PROMPT GAMMA AKTIVÁCIÓS ANALÍZIS (PGAA) III. rész

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "PROMPT GAMMA AKTIVÁCIÓS ANALÍZIS (PGAA) III. rész"

Gusztáv Varga
5 évvel ezelőtt
Látták:

november 1 16. gmeling@iki.kfki.hu 1. PGAA rövid története 2.

1 PROMPT GAMMA AKTIVÁCIÓS ANALÍZIS (PGAA) III. rész MTA, Izotópkutató Intézet, Nukleáris Kutatások Osztálya Gméling Katalin, november gmeling@iki.kfki.hu 1. PGAA rövid története 2. Legnevesebb PGAA laborok 3. PGAA felépítése, technikai háttér 4. Minta előkészítés 5. PGAA előnyei 6. Prompt-γ spektrum kiértékelése 7. Módszer alkalmazásai 2 1

PROMPT GAMMA AKTIVÁCIÓS ANALÍZIS (PGAA) PGAA, Budapest A módszer alapja: prompt-γ fotonok detektálása, melyeket az atommagok bocsátanak ki a hidegneutron befogását követően 3 10-14 10-17 s Target

2 PROMPT GAMMA AKTIVÁCIÓS ANALÍZIS (PGAA) PGAA, Budapest A módszer alapja: prompt-γ fotonok detektálása, melyeket az atommagok bocsátanak ki a hidegneutron befogását követően s Target Nucleus PGAA Prompt γ-ray γ Radioactive nucleus Decay particle PGAA rövid története neutron Compound Nucleus γ Decay γ-ray Product Nucleus NAA <1s évek 1960-as években építették az első neutron vezetőket első reaktoros PGAA. Először 1969-ben Saclayban, majd 1973-ban Grenobleban alkalmazták a PGAA módszert. GeLi-félvezető detektorok alkalmazása, amelyek energia felbontása nagyobb. Első szisztematikus sorozatmérést az MIT-ben (Massachusett Institute of Technology) végezték 1980-as években terjedt el szélesebb körben a PGAA, nagy energiájú γ-sugarak detektálására képes detektorokkal es évektől sokelemes univerzális módszerré vált, a neutron vezetők, a hideg neutron források és a nagy felbontású Ge félvezető detektorok elterjedésével. 4 2

nyalábbal, vezetett nyaláb (1993) HANARO

3 PGAA laborok Reaktorhoz kapcsolódó ismertebb PGAA laboratóriumok: JAERI - Japán (1980), vezetett neutron nyaláb (1993) NIST - USA (1981) kollimált nyalábbal, vezetett nyaláb (1993) HANARO - Dél-Korea (1995) BNC - Magyarország (1997), hideg nyaláb (2002) BHABHA - Numbai, India (2000) BAC - Bariloche, Argentína (2005) FRM-II - München, Németország (2008) 5 PGAA FŐ RÉSZEI Target Nucleus PGAA Prompt γ-ray γ Radioactive nucleus Decay particle neutron Compound Nucleus γ Decay γ-ray NAA Product Nucleus 6 3

(n,γ)-reakció a He kivételével minden atommag esetén fellép. A mintából származó prompt-γ fotonok detektálása a neutron besugárzás közben történik.

4 (n,γ)-reakció a He kivételével minden atommag esetén fellép. A mintából származó prompt-γ fotonok detektálása a neutron besugárzás közben történik. A kivezetett neutronok fluxusa egy milliomod része a reaktor aktív zónájában mérhető fluxusnak. De a detektor a minta közelében van. Extrém nagy neutronbefogó képességű, vagy gyorsan bomló elemek kimutatására kívállóan alkalmas. Energia n γ 5 γ 4 γ 1 γ 2 γ 3 A X A + 1 * Z Z X A + 1 Z + 1 X γ 6 7 Neutron forrás Budapesti kutatóreaktor Vízhűtéses, vízmoderátoros (VVR típusú), 10 MW teljesítményű. Aktív zónáját, Be reflektor pajzs veszi körül. 229 db 36%-os dúsítású fűtőelem. Bórkarbid tartalmú szabályozó rudak. A termikus neutron fluxus a zónában /cm 2 s. Hideg neutron forrás (HNF) 400 cm 3 térfogatú 14 K hőmérsékletű cseppfolyós H-nel töltött, többszörös falú tartály, a termikus neutronokat hűti le. (2002 óta BNC-ben) 8 4

NEUTRONVEZETŐ CSARNOK felülnézeti vázlatrajza 9 NEUTRONVEZETŐ Ni bevonatú üreges üveghasábokból áll.

