Neutronenaktivierungsanalyse - Neutron activation analysis

Wissenschaft mit Neutronen
Neutron.svg
Stiftungen
Neutronenstreuung
Andere Anwendungen
Infrastruktur
Neutronenanlagen

Die Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) ist der Kernprozess , mit dem die Konzentrationen von Elementen in einer Vielzahl von Materialien bestimmt werden. NAA ermöglicht die diskrete Probenahme von Elementen, da die chemische Form einer Probe außer Acht gelassen wird und sich ausschließlich auf ihren Kern konzentriert. Die Methode basiert auf der Neutronenaktivierung und erfordert daher eine Neutronenquelle . Die Probe wird mit Neutronen beschossen, wodurch die Elemente radioaktive Isotope bilden. Die radioaktiven Emissionen und radioaktiven Zerfallspfade für jedes Element sind bekannt. Mit diesen Informationen ist es möglich, Spektren der Emissionen der radioaktiven Probe zu untersuchen und die Konzentrationen der darin enthaltenen Elemente zu bestimmen. Ein besonderer Vorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Probe nicht zerstört und somit zur Analyse von Kunstwerken und historischen Artefakten verwendet wurde. NAA kann auch verwendet werden, um die Aktivität einer radioaktiven Probe zu bestimmen .

Wenn NAA direkt an bestrahlten Proben durchgeführt wird, spricht man von Instrumental Neutron Activation Analysis (INAA). In einigen Fällen werden bestrahlte Proben einer chemischen Trennung unterzogen, um störende Spezies zu entfernen oder das interessierende Radioisotop zu konzentrieren. Diese Technik ist als radiochemische Neutronenaktivierungsanalyse (RNAA) bekannt.

NAA kann zerstörungsfreie Analysen an Feststoffen, Flüssigkeiten, Suspensionen, Aufschlämmungen und Gasen ohne oder mit minimaler Vorbereitung durchführen. Aufgrund der Durchdringung einfallender Neutronen und der daraus resultierenden Gammastrahlen bietet die Technik eine echte Volumenanalyse. Da verschiedene Radioisotope unterschiedliche Halbwertszeiten haben, kann die Zählung verzögert werden, damit störende Spezies zerfallen und Interferenzen beseitigen können. Bis zur Einführung von ICP-AES und PIXE war NAA die Standardanalysemethode für die Durchführung von Mehrelementanalysen mit minimalen Nachweisgrenzen im Sub- ppm- Bereich. Die Genauigkeit der NAA liegt im Bereich von 5%, und die relative Genauigkeit ist oft besser als 0,1%. Die Verwendung von NAA weist zwei bemerkenswerte Nachteile auf. Obwohl die Technik im Wesentlichen zerstörungsfrei ist, bleibt die bestrahlte Probe nach der ersten Analyse viele Jahre lang radioaktiv, was Handhabungs- und Entsorgungsprotokolle für schwach- bis mittelstarkes radioaktives Material erfordert. auch die Anzahl geeigneter Aktivierungskernreaktoren nimmt ab; Aufgrund fehlender Bestrahlungsmöglichkeiten hat die Technik an Popularität verloren und ist teurer geworden.

Überblick

Die Neutronenaktivierungsanalyse ist eine empfindliche Analysetechnik mit mehreren Elementen , die sowohl für die qualitative als auch für die quantitative Analyse von Haupt-, Neben-, Spuren- und seltenen Elementen verwendet wird. NAA wurde 1936 von entdeckt Hevesy und Levi, der festgestellt , dass Proben mit bestimmten Seltenerdelementen hoch wurden radioaktiven nach der Exposition mit einer Quelle von Neutronen . Diese Beobachtung führte zur Verwendung von induzierter Radioaktivität zur Identifizierung von Elementen. NAA unterscheidet sich erheblich von anderen spektroskopischen Analysetechniken darin, dass es nicht auf elektronischen Übergängen, sondern auf nuklearen Übergängen basiert. Zur Durchführung einer NAA-Analyse wird die Probe in eine geeignete Bestrahlungsanlage gegeben und mit Neutronen beschossen. Dadurch entstehen künstliche Radioisotope der vorhandenen Elemente. Nach der Bestrahlung zerfallen die künstlichen Radioisotope unter Emission von Partikeln oder, was noch wichtiger ist, Gammastrahlen , die für das Element charakteristisch sind, von dem sie emittiert wurden.

