NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS (NAA) II. rész

Átírás

1 NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS (NAA) II. rész MTA AEKI Gméling Katalin, november gmeling@iki.kfki.hu 1. NAA rövid története 2. NAA felépítése, technikai háttér 3. Spektrum kiértékelése 4. Mérés menete és minta előkészítés 5. NAA előnyei 6. Módszer alkalmazásai NAA TÖRTÉNETE Leggyakoribb nukleáris reakció: 1932 neutron felfedezése sugárzásos neutronbefogás 1936 Hevesy és Levi NAA elve (n,γ)-reakció Neutron források megjelenése az ötvenes években Alacsony felbontóképességű detektorok (szcintillációs detektorok) Jó felbontóképességű detektorok (félvezető detektor) 2 1

2 A besugárzás hatására a neutronbefogás következtében a vizsgálandó izotóp magja aktiválódik, magasabb energiállapotba kerül, amely állapotból általában β bomlásokkal stabilizálódik. A β bomlásokat karakterisztikus γ sugárzások kísérik, amelyek energiája a kibocsátó atom magjára, intenzítása pedig az adott atom mennyiségére jellemző. NAA TÍPUSAI: 1. Gyors neutronos aktiválás (FNAA) 2. Epitermikus aktiválás (ENAA) 3. Termikus neutronaktivációs analízis (NAA) 4. Termikus neutronaktivációs, de prompt-gamma detektációs módszer (PGAA) 3 Izotópos neutron források: α-emitter NEUTRON FORRÁSOK Half life Neutrons s -1 Ci -1 emitted average neutron energy [MeV] 227Ac 22 y 1.5x Ra 1620 y 1.3x Pu 2.4x10 4 y 1.4x Po 138 d 2.5x Neutron generátor: deuteronok gyorsítása 200 kv-ra: 3 H(d,n) 4 He monoenergetikus neutronok: 14 MeV neutron hozam: neutrons/s/ ma, neutron fluxus: 10 9 neutrons/cm 2 /s Kutató reaktorok: termikus teljesítmény: 100 kw-10 MW termikus neutron fluxus: neutrons cm-2 s-1 hideg neutron nyaláb 4 2

3 NAA MÉRŐRENDSZER FELÉPÍTÉSE Kishátterű kamra HP Ge detektor gamma spektrométer 5 FÉLVEZETŐ DETEKTOROK A legfiatalabb detektor család a nukleáris méréstechnikában. Radioaktív sugárzások mérésére az 1960-as évek közepétől kezdték alkalmazni. Jelenleg a gyakorlatban a Si (szilícium) és a Ge (germánium) egykristályból készültek a legelterjedtebben használatosak. n-sugárzás kivételével, minden fajta sugárzás (α, β, γ, rtg.) intenzításának és energiájának mérésére használhatók. Legfőbb előnyük a kiváló energiafelbontó képesség. A félvezető detektorban az ionizáció szilárd kristályban történik, a töltéshordozók e-ok és + lyukak. A félvezető detektorban egy e pozitív lyuk pár keltéséhez kb. 3 ev szükséges. 6 3