Ni-reflektáló rétegen az eltérő energiájú és szögű neutronok visszaverődnek.

Mintánál mért neutron fluxus: 1,2 x 10 8 1/cm 2 s. számítógép elektronika Neutron vezetõ HPGe I.

5 NEUTRONVEZETŐ CSARNOK felülnézeti vázlatrajza 9 NEUTRONVEZETŐ Ni bevonatú üreges üveghasábokból áll. Görbített, 35 m hosszú és vákuumozható. Ni-reflektáló rétegen az eltérő energiájú és szögű neutronok visszaverődnek. Vezető végén a neutron nyalábot 6 LiF kollimátorral szűkítik le. Mintánál mért neutron fluxus: 1,2 x /cm 2 s. számítógép elektronika Neutron vezetõ HPGe I. detektor Nyalábzár HPGe II. detektor VÉDELEM A legfontosabb neutron abszorberek: 6 Li, 10 B, 113 Cd. Nehéz beton; bórkarbidos szilikon; B és Li tartalmú műanyag; bórsavas parafin. Pb neutron csapda. Mintatartó a felsõ nyalábhoz Mintatartó az alsó nyalábhoz 10 5

MINTATARTÓ KAMRA MINTATARZÓ KERET Mérete 8x15 cm, anyaga

Síkja 30 o -os szöget zár be a nyalábbal és fotonok 60 o

a C és a F amire a PGAA-nak az érzékenysége alacsony.

11 DETEKTOROK Mintatartó keret Mintatartó kamra

6 MINTATARTÓ KAMRA MINTATARZÓ KERET Mérete 8x15 cm, anyaga alumínium. Síkja 30 o -os szöget zár be a nyalábbal és fotonok 60 o -os szögben lépnek ki a detektor felé. MINTAELŐKÉSZÍTÉS Minimális vagy nincs. A neutronok energiája alacsony így a kristályrács roncsolása elhanyagolható. Teflon: fluorozott etilpropilén (FEP), aminek fő összetevői a C és a F amire a PGAA-nak az érzékenysége alacsony. Teljes minta mérésével átlag összetételt kapunk. 11 DETEKTOROK Mintatartó keret Mintatartó kamra Nyalábszaggató BGO (Bizmut germanát szcintillátor) 8 szegmensével körbeveszi a Ge detektort. Ezek elnyelik a Ge detektorból származó γ-fotonokat. Compton elnyomásos üzemmód, csökkenti az alapvonalat. HPGe detektor 12 6

TÖBBCSATORNÁS ANALIZÁTOR A Canberra S100 MCA multicsatornás analizátor a detektált jeleket 16 000 csatornába gyűjti össze. A csatornaszám az energiával közel egyenesen arányos.

A kimutatási határ a mérési idővel elvileg növelhető, de azzal az alapvonal is emelkedik.

