider og eliminerer praktisk talt interferens.

Hvis neutronaktiveringsanalyse udføres direkte på bestrålede prøver, kaldes det Instrumentel neutronaktiveringsanalyse (INNA). I nogle tilfælde adskilles bestrålede prøver kemisk for at fjerne interferens eller koncentrere radioaktive isotoper, en teknik kendt som Radiochemical Neutron Activation Analysis (RNAA).

Neutronkilde

Forskellige kilder kan bruges til at opnå neutroner:

Reaktorer

Nogle reaktorer bruges til neutronbestråling af prøver i produktionen af ​​radioisotoper til forskellige formål. Prøven, der skal bestråles, kan anbringes i en beholder, som derefter placeres i en reaktor. Hvis der ikke er behov for epitermiske neutroner til bestråling, kan cadmium bruges til at filtrere termiske neutroner fra.

Fusor

Den relativt simple Funsworth-Hirsch-fusor kan bruges til at skabe neutroner i NAA-eksperimenter. Fordelen ved sådan en maskine er, at den er kompakt (skrivebordsstørrelse), og at den ganske enkelt kan slukkes og tændes igen. Ulempen er, at denne type kilde ikke vil producere den neutronflux, der kan produceres ved hjælp af en reaktor.

Isotopisk kilde

Meget ofte bruges et dyrt element i reaktorområdet og erstattes med en kombination af a-strålingskilder og beryllium . Disse kilder er normalt meget svagere end reaktorer.

Udledningsrør

De kan bruges til at skabe neutronimpulser, og hvor målisotopen henfalder meget hurtigt. For eksempel i oliebrønde. [5]

Detektorer

Der bruges en række detektorer i NAA. De fleste af dem er designet til at detektere udsendt gammastråling. De mest almindelige typer detektorer er gasionisering, scintillation og halvleder. Af disse er scintillation og halvleder de mest udbredte. Der er også to typer detektorer med forskellige konfigurationer: flade detektorer til BNAA og detektorer til ZNAA. Den flade detektor har et stort overfladeareal og kan placeres tæt på prøven.

Scintillationstypen af ​​detektorer bruger strålingsfølsomme krystaller, oftest dopet med natrium- eller thalliumiodid (NaI / TlI), som udsender lys, når gammafotoner rammer den. Sådanne detektorer har høj følsomhed, stabilitet og rimelig opløsning.

Halvlederdetektorer bruger halvlederelementet germanium . Germaniumet behandles til at danne en kontakt (positiv-negativ) diode, og når det afkøles til ~77 K med flydende nitrogen for at reducere mørk strøm og detektorstøj, produceres et signal, der er proportionalt med fotonenergien af ​​den indfaldende stråling. Der er to typer germaniumdetektorer - lithium-flydende Ge(Li) og højrent germanium HPGe ( høj renhed - høj renhed ). Silicium kan også bruges i halvlederdetektorer , men germanium foretrækkes, fordi dets atomstørrelse er større end silicium, hvilket gør germanium mere effektivt til at detektere højenergi gammastråler. Både Ge(Li)- og HPGe-detektorer har høj følsomhed og opløsning, men Ge(Li)-detektoren er ustabil ved stuetemperatur. Udviklingen af ​​produktionen af ​​højrent germanium vil hjælpe med at overvinde dette problem.

Detektorerne kan også bruges til at detektere emissionen af ​​alfa (α) og beta (β) partikler, som ofte ledsager emissionen af ​​gammafotoner. Påvisning af (α) og (β) partikler er mindre gunstig, da disse partikler kun udsendes fra overfladen af ​​prøven og ofte absorberes eller dæmpes af atmosfæriske gasser og kræver dyrt vakuumudstyr til effektiv detektion. Gammastråler absorberes eller dæmpes dog ikke af atmosfæriske gasser og kan også gemme sig dybt i prøven med minimal absorption.

Analytiske muligheder

NAA kan detektere op til 74 elementer afhængigt af den eksperimentelle procedure. Minimum detektionsgrænser fra 0,1 til 1x10 6 ng g −1 afhængigt af elementet. Tungere grundstoffer har en større kerne, så de har et større neutronfangst tværsnitsareal og er mere tilbøjelige til at blive aktiveret. Nogle kerner kan fange neutroner og forblive relativt stabile uden at gennemgå transmutation eller henfald i mange måneder eller endda år. Andre kerner henfalder øjeblikkeligt, og der dannes kun stabile isotoper, som kan identificeres ved BNAA.

Beregnede detektionsgrænser for NAA ved brug af gammastråler (forudsat 1x10 13 n cm −2 s −1
neutroneksponering i reaktoren )
Følsomhed (picogrammer) Elementer
en Dy, Eu
1-10 I, 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

Resumé

NAA kan udføre ikke-destruktiv analyse af faste stoffer, væsker, suspensioner, opløsninger og gasser med ingen eller minimal træning. På grund af neutronernes og gammastrålernes gennemtrængende natur giver den resulterende teknologi nøjagtig volumenanalyse. Forskellige radioisotoper har forskellige halveringstider, hvilket kan forsinke tællingen, indtil interferens er elimineret. Før introduktionen af ​​AESS og gammastråling var NAA den analytiske standardmetode til at udføre multi-element analyse med minimum detektionsgrænser i sub-ppm området [4] . NAA's nøjagtighed er i området 5%, og den relative nøjagtighed er ofte bedre end 0,1%. [4] Der er to ulemper ved at bruge NAA: Teknikken forbliver radioaktiv i mange år efter indledende analyse, den kræver håndtering og bortskaffelse af det radioaktive materiale; antallet af atomreaktorer egnet til aktivering er faldende, hvilket er forbundet med et fald i populariteten af ​​denne metode og med den stigende pris på reaktorer.

Eksterne links

Noter

  1. Oversigt over NAA . Hentet 15. januar 2013. Arkiveret fra originalen 28. januar 2013.
  2. Arkiveret kopi (link ikke tilgængeligt) . Dato for adgang: 15. januar 2013. Arkiveret fra originalen 6. april 2005. 
  3. Neutronaktiveringsanalyse, Nuclear Services, NRP (link ikke tilgængeligt) . Hentet 15. januar 2013. Arkiveret fra originalen 28. januar 2013. 
  4. 1 2 3 4 Pollard, AM, Heron, C., 1996, Archaeological Chemistry . Cambridge, Royal Society of Chemistry.
  5. Schlumberger - Søgeresultater . Hentet 15. januar 2013. Arkiveret fra originalen 28. januar 2013.

Litteratur