4 FÉLVEZETŐ DETEKTOROK MŰKÖDÉSE Az e-burokban az e-ok különböző energiájú héjakon helyezkednek el, ezek között tiltott terek vannak. A vegyérték sávon lévő e-ok szabják meg az anyag kémiai tulajdonságait. A vegyérték sáv fölött egy tiltott sáv van, e fölött pedig a vezetési sáv. A vezetési sáv olyan távol van az atommagtól, hogy az itt lévő e-ok, külső elektromos tér hatására, elmozdulhatnak, áram folyhat. A szigetelőkben a tiltott sáv olyan széles, hogy e-ok azon keresztül nem juttathatók a vezetési sávba. A vezetőkben nincs tiltott sáv, a vegyérték és vezetési sávoknak van egy közös tartományuk. A félvezetők tiltott sávja elég keskeny ahhoz, hogy a vegyérték sávból α,β,γ sugárzás e-okat juttasson a vezetési sávba és elektromos jel keletkezzen. vezetési sáv tiltott sáv vezetési sáv vezetési sáv (10 ev) tiltott sáv (1eV) vegyérték sáv vegyérték sáv vegyérték sáv szigetelők vezetők félvezetők 7 Sugárzások detektálására Si-ból, vagy Ge-ból hibátlan, nagyon tiszta egykristály alkalmas, a rácshibák és szennyezések töltésveszteséget okoznak. A Si és a Ge 4 vegyértékű. A belőlük készített kristály ún. gyémántrács szerkezetű. A kristály elektromos vezetőképességének növelése érdekében, mesterségesen, részben 5 vegyértékű elemet (pl. As), részben 3 vegyértékűt (Ga) visznek be a kristályba (dopolás). az 5 vegyértékű anyag e többletet okoz, n-típusú szennyezés a 3 vegyértékű +lyuk többletet eredményez, p-típusú szennyezés (Ezeknek a szennyezéseknek a koncentrációja alacsony, néhány ppm.) A sávelmélet alapján a szennyezések a tiltott sávon belül hoznak létre új, megengedett e energia nívókat: az n-típusú szennyezők a vezetési sáv közelében (donor nívók), a p-típusúak a vegyértéksáv közelében (akceptor nívók). A félvezető detektorokban egy n-típusú és egy p-típusú anyagok érintkeznek egymással. Ez a detektor érzékeny térfogata, mert ha a sugárzás ebben elnyelődik, +lyuk-e töltéshordozó párokat hoz létre és detektorra kapcsolt feszültség ezeket összegyűjti, áram folyik, elektromos impulzust szolgáltat a detektor. 8 4

5 A detektor tulajdonságai: MÉRŐRENDSZEREK Felbontóképesség: a spektrumban egymáshoz közel eső csúcsok elkülönítésének mértéke. Hatásfok: a keletkező összes foton közül a detektált fotonok mennyisége. Fotonok energiájától és a detektor geometriájától függ. A hatásfok növelésével a felbontó képesség csökken. Detektort folyékony N-nel hűtjük (77 K). γ-fotonok kölcsönhatása a detektor anyagával: Fotoeffektus: foton egyetlen ütközésben elveszti teljes energiáját, fotoelektront kelt. Compton-szórás: 1 γ-foton és 1 héjelektron ütközése során a γ-foton energiája egy részét átadja az elektronnak. Egy kisebb energiájú compton foton keletkezik. γ γ γ Párkeltés, annihiláció: 1022 kev-nál nagyobb energiájú γ-foton az atommag elektromos erőterével kölcsönhatásba lépve elektronná és pozitronná alakul. A pozitron energiájának csökkenésével az anyaggal kölcsönhatásba lépve két, ellentétes irányú 511 kev os, annihilációs foton keletkezik. h ν γ h ν 9 SOKCSATORNÁS SPEKTROMÉTER sugárforrás detektor elő- és főerősítő sokcsatornás analizátor Sokcsatornás analizátor: átalakítja az erősítőből érkező analóg jeleket digitális formára; csatornaszám: 4-16eze; a nagy csatornaszám a detektorok jó energia felbontóképessége miatt szükséges!!! Az egycsatornás spektrométerrel az elektromos impulzusok amplitúdó szerinti szétválogatása (időben) sorosan történik. A sokcsatornás spektrométerrel párhuzamosan (egyidőben). 10 5

