A kémiában a neutronaktivációs analízis (NAA) egy nukleáris eljárás, amelyet a mintában lévő elemek koncentrációjának meghatározására használnak. Az NAA lehetővé teszi az elemek diszkrét módon történő meghatározását, mivel nem veszi figyelembe a minta kémiai formáját, és kizárólag az elemek magjaira fókuszál. A módszer neutronaktiváláson alapul, ezért neutronforrásra van szükség . A mintát neutronokkal bombázzák, aminek eredményeként radioaktív izotópokkal rendelkező elemek képződnek, amelyek felezési ideje rövid. A radioaktív sugárzás és a radioaktív bomlás minden elemre jól ismert. Ezen információk felhasználásával lehetőség nyílik egy radioaktív minta emissziós spektrumának tanulmányozására és a benne lévő elemek koncentrációjának meghatározására. Ennek a módszernek külön előnye, hogy nem teszi tönkre a mintát, és az indukált sugárzás időtartama általában néhány nanoszekundumtól órákig terjed. A módszert műalkotások és történelmi műtárgyak elemzésére használják. Az NAA segítségével meghatározható az ércekben lévő radioaktív minták és nemesfémek aktivitása is .
A neutronaktivációs analízis egy érzékeny többelemes analitikai módszer szinte minden elem kvalitatív és kvantitatív elemzésére. Az NAA-t 1936 -ban fedezték fel Hevesy és Levy, akik megállapították, hogy bizonyos ritkaföldfém-elemeket tartalmazó minták neutronforrással való érintkezés után erősen radioaktívvá váltak. [1] Ez a megfigyelés vezetett az indukált radioaktivitás használatához az elemek azonosítására. Az NAA lényegesen eltér a többi spektroszkópiai elemzési módszertől abban, hogy nem elektronátmeneteken, hanem nukleáris átmeneteken alapul. A NAA elemzéshez a mintát megfelelő besugárzási tárgyba helyezzük és neutronokkal bombázzuk. Ez mesterséges radioizotópokat hoz létre az objektumban jelenlévő elemekből. Besugárzás után a mesterséges radioaktív izotópok részecskék, vagy ami még fontosabb, gamma-sugárzás kibocsátásával bomlanak le .
A sikeres NAA eljáráshoz a mintát gondosan kell kiválasztani. Sok esetben kisméretű objektumok is besugározhatók és elemezhetők mintavétel nélkül. De leggyakrabban kis mintát vesznek, általában nem feltűnő helyen végzett fúrással. Körülbelül 50 mg-os minta elegendő ahhoz, hogy a tárgy károsodása a lehető legkisebb legyen. [2] Nagyon gyakran két különböző anyagból készült fúrót használnak két minta vételéhez. Ez lehetővé teszi a minta bármilyen szennyeződésének kimutatását a fúró anyagával. A mintát ezután egy nagy tisztaságú lineáris polietilénből vagy kvarcból készült fiolába helyezzük . [3] A fiolák különböző formájú és méretűek, a különböző mintatípusoktól függően. A mintát és a standardot ezután csomagolják, és megfelelő reaktorban, állandó neutronfluxussal besugározzák. Egy tipikus besugárzásra használt reaktor az urán maghasadási reakcióját alkalmazza, ami a legnagyobb neutronfluxust és a legtöbb elem számára a legnagyobb érzékenységet biztosítja. Egy ilyen reaktor neutronfluxusa körülbelül 1012 cm – 2 s– 1 . [4] A neutronok viszonylag alacsony kinetikus energiával (KE) rendelkeznek, jellemzően kevesebb, mint 0,5 eV . Ezeket a neutronokat termikus neutronoknak nevezzük . Besugárzáskor a termikus neutronok rugalmatlan ütközések révén kölcsönhatásba lépnek a célmaggal, ami neutronbefogást eredményez. Ez az ütközés egy összetett magot képez, amely gerjesztett állapotban van. A gerjesztett állapot instabil, és az összetett mag szinte azonnal stabilabb konfigurációba fog átváltani részecskék és egy vagy több gyors gamma-foton kibocsátásával. A legtöbb esetben a stabilabb konfiguráció radioaktív magot hoz létre. Az újonnan képződött radioaktív mag két részecske és egy vagy több gamma-fotonra bomlik. Ez a bomlási folyamat sokkal lassabb, mint a kezdeti degerjesztés, és a radioaktív mag egyedi felezési idejétől függ. A felezési idő az adott radioaktív izotópoktól függ, és a másodperc töredékeitől több évig terjedhet. A besugárzás után fennmaradó mintát egy detektorba helyezzük, amely méri a további bomlást a kibocsátott részecskék vagy a szélesebb körben kibocsátott gamma-sugarak szerint. [négy]
A neutronaktivációs elemzés számos kísérleti paramétertől függően változhat. A besugárzáshoz használt neutronok kinetikus energiája lesz az egyik fő kísérleti paraméter. A fenti leírás lassú neutronok általi aktiválásról szól, amelyek a reaktoron belül teljesen mérsékeltek, és a kinetikus energia <0,5 eV. Átlagos kinetikus energiájú neutronok is használhatók az aktiválásra, ezek a neutronok csak részben mérsékeltek, mozgási energiájuk 0,5 eV és 0,5 MeV között van. Ezeket a neutronokat epitermikusnak nevezzük. Az epitermális neutronokkal történő aktiválás epitermális neutronaktiválási elemzésként (ENNA) ismert. Az aktiváláshoz néha nagy kinetikus energiájú neutronokat használnak, ezek a neutronok mérsékeltek és primer hasadási neutronokból állnak. Gyors neutronok mozgási energiája: Kinetikus energia > 0,5 MeV. A gyors neutronokkal történő aktiválást gyors neutronaktivációs elemzésnek (FNA) nevezik. Egy másik fontos paraméter a következő tény: változnak-e a bomlástermékek a neutron besugárzás során (gyors gamma-sugárzás), vagy a besugárzás után valamivel (gamma-ray delay, ZNAA ). A gyors neutronaktiválási analízist általában neutronfluxussal végzik, és egy nukleáris reaktorból veszik ki egy nyalábnyílás segítségével. A nyalábnyílásokból származó neutronfluxusok körülbelül 106- szor gyengébbek, mint a reaktoron belüliek. Ezt némileg kompenzálja, ha a detektort nagyon közel helyezzük a mintához. A gyors neutronaktivációs elemzést jellemzően rendkívül nagy neutronbefogási keresztmetszetű elemekre alkalmazzák; olyan elemekre, amelyek túl gyorsan bomlanak le ahhoz, hogy mérni lehessenek gamma-sugár késleltetés Neutronaktivációs elemzés ; olyan elemekre, amelyek csak stabil izotópokat képeznek, vagy a gamma-sugarak gyenge bomlási sebességével rendelkező elemekre. A gyors neutronaktivációs analízist rövid expozíciós idő és rövid (néhány másodperctől egy percig terjedő) lecsengési idő jellemzi Gamma sugárkésleltetés A neutronaktivációs elemzés a mesterséges radioaktív izotópokat alkotó elemek túlnyomó többségére alkalmazható. gamma-sugár késleltetés A neutronaktivációs elemzést gyakran több napon, heten vagy akár hónapon keresztül végzik. Ez javítja a hosszú élettartamú radionuklidok érzékenységét, és gyakorlatilag kiküszöböli az interferenciát.
Ha a neutronaktivációs analízist közvetlenül besugárzott mintákon végezzük, akkor azt műszeres neutronaktivációs elemzésnek (INNA) nevezzük. Egyes esetekben a besugárzott mintákat kémiailag elválasztják az interferencia eltávolítása vagy a radioaktív izotópok koncentrálása érdekében, ez a technika Radiochemical Neutron Aktivation Analysis (RNAA) néven ismert.
Különféle források használhatók a neutronok előállítására:
Egyes reaktorokat a minták neutronos besugárzására használnak különböző célú radioizotópok előállítása során. A besugárzandó mintát egy tartályba lehet helyezni, amelyet ezután egy reaktorba helyeznek. Ha a besugárzáshoz nincs szükség epitermikus neutronokra, akkor a kadmium felhasználható a termikus neutronok kiszűrésére.
A viszonylag egyszerű Funsworth-Hirsch fuzorral NAA-kísérletekben neutronokat lehet létrehozni. Egy ilyen gép előnye, hogy kompakt (asztali méretű), és egyszerűen ki-be kapcsolható. Hátránya, hogy ez a fajta forrás nem állítja elő azt a neutronfluxust, amelyet reaktor segítségével elő lehet állítani.
Nagyon gyakran drága elemet használnak a reaktor területén, amelyet α-sugárforrások és berillium kombinációjával helyettesítenek . Ezek a források általában sokkal gyengébbek, mint a reaktorok.
Használhatók neutronimpulzusok létrehozására, ahol a cél izotóp nagyon gyorsan lebomlik. Például olajkutakban. [5]
Az NAA-ban számos detektort használnak. Legtöbbjüket a kibocsátott gamma-sugárzás észlelésére tervezték. A legelterjedtebb detektortípusok a gázionizáló, szcintillációs és félvezető detektorok. Ezek közül a szcintilláció és a félvezető a legszélesebb körben alkalmazott. Kétféle detektor is létezik, különböző konfigurációkkal: a BNAA-hoz használt lapos detektorok és a ZNAA-hoz használt detektorok. A lapos detektor nagy felülettel rendelkezik, és a mintához közel helyezhető el.
A szcintillációs típusú detektorok sugárzásra érzékeny, leggyakrabban nátrium- vagy tallium-jodiddal (NaI / TlI) adalékolt kristályokat használnak, amelyek fényt bocsátanak ki, amikor gamma-fotonok érik. Az ilyen detektorok nagy érzékenységgel, stabilitással és ésszerű felbontással rendelkeznek.
A félvezető detektorok a germánium félvezető elemet használják . A germániumot kontakt (pozitív-negatív) diódává dolgozzák fel, majd folyékony nitrogénnel ~77 K-ra hűtve a sötétáram és a detektorzaj csökkentése érdekében a beeső sugárzás fotonenergiájával arányos jel keletkezik. Kétféle germánium detektor létezik: a lítiumban lebegő Ge(Li) és a nagy tisztaságú germánium HPGe ( nagy tisztaságú – nagy tisztaságú ). A szilícium félvezető detektorokban is használható , de a germániumot részesítik előnyben, mert atommérete nagyobb, mint a szilícium, így a germánium hatékonyabban érzékeli a nagy energiájú gamma-sugarakat. A Ge(Li) és a HPGe detektorok is nagy érzékenységgel és felbontással rendelkeznek, de a Ge(Li) detektor szobahőmérsékleten instabil. A nagy tisztaságú germánium előállításának fejlesztése segít leküzdeni ezt a problémát.
A detektorok alkalmasak az alfa (α) és béta (β) részecskék kibocsátásának kimutatására is , amelyek gyakran kísérik a gamma fotonok kibocsátását. Az (α) és (β) részecskék kimutatása kevésbé előnyös, mivel ezek a részecskék csak a minta felületéről bocsátódnak ki, és gyakran abszorbeálják vagy gyengítik őket a légköri gázok, és költséges vákuumberendezést igényel a hatékony kimutatás. A gamma-sugarakat azonban a légköri gázok nem nyelték el és nem gyengítik, és minimális abszorpcióval a minta mélyére is megbújhatnak.
Az NAA a kísérleti eljárástól függően akár 74 elemet is képes kimutatni. Minimális kimutatási határok 0,1 és 1x10 6 ng g −1 között elemtől függően. A nehezebb elemek nagyobb maggal rendelkeznek, így nagyobb a neutronbefogási keresztmetszete, és nagyobb valószínűséggel aktiválódnak. Egyes atommagok képesek befogni a neutronokat, és viszonylag stabilak maradnak anélkül, hogy hosszú hónapokig vagy akár évekig átmennének transzmutáción vagy bomláson. Más magok azonnal elbomlanak, és csak stabil izotópok keletkeznek, amelyeket a BNAA azonosít.
| Érzékenység (pikogramok) | Elemek |
|---|---|
| egy | 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, Tl, Xe, Y |
| 10 5 – 10 6 | F, Fe, Nb, Ne |
| 10 7 | Pb, S |
Az NAA képes szilárd anyagok, folyadékok, szuszpenziók, oldatok és gázok roncsolásmentes analízisét elvégezni anélkül, hogy képzést igényelne, vagy csak minimális. A neutronok és gamma-sugarak áthatoló jellege miatt az így létrejövő technológia pontos térfogatelemzést tesz lehetővé. A különböző radioizotópoknak eltérő felezési ideje van, ami késleltetheti a számlálást, amíg az interferencia megszűnik. Az AESS és a gammasugárzás bevezetése előtt az NAA volt a standard analitikai módszer a többelemes analízis elvégzésére, a minimális kimutatási határértékekkel a sub-ppm tartományban [4] . Az NAA pontossága 5% körüli, és a relatív pontosság gyakran jobb, mint 0,1%. [4] Az NAA használatának két hátránya van: a technika a kezdeti elemzés után még sok évig radioaktív marad, a radioaktív anyag kezelését és ártalmatlanítását igényli; az aktiválásra alkalmas atomreaktorok száma csökken, ami a módszer népszerűségének csökkenésével és a reaktorok drágulásával jár együtt.