Войти
Анализ активации нейтронов (NAA) - это ядерный процесс, используемый для определения концентраций элементов в огромном количестве материалов. NAA позволяет дискретный отбор элементов, поскольку не учитывает химическую форму образца и фокусируется исключительно на его ядре. Метод основан на активации нейтронов и поэтому требует источника нейтронов. Образец бомбардируется нейтронами, в результате чего элементы образуют радиоактивные изотопы. радиоактивные выбросы и пути радиоактивного распада для каждого элемента хорошо известны. 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 можно использовать для определения активности радиоактивного образца.
Если NAA проводится непосредственно на облученных образцах, это называется Инструментальный нейтронно-активационный анализ (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 веществ, 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 многоэлементных анализов с минимальными пределами обнаружения в диапазоне ppm.. Точность NAA находится в пределах 5%, а относительная точность часто лучше 0,1%. 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.
Нейтронный активационный анализ - это чувствительный многоэлементный аналитический метод, используемый для обоих качественный и количественный анализ основных, второстепенных, следовых и редких элементов. НАА была открыта в 1936 году Хевеши и Леви, которые обнаружили, что образцы, содержащие определенные редкоземельные элементы, стали очень радиоактивными после воздействия источника нейтронов.. 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 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, необходимо тщательно отбирать образец или образец. 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. Примерно 50 мг (одна двадцатая от грамма ) является достаточным образцом, поэтому повреждение объекта сводится 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 сверла. Затем образец инкапсулируют во флакон, сделанный либо из линейного полиэтилена высокой чистоты, либо из кварца. Эти пробирки с пробами бывают разных форм и размеров, чтобы вместить много типов проб. Затем образец и стандарт упаковывают и облучают в подходящем реакторе при постоянном, известном потоке нейтронов . Типичный реактор, используемый для активации, использует деление урана деление, обеспечивая высокий поток нейтронов и самую высокую доступную чувствительность для большинства элементов. Поток нейтронов от такого реактора составляет порядка 10 нейтронов см с. Тип генерируемых нейтронов имеет относительно низкую кинетическую энергию (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 энергии связи теплового нейтрона с ядром-мишенью. 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, затем помещают в детектор, который будет измерять ядерный распад в соответствии с испускаемыми частицами или, как правило, испускаемыми гамма-лучами.
NAA может варьироваться в зависимости от ряда экспериментальных параметров. Кинетическая энергия нейтронов, используемых для облучения, будет основным экспериментальным параметром. Вышеупомянутое описание касается активации медленными нейтронами, медленные нейтроны полностью замедляются в реакторе и имеют KE <0.5 eV. Medium KE neutrons may also be used for activation, these neutrons have been only partially moderated and have KE of 0.5 eV to 0.5 MeV, and are termed epithermal neutrons. Activation with epithermal neutrons is known as Epithermal NAA (ENAA). High KE neutrons are sometimes used for activation, these neutrons are unmoderated and consist of primary fission neutrons. High KE or fast neutrons have a KE>0,5 МэВ. Активация быстрыми нейтронами называется Fast NAA (FNAA). Другим важным экспериментальным параметром является то, измеряются ли продукты ядерного распада (гамма-лучи или частицы) во время нейтронного облучения (немедленное гамма ) 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 примерно в 10 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 к элементам с чрезвычайно высоким сечением 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 нейтронамиможно использовать ряд различных источников:
Некоторые реакторы используются для нейтронного облучения образцы для производства радиоизотопов различного назначения. Образец может быть помещен в контейнер для облучения, который затем помещается в реактор; если для облучения требуются надтепловые нейтроны, тогда кадмий можно использовать для фильтрации тепловых нейтронов.
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.
Для многих рабочих в полевых условиях реактор является слишком дорогим предметом, вместо этого обычно используют источник нейтронов, в котором используется комбинация альфа-излучателя и бериллия. Эти источники обычно намного слабее реакторов.
Их можно использовать для создания импульсов нейтронов, они использовались для некоторых активационных работ, когда распад целевого изотопа происходит очень быстро. Например, в нефтяных скважинах.
Гамма-сцинтилляционный детектор для нейтронно-активационного анализа с аналитиком лаборатории судебной экспертизы ATF в Вашингтоне, округ Колумбия (1966) Используется ряд типов и конфигураций детекторов в НАА. Большинство из них предназначены для обнаружения испускаемого гамма-излучения. Наиболее распространенными типами гамма-детекторов, встречающихся в NAA, являются тип газовой ионизации, сцинтилляционный тип и полупроводниковый 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 воздействии гамма-квантов. Эти детекторы обладают превосходной чувствительностью и стабильностью, а также разумным разрешением.
В полупроводниковых детекторах используется полупроводниковый элемент германий. Германий обрабатывается с образованием штыря (положительный-собственный-отрицательный) диода, а при охлаждении до ~ 77 K с помощью жидкого азота для уменьшения Темновой ток и шум детектора создают сигнал, пропорциональный 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. Также можно использовать полупроводниковый элемент кремний, 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 обладают превосходной чувствительностью и разрешением, но Ge (Li) -детекторы нестабильны при комнатной температуре, так как литий, дрейфующий в собственную область, разрушает детектор. Эта проблема была решена с помощью разработки неориентированного германия высокой чистоты.
Детекторы частиц также могут использоваться для обнаружения излучения частиц альфа (α) и бета (β), которые часто сопровождают излучение гамма-фотона, но являются менее благоприятен, поскольку эти частицы испускаются только с поверхности образца и часто поглощаются или ослабляются атмосферными газами, что требует для эффективного обнаружения дорогостоящих вакуума условий. Гамма-лучи, однако, не поглощаются и не ослабляются атмосферными газами, а также могут выходить из глубины образца с минимальным поглощением.
NAA может обнаруживать до 74 элементов в зависимости от экспериментальной процедуры с минимальными пределами обнаружения от 0,1 до 1x10 нг г 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.
| 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 | Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni, Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te, Zn, Zr |
| 10–10 | Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y |
| 10–10 | F, Fe, Nb, Ne |
| 10 | Pb, S |
Анализ нейтронной активации имеет широкий спектр приложений, в том числе в областях археологии, почвоведения, геология, судебная экспертиза и полупроводниковая промышленность. С судебной экспертизы волосы, подвергнутые детальному судебно-медицинскому нейтронному анализу, чтобы определить, были ли они получены 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 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.