6 SPEKTRUM KIÉRTÉKELÉS Mit tartalmaz a spektrum? -az x-tengely: csatornaszám (energia kalibrálás után energia) - az y-tengely: impulzusszám/cs (a mérési idő alatt a sugárforrásból kibocsátott összes részecskéből, fotonból mennyit érzékelt a detektor) A spektrum kiértékelés lépései: 1. energia kalibráció: (csatornaszám energia közötti függvény megállapítása) 2. csúcs maximum helyek megkeresése és átszámítása energiára; 3. az energiák alapján, izotópkönyvtár segítségével a sugárforrásban lévő izotópok azonosítása. 4. csúcsok területeinek meghatározása és ebből az egyes izotópok aktivitásának meghatározása. 11 AZ ELEMZÉS LÉPÉSEI Minta előkészítés (homogenizálás, súlymérés) Szükség esetén kémiai elválasztás a besugárzás előtt Besugárzás (besugárzás körülményeinek optimalizálása) Hűtés (a hűtési idő optimalizálása) Szükség esetén kémiai elválasztás a besugárzás után A gamma-spektrum felvétele A gamma-spektrum kiértékelése 12 6

7 MINTAELŐKÉSZÍTÉS A minta összetétele gyakorlatilag nem befolyásolja a a mérést. A szilárd minták mérése porítva, illetve egészben is történhet. A szilárd mintát kis polietilén, alumínium vagy kvarcüveg mintatartóba tesszük, és együtt elemezzük a standardokkal. A folyadékmintákat közvetlenül folyadékállapotban a szerves mintákat szintén közvetlenül vagy pedig szárítva és porítva vizsgáljuk. A minták mérete a besugárzási lehetőségektől függően akár méteres nagyságú is lehet. 13 STANDARDIZÁLÁS Relatív módszer A vizsgálandó mintával egyidejűleg besugározzuk a mérendő elemek ismert mennyiségét. Nem kell tudnunk egyes nukleáris és egyéb mérési paramétereket k 0 módszer k 0 egy tisztán nukleáris állandó decorte és Simonits vezette be a k- faktorok alapján, ez már független a mérési és besugárzási körülményektől. Komparátor módszer: k -faktor Minden elemet egy komparátorra vonatkoztatunk Kalibrációs fázis: k faktor meghatározása minden elemre Mérés: A mintát a komparátor elem ismert mennyiségével együtt sugározzuk be k faktor állandó, ha a mérési körülmények, valamint a termikus/epitermikus fluxus aránya nem változik. 14 7

8 ELŐNYEI: HÁTRÁNYAI: jól standardizálható, roncsolásmentes, multielemes módszer, mátrix hatás gyakorlatilag nincs, a módszer egyes elemekre vonatkozó érzékenysége elsősorban az atommagok szerkezetétől, a minta elemösszetételétől és a standard eljárástól függ. A geokémiában főként nyomelemek, különösen a RFF-ek koncentrációjának mérésére alkalmas. A petrogenetikai vizsgálatokban fontos nyomelemek közül a Hf, Ta, U, Th ppb mennyiségben is jól mérhetők. a besugárzott minták felaktiválódnak, neutronforrás és gamma pektrométer, szükséges drága és nukleáris módszer az Pb igen rosszul mérhető, míg a kis rendszámú elemek egyáltalán nem detektálhatók. A főelemek közül a Ca, Mg, és a Fe csak százalékos mennyiségben mérhető, az Al, Na, K meghatározható, de csak kis pontossággal. 15 NAA ALKAMLAZÁSAI Geológiai minták: NAA Budapest NTI - 1 perc aktíválás, 15 perc hűtés: ( 28 Al lebomlik) Ti, V, (Cu), Mn, Cl, Dy és Ca meghatározható. - 8 óra besugárzás, mérés kétszer: egy hét, egy hónap elem határozható meg NAA BNC - 2 perces aktivitás csőpostás mintabesugárzással, hűtés nélküli mérés - 24 órás besugárzás, mérés 3-4-szer: egy hét, két hét, egy hónap elem határozható meg Biológiai minták Na, K, Al, Se meghatározása agy mintákban Alzheimer kor tanulmányozása Régészeti vizsgálatok Római kori szigilláták, Holt tengeri tekercsek, arany szálak a koronázási paláston, agyagedények, kőeszközök 16 8