7 TÖBBCSATORNÁS ANALIZÁTOR A Canberra S100 MCA multicsatornás analizátor a detektált jeleket csatornába gyűjti össze. A csatornaszám az energiával közel egyenesen arányos. Az egyes csatornákban lévő beütésszámok azt mutatják, hogy hány adott energiájú γ-foton érte a detektort a számlálás során. A mérési időt a minta összetétele jelentősen befolyásolja. A kimutatási határ a mérési idővel elvileg növelhető, de azzal az alapvonal is emelkedik. Az egyes elemekre vonatkozó érzékenységet leginkább a neutronbefogási hatáskeresztmetszet σ szabja meg, ami fordítottan arányos a neutronok sebességével. A hideg neutronok (30 K) nagyobb valószínűséggel keltenek (n,γ)-reakciókat, mint a termikusak (300 K). RONCSOLÁSMENTES: A besugárzás nem változtatja meg a minta elemi összetételét, mivel a neutron fluxus kisebb, mint /cm 2 s és ha akár 1 napig sugározzuk be a mintát és az összes neutron elnyelődik, akkor is kevesebb, mint nukleusz alakul át, ami 7-8 nagyságrenddel kevesebb, mint a mintában lévő atomok száma. Átalakuláskor általában ua. elem stabil izotópját kapjuk, így az izotóp összetétel változik, de ppm szint alatt. 13 További előnye: Ca-nál alacsonyabb rendszámú elemek meghatározása. H vagy H 2 O meghatározása. B-koncentrációjának pontos meghatározása mintaelőkészítés nélkül teljes kőzetben, alacsony kimutatási határ mellett. ELŐNYÖK: minimális mintaelőkészítés; jó egyezés a nemzetközi standardokkal; nem kell standard méréseket végezni; kimutatási határ a bórra ~ 0,1 μg/g; multielemes; nem szükséges előzetes minta ismeret; mérés közben dönthetünk a mérési és besugárzási időről; nincs mátrix hatás, mert az elemek tömegarányát határozzuk meg. mérés menetközben megszakítható 14 és folytatható. 7

A kisebb energiájú csúcsok a nagyobb energiájúak compton platóján ülnek, így a kisebb energiák felé az alapvonal

8 PROMPT GAMMA SPEKTRUM KIÉRTÉKELÉSE 15 PROMPT-γ SPEKTRUM Általában 12 MeV energiáig terjedhet. Több mint 100 csúcsot tartalmaz. Könnyű nuklidoknak egy γ-csúcsa van (pl. H). A kisebb energiájú csúcsok a nagyobb energiájúak compton platóján ülnek, így a kisebb energiák felé az alapvonal megemelkedik. A spektrum második felében (nagyobb energiákon) kevesebb csúcs van, de ezek megbízhatóbbak, ott általában a könnyű elemek találhatók. Spektrum kiértékelés a Hypermet PC programmal történik. 16 8

9 A program a mért csúcsokra Gauss-görbét illeszt, a kisenergiás oldalon exponenciális lecsengéssel. 17 B-CSÚCS ILLESZTÉSE DOPPLER-EFFEKTUS 18 9

10 Neutron 10 Β(n, α γ) 7 Li * 10 B γ 7 * Li α-részecske 19 DOPPLER-EFFEKTUS HPGe DETEKTOR Szentmiklósi (2004) 10

11 Na, P, Cl, Mn, Co, Ni, Sr, Cd, Sm, Hg, Li Szentmiklósi et al. (2004) 21 A csúcsterületeket az abszolút hatásfokkal korrigáljuk. A nukleáris adatkönyvtár minden elemre tartalmazza a 25 legintenzívebb csúcsot. A program minden csúcsra kikeresi a könyvtárból a hozzá legközelebb eső energiájú γ- vonalat, megjelöli a szökési csúcsokat és kiszámolja a tömeg értékeket. Az összetétel kiszámítását egy Excel makro végzi (Révay 2009). Az elemeket a legintenzívebb prompt-γ vonalaik alapján azonosítják. Az interferencia által befolyásolt csúcsokat hanyagolják. A különböző elemek különböző érzékenységgel detektálhatók, de az elemzés mátrix független