Damit das NAA-Verfahren erfolgreich ist, muss die Probe oder Probe sorgfältig ausgewählt werden. In vielen Fällen können kleine Objekte ohne Probenahme intakt bestrahlt und analysiert werden. Üblicherweise wird jedoch eine kleine Probe entnommen, normalerweise durch Bohren an einer unauffälligen Stelle. Etwa 50 mg (ein Zwanzigstel Gramm ) sind eine ausreichende Probe, so dass die Beschädigung des Objekts minimiert wird. Es ist oft eine gute Praxis, zwei Proben mit zwei verschiedenen Bohrern aus verschiedenen Materialien zu entfernen. Dadurch wird eine Kontamination der Probe durch das Bohrermaterial selbst sichtbar. Die Probe wird dann in ein Fläschchen eingekapselt, das entweder aus hochreinem linearem Polyethylen oder Quarz besteht . Diese Probenfläschchen sind in vielen Formen und Größen erhältlich, um viele Probentypen aufzunehmen. Die Probe und ein Standard werden dann verpackt und in einem geeigneten Reaktor mit einem konstanten, bekannten Neutronenfluss bestrahlt . Ein typischer Reaktor zur Aktivierung verwendet verwendet Uranspaltung , einen hohen Neutronenfluß und die höchsten verfügbaren Empfindlichkeiten für die meisten Elemente bereitstellt. Der Neutronenfluss aus einem solchen Reaktor liegt in der Größenordnung von 10 12 Neutronen cm −2 s −1 . Die Art der erzeugten Neutronen weist eine relativ niedrige kinetische Energie (KE) auf, typischerweise weniger als 0,5 eV . Diese Neutronen werden als thermische Neutronen bezeichnet. Bei Bestrahlung interagiert ein thermisches Neutron über eine nichtelastische Kollision mit dem Zielkern und verursacht so das Einfangen von Neutronen. Diese Kollision bildet einen zusammengesetzten Kern, der sich in einem angeregten Zustand befindet. Die Anregungsenergie innerhalb des zusammengesetzten Kerns wird aus der Bindungsenergie des thermischen Neutrons mit dem Zielkern gebildet. Dieser angeregte Zustand ist ungünstig und der zusammengesetzte Kern wird durch die Emission eines sofortigen Teilchens und eines oder mehrerer charakteristischer sofortiger Gammaphotonen fast augenblicklich in eine stabilere Konfiguration abregen (transmutieren). In den meisten Fällen ergibt diese stabilere Konfiguration einen radioaktiven Kern. Der neu gebildete radioaktive Kern zerfällt nun durch die Emission beider Teilchen und eines oder mehrerer charakteristischer verzögerter Gammaphotonen. Dieser Zerfallsprozess verläuft viel langsamer als die anfängliche Entregung und hängt von der einzigartigen Halbwertszeit des radioaktiven Kerns ab. Diese einzigartigen Halbwertszeiten hängen von der jeweiligen radioaktiven Spezies ab und können von Bruchteilen einer Sekunde bis zu mehreren Jahren reichen. Nach der Bestrahlung wird die Probe für eine bestimmte Abklingzeit belassen und dann in einen Detektor gegeben, der den Zerfall des Kerns entweder anhand der emittierten Partikel oder häufiger anhand der emittierten Gammastrahlen misst.

Variationen

NAA kann gemäß einer Reihe von experimentellen Parametern variieren. Die kinetische Energie der zur Bestrahlung verwendeten Neutronen wird ein wichtiger experimenteller Parameter sein. Die obige Beschreibung bezieht sich auf die Aktivierung durch langsame Neutronen, langsame Neutronen werden im Reaktor vollständig moderiert und haben KE <0,5 eV. Mittlere KE-Neutronen können auch zur Aktivierung verwendet werden. Diese Neutronen wurden nur teilweise moderiert und haben KE von 0,5 eV bis 0,5 MeV und werden als epithermale Neutronen bezeichnet. Die Aktivierung mit epithermischen Neutronen ist als epithermale NAA (ENAA) bekannt. Neutronen mit hohem KE werden manchmal zur Aktivierung verwendet, diese Neutronen sind nicht moderiert und bestehen aus Neutronen der Primärspaltung. Hohe KE oder schnelle Neutronen haben eine KE> 0,5 MeV. Die Aktivierung mit schnellen Neutronen wird als schnelle NAA (FNAA) bezeichnet. Ein weiterer wichtiger experimenteller Parameter ist, ob Kernzerfallsprodukte (Gammastrahlen oder Partikel) während der Neutronenbestrahlung ( sofortiges Gamma ) oder zu einem bestimmten Zeitpunkt nach der Bestrahlung (verzögertes Gamma, DGNAA) gemessen werden. PGNAA wird im Allgemeinen unter Verwendung eines Neutronenstroms durchgeführt, der über einen Strahlanschluss vom Kernreaktor abgegriffen wird. Neutronenflüsse von Strahlöffnungen sind in der Größenordnung von 10 bis 6 mal schwächer als in einem Reaktor. Dies wird etwas kompensiert, indem der Detektor sehr nahe an der Probe platziert wird, wodurch der Empfindlichkeitsverlust aufgrund des geringen Flusses verringert wird. PGNAA wird im allgemeinen mit einer extrem hohen Neutroneneinfang an Elemente angelegt Querschnitte ; Elemente, die zu schnell zerfallen, um von der DGNAA gemessen zu werden; Elemente, die nur stabile Isotope produzieren ; oder Elemente mit schwachen Gammastrahlenintensitäten. PGNAA zeichnet sich durch kurze Bestrahlungszeiten und kurze Abklingzeiten aus, oft in der Größenordnung von Sekunden und Minuten. DGNAA ist auf die überwiegende Mehrheit der Elemente anwendbar, die künstliche Radioisotope bilden. DG-Analysen werden häufig über Tage, Wochen oder sogar Monate durchgeführt. Dies verbessert die Empfindlichkeit für langlebige Radionuklide, da kurzlebige Radionuklide zerfallen können, wodurch Interferenzen effektiv beseitigt werden. DGNAA zeichnet sich durch lange Bestrahlungszeiten und lange Abklingzeiten aus, oft in der Größenordnung von Stunden, Wochen oder länger.

Kernprozesse, die auftreten, wenn Kobalt mit Neutronen bestrahlt wird

Neutronenquellen

Es können verschiedene Quellen verwendet werden:

Reaktoren

Einige Reaktoren werden für die Neutronenbestrahlung von Proben zur Radioisotopherstellung für eine Reihe von Zwecken verwendet. Die Probe kann in einen Bestrahlungsbehälter gegeben werden, der dann in den Reaktor gegeben wird; Wenn für die Bestrahlung epithermale Neutronen benötigt werden, kann Cadmium zum Herausfiltern der thermischen Neutronen verwendet werden.

Fusoren

Mit einem relativ einfachen Farnsworth-Hirsch-Fusor können Neutronen für NAA-Experimente erzeugt werden. Der Vorteil dieser Art von Vorrichtung besteht darin, dass sie kompakt ist, häufig eine Tischgröße hat und einfach ein- und ausgeschaltet werden kann. Ein Nachteil ist, dass diese Art von Quelle nicht den Neutronenfluss erzeugt, der unter Verwendung eines Reaktors erhalten werden kann.

Isotopenquellen

Für viele Arbeiter auf dem Gebiet ist ein Reaktor ein zu teurer Gegenstand. Stattdessen wird häufig eine Neutronenquelle verwendet, die eine Kombination aus Alpha-Emitter und Beryllium verwendet. Diese Quellen sind tendenziell viel schwächer als Reaktoren.

Gasentladungsröhren

Diese können verwendet werden, um Neutronenimpulse zu erzeugen. Sie wurden für einige Aktivierungsarbeiten verwendet, bei denen der Zerfall des Zielisotops sehr schnell erfolgt. Zum Beispiel in Ölquellen.

Detektoren

Gammastrahlenszintillationsdetektor für die Neutronenaktivierungsanalyse mit dem ATF Forensic Laboratory Analyst in Washington, DC (1966)

Es gibt eine Reihe von Detektortypen und -konfigurationen, die in NAA verwendet werden. Die meisten dienen zur Erfassung der emittierten Gammastrahlung . Die in NAA am häufigsten vorkommenden Arten von Gammadetektoren sind der Gasionisationstyp , der Szintillationstyp und der Halbleitertyp . Von diesen sind der Szintillations- und der Halbleitertyp am weitesten verbreitet. Es werden zwei Detektorkonfigurationen verwendet, nämlich der planare Detektor, der für PGNAA verwendet wird, und der Bohrlochdetektor, der für DGNAA verwendet wird. Der planare Detektor hat eine flache, große Sammelfläche und kann nahe an der Probe platziert werden. Der Well-Detektor "umgibt" die Probe mit einer großen Sammelfläche.

Szintillationsdetektoren verwenden einen strahlungsempfindlichen Kristall, am häufigsten Thallium-dotiertes Natriumiodid (NaI (Tl)), das Licht emittiert, wenn es von Gammaphotonen getroffen wird. Diese Detektoren haben eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und Stabilität sowie eine angemessene Auflösung.

Halbleiterdetektoren verwenden das Halbleiterelement Germanium . Das Germanium wird verarbeitet , um einen Stift zu bilden (positive-Intrinsic-negativ) Diode , und wenn auf \ 77 abgekühlt K von flüssigem Stickstoff zu reduzieren , Dunkelstrom und Detektorrauschen, erzeugt ein Signal , das an die Photonenenergie der einfallenden Strahlung proportional ist. Es gibt zwei Arten von Germaniumdetektoren, das Lithium-Drift-Germanium oder Ge (Li) (ausgesprochen "Gelee") und das hochreine Germanium oder HPGe. Das Halbleiterelement Silizium kann ebenfalls verwendet werden, aber Germanium wird bevorzugt, da seine höhere Ordnungszahl es effizienter macht, hochenergetische Gammastrahlen zu stoppen und zu erfassen. Sowohl Ge (Li) - als auch HPGe-Detektoren weisen eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und Auflösung auf, aber Ge (Li) -Detektoren sind bei Raumtemperatur instabil, wobei das Lithium in den intrinsischen Bereich driftet und den Detektor ruiniert. Die Entwicklung von ungetriebenem hochreinem Germanium hat dieses Problem überwunden.

Partikeldetektoren können auch verwendet werden, um die Emission von Alpha (α) - und Beta (β) -Partikeln zu erfassen, die häufig mit der Emission eines Gammaphotons einhergehen, jedoch weniger günstig sind, da diese Partikel nur von der Oberfläche der Probe emittiert werden und häufig emittieren absorbiert oder gedämpft von atmosphärischen Gasen, die teure Vakuumbedingungen erfordern, um effektiv erfasst zu werden. Gammastrahlen werden jedoch von atmosphärischen Gasen nicht absorbiert oder abgeschwächt und können auch mit minimaler Absorption aus der Tiefe der Probe entweichen.

Analysefunktionen

NAA kann je nach experimentellem Verfahren bis zu 74 Elemente nachweisen, wobei die Mindestnachweisgrenzen je nach untersuchtem Element zwischen 0,1 und 1x10 6 ng g −1 liegen . Schwerere Elemente haben größere Kerne, daher haben sie einen größeren Neutroneneinfangquerschnitt und werden eher aktiviert. Einige Kerne können eine Reihe von Neutronen einfangen und bleiben relativ stabil, ohne dass sie viele Monate oder sogar Jahre lang transmutiert oder zerfallen. Andere Kerne zerfallen augenblicklich oder bilden nur stabile Isotope und können nur durch PGNAA identifiziert werden.

Geschätzte Nachweisgrenzen für INAA unter Verwendung von Zerfalls-Gammastrahlen (unter der Annahme einer Bestrahlung in einem Reaktor-Neutronenfluss von 1 × 10 13 n cm –2 s –1 )
Empfindlichkeit (Pikogramme) Elemente
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, T1, Xe, Y.
10 5 –10 6 F, Fe, Nb, Ne
10 7 Pb, S.

Anwendungen

Die Neutronenaktivierungsanalyse hat eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich in den Bereichen Archäologie , Bodenkunde , Geologie , Forensik und Halbleiterindustrie . Forensisch wurden Haare, die einer detaillierten forensischen Neutronenanalyse unterzogen wurden, um festzustellen, ob sie von denselben Personen stammten, erstmals in der Studie gegen John Norman Collins verwendet .

Archäologen verwenden NAA, um die Elemente zu bestimmen, aus denen bestimmte Artefakte bestehen. Diese Technik wird verwendet, weil sie zerstörungsfrei ist und ein Artefakt durch seine chemische Signatur mit seiner Quelle in Beziehung setzen kann. Diese Methode hat sich bei der Bestimmung von Handelsrouten, insbesondere für Obsidian, mit der Fähigkeit der NAA, zwischen chemischen Zusammensetzungen zu unterscheiden, als sehr erfolgreich erwiesen. In landwirtschaftlichen Prozessen wird die Bewegung von Düngemitteln und Pestiziden durch die Bewegung der Oberfläche und des Untergrunds beeinflusst, wenn sie in die Wasserversorgung eindringt. Um die Verteilung der Düngemittel und Pestizide zu verfolgen, werden Bromidionen in verschiedenen Formen als Tracer verwendet, die sich frei mit dem Wasserfluss bewegen und dabei nur eine minimale Wechselwirkung mit dem Boden haben. Die Neutronenaktivierungsanalyse wird verwendet, um Bromid zu messen, so dass eine Extraktion für die Analyse nicht erforderlich ist. NAA wird in der Geologie verwendet, um die Prozesse zu unterstützen, die die Gesteine ​​durch die Analyse der Seltenerdelemente und Spurenelemente gebildet haben. Es hilft auch beim Auffinden von Erzvorkommen und beim Verfolgen bestimmter Elemente. Die Neutronenaktivierungsanalyse wird auch verwendet, um Standards in der Halbleiterindustrie zu erstellen. Halbleiter erfordern ein hohes Maß an Reinheit, wobei Verunreinigungen die Qualität des Halbleiters erheblich verringern. NAA wird verwendet, um Spurenverunreinigungen zu erkennen und Kontaminationsstandards festzulegen, da es eine begrenzte Probenhandhabung und eine hohe Empfindlichkeit beinhaltet.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ A b c d Pollard, AM, Heron, C., 1996, Archaeological Chemistry . Cambridge, Royal Society of Chemistry.
  2. ^ a b Überblick über NAA
  3. ^ [1] Archiviert am 6. April 2005 auf der Wayback-Maschine
  4. ^ "Neutronenaktivierungsanalyse, Nuclear Services, NRP" . Archiviert vom Original am 28.01.2013 . Abgerufen am 13.04.2006 .
  5. ^ Suchergebnisse - Schlumberger Oilfield Glossar
  6. ^ Keyes, Edward (1976). Die Morde in Michigan . Reader's Digest Press. ISBN   978-0-472-03446-8 .
  7. ^ Anwendungen von NAA