12 PKL ANALÍZIS (sheet= result) Spectrum: C:\Documents and Settings\MTA\Asztal\Mérések\Persany\BKK14L98\BKK14L98.PKL Live Time : Neutron Flux: 5.00E+7 BKG 5 low Z El M m unc m unc m ox. m unc c% c% c% c% unc meas % Bkg % net st. ox % atom el/el el/ox ox/ox % 14 Si Ti Al Fe E Mn E Mg Ca Na K H E B E E E E E-04 3E Cl E E E E Sc E E E V Cr E Co E E Ni Sm E E E E-05 9E E E Gd E E E E-05 2E E O calculated % mass w/o O BKK14L98 % unc% (+/-) SiO TiO Al2O Fe2O3T MnO MgO CaO Na2O K2O H2O ppm unc% (+/-) B Cl Sc V Cr Co Ni Sm Gd z=rendszám; El=elem vegyjele; M=relatív atomtömeg; m=tömeg; unc%=a tömeg hibája; m(bkg)=a háttér elem ekvivalens tömege; unc%=a háttér ekvivalens tömegének hibája; m(net)=nettó tömeg (háttér levonás utám); ox.(st.)=az oxigénhez viszonyított sztöchiometriai koefficiens az oxidban; m(ox)=az oxid tömege; unc%=eredő hiba; c%atom=koncentráció atomszázalékban; c%el/el=koncentráció tömegszázalékban; c%el/ox=az elem koncentrációja az oxidban; c%ox/ox=oxidösszetétel; unc%=koncentrációk hibája 23 Prompt gamma aktivációs analízis alkalmazásai 24 12

Alkalmazási lehetőségek Kémiai felhasználás: Referencia anyagok vizsgálata Izotóp és kémiai összetétel tanulmányok Kémiai mátrix tanulmányok Ipari és anyagtudományi felhasználás: Kapcsolódó

13 Alkalmazási lehetőségek Kémiai felhasználás: Referencia anyagok vizsgálata Izotóp és kémiai összetétel tanulmányok Kémiai mátrix tanulmányok Ipari és anyagtudományi felhasználás: Kapcsolódó referencia anyagok Ércek, fémötvözetek és építő elemek vizsgálata Fosszilis fűtőanyagok Katalízis Üvegek és félvezetők Nukleáris technológiai alkalmazások Anyag összetétel és előállítás Geológiai, geokémiai és kozmokémiai felhasználás: Geokémiai referencia anyagok analízise Geológiai alkalmazás Kozmokémia Művészetek és archeológia: Kőeszközök Kerámiák Pigmentek és festmények Fém tárgyak Étel és mezőgazdaság: Referencia anyagok bevizsgálása Étel analízis Környezetvédelmi tanulmányok: Atmoszferikus gázok és részecskék Víz és üledék szennyezés Biológia: Biológiai mátrix és referencia anyagok Emberi és állati tanulmányok Gyógyszerészet: B neutron befogási terápia Más biológiai tanulmányok 25 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! Sarakiniko, Milos, Görögország 13

A kémiai összetétel meghatározása A E S = = m S t N M A θ σ I Φ ε( E 0 γ 0 γ A E : csúcs terület m : elem tömege S : érzékenység N A : Avogadro-szám M : Molaris súly θ: Izotóp gyakoriság σ 0 :

14 A kémiai összetétel meghatározása A E S = = m S t N M A θ σ I Φ ε( E 0 γ 0 γ A E : csúcs terület m : elem tömege S : érzékenység N A : Avogadro-szám M : Molaris súly θ: Izotóp gyakoriság σ 0 : Neutron befogási hatáskeresztmetszet I γ : Gamma-hozam Φ 0 : Neutron fluxus ε(e γ ) : Detector hatásfok ) 27 KIMUTATÁSI HATÁR A beütésszám gyöke adja a szórást. Az alapvonal szórásának háromszorosa fölé kell esnie az elfogadható csúcsoknak. A kimutatási határ elemenként és spektrumonként változik, mert mérési paraméterektől függ. DL = A min / s * t max DL (g) kimutatási határ, A min min szükséges csúcsterület, t max max praktikus mérési idő, s analitikai érzékenység (beütés/g) A csúcsterület egyenesen arányos az elem tömegével, a mérési idővel és az analitikai érzékenységgel. A E = m * S * t 28 14

Hasonló dokumentumok

PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS A GEOKÉMIÁBAN I. rész

PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS A GEOKÉMIÁBAN I. rész MTA Izotópkutató Intézet Gméling Katalin, 2009. november 16. gmeling@iki.kfki.hu Isle of Skye, UK 1 MAGSPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK Gerjesztés: