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: NEUTRONOKKAL Gerjesztett: Kibocsátott/ detektált sugárzás: ATOMMAG GAMMA FOTONOK Neutronaktivációs analízis (NAA) Prompt gamma neutronaktivációs analízis (PGAA) 2 1
ATOMMAG az atommag nukleonokból= protonokból + neutronokból áll elektronhéjak vannak az atommag körül proton neutron elektron Szén atom felépítése 6 proton 6 neutron 6 elektron Protonok száma (Z): - elem rendszáma - meghatározza az adott elem felépítését, kémiai viselkedését - a proton pozitív töltésű részecske, nyugalmi tömegének 938.2 MeV energia felel meg. Neutronok száma (N): a neutron nem rendelkezik töltéssel, nyugalmi tömegének 939.5 MeV energia felel meg. A neutron szabad állapotban nem stabilis 16.9 sec felezési idővel bomlik. Tömegszám: A = Z + N 3 Neutronok Atomreaktorban 235 U neutron besugárzás hatására két kisebb tömegű atommagra és átlagosan 2,5 neutronra hasad. Termikus neutronok: Kis energiájú neutronok (<0,5 ev). Reaktorban történő besugárzáskor a mintát érő neutronok 90-95%-a termikus neutron. Epitermikus neutronok: energiája 0,5 ev-0,5 MeV. 1 mm vastag Cd fólia képes elnyelni a termikus neutronokat, de átengedi az epitermikus és gyors neutronokat. Termikus és epitermikus neutronok is gerjesztenek (n,γ)-reakciókat. Gyors neutronok: energiája meghaladja a 0,5 MeV-ot. Szerepük az (n,γ)-reakciókban kicsi. A reaktor aktív zónájában a teljes fluxus kb. 5%-a gyors neutron. Típikus neutronfluxuseloszlás a rektorban 4 2
EGY EGY ELEMNEK TÖBBFÉLE IZOTÓPJA LÉTEZIK: Hidrogén izotópjai: hidrogén, deutérium, trícium Vas: 26 protont tartalmaz, a neutronok száma 26-tól 35-ig változhat Izotóp: stabil (H, D: stabil) izotópgyakoriság instabil=radioaktív: bomlás módja, pl. α bomló bomlás valószínűsége, pl. T 1/2 :12,3 év 5 A mag kötési energiája nagyságrendjének. több milliószorosa a kémiai kötések néhány ev-os Az egy nukleonra eső kötési energia a 60-as rendszámig nő 60-70 között közel állandó, majd a nehezebb magok felé csökken. A nagyobb tömegszámú mag helyett energetikailag stabilabb rendszer alakulhat ki maghasadás során. Az atommag hasadása során hatalmas energiamennyiség szabadul fel. Radioaktív bomlás fajtái: α-bomlás β-bomlás γ-sugárzás 6 3
α-bomlás: 4 2He részecske Z A A 4 X Z 2 Y Z > 83 A felszabaduló energia bomlásonként 4-9 MeV, és ennek 98-99%-át az alfa részecske viszi magával (a különbség a mag visszalökődési energiája). Az alfa sugárzó izotópok felezési ideje 10-6 -10 10 év lehet. Az α-részecske igen nagy sebességgel mozog (kb. 0.1* fénysebesség). β-bomlás: Kisebb tömegszámú magok is lehetnek instabilak, ekkor a stabilizálódás (bomlás) leggyakoribb módja a béta bomlás. A folyamat során azonos tömegszámú, de eltérő rendszámú mag keletkezik. Gyenge kölcsönhatás eredménye, a felezési idő jóval hosszabb. 7 γ-sugárzás: A magok bomlásuk során rendszerint nem egy lépésben jutnak alapállapotba, ilyenkor a stabilizálódás során egy vagy több különböző energiájú gamma-fotont bocsátanak ki. 8 nap I-131 β 0,81 0,7% β - 0,61 87,2% β - 0,335 9,3% β - 0,72 2,8% 722 kev 2,8% NÍVÓ SÉMA 131 Xe 12 nap 364 kev 80,9% 637keV 9,3% Energia n γ 5 γ 4 γ 1 γ 2 γ 3 A radioaktív bomlás statisztikus jellegű, mindegyik nuklidnak van egy jellemző bomlássémája, ez független az adott nuklid fizikai-kémiai állapotától. A Z X A+ 1 X * Z γ 6 A + 1 Z+ 1X 8 4
GAMMA(γ) SUGÁRZÁS elektromágneses természetű hasonlóan, mint a rádióhullámok, vagy a látható fény, de azoknáljóval nagyobb energiájú mindig kísérőjelensége, az α- vagy a β-bomlásnak, vagy magreakciónak csak γ-sugárzást kibocsátó izotóp nincs az atommag legerjesztődéséből származik, amikor az atommag alacsonyabb ( nyugalmi ) energiaállapotba kerül árnyékolás: ólom, beton, azaz nagy rendszámú anyagok A γ-sugárzás és az anyag között három fő kölcsönhatási forma van: - fotoeffektus (a γ-foton teljes energiáját átadja egy elektronnak); - Compton szórás (a γ-foton energiájának csak egy részét adja át egy elektronnak és egy kisebb energiájú γ-foton is tovább halad); - párkeltés (ha a γ-foton energiája E γ >2*511keV akkor a γ-foton átalakul (annihilálódik= megsemmisül ) egy elektron-pozitron (e - +e + ) párrá, ezt követően a e + egyesül egy e - - al és keletkezik két db. 511keV energiájú γ-foton); Mindegyik eredménye: energiával rendelkező e - -ok megjelenése, melyek azután úgy viselked-nek, mint a β-részecskék. 9 NEUTRONAKTIVÁCIÓS MÓDSZEREK ALAPJA: γ-fotonok detektálása, melyeket az atommagok bocsátanak ki neutron befogást követően γ-fotonok energiája jellemző a kibocsátó elemre (izotópra), intenzitása pedig az adott elem (izotóp) tömegével (koncentrációjával) arányos. A reakció a minta fizikai, kémiai állapotától független, egyedül az atommag szerkezetétől függ. neutron β-részecske Kiindulási mag A X Z Neutron befogás Compound mag A+ 1 X * Z Radioaktív bomlás neutronbefogás 10-17 10-14 s hatására (sugárzásos neutronbefogás) (ábra: Szentmiklósi 2005) Promptgamma sugárzás Végmag I. A+ 1 X Z Radioaktív bomlás Végmag II. A+ 1 * Z ± 1 X T 1/2 =1s több év Végmag II. (stabil) Bomlási A+ 1 gamma Z ± 1 X sugárzás 10 5
11 nem szükséges mintaelőkészítés Főösszetevők meghatározása, Si is amit NAA-val nem lehet. Néhány nyomelem meghatározása: Cl pontos meghatározása alacsony kimutatási határral. H és B meghatározása! a teljes analitikai eljárás rövid, 3-4 óra alatt eredményt szolgáltat A két módszer összehasonlítása ELŐNYÖK multi-elemes, gyakorlatilag nincs mátrix hatás, jó reprodukálható, RONCSOLÁSMENTES!!! némi mintaelőkészítés szükséges nyomelemek (ritkaföldfémek) meghatározása kétszer annyi elem a PGAAnál nagyobb érzékenységgel meghatározható! a teljes analitikai eljárás 3-4 hetet vesz igénybe kis tömegű (mg-os) minták is analizálhatók HÁTRÁNYOK Költséges neutronforrás és gamma spektrométer szükséges! A módszer nukleáris jellege különleges biztonsági eljárásokat igényel! 12 6
AZ ELEMZÉSEK MENETE (Minta előkészítés) homogenizálás, (csomagolás) Besugárzás + A prompt-gamma spektrum felvétele Az optimális besugárzási idő a besugárzás közben meghatározható. Minta előkészítés homogenizálás, tömegmérés, csomagolás (Besugárzás előtti kémiai elválasztás, ha szükséges.) Besugárzás + Hűtés besugárzás és hűtés körülményeinek optimalizálása A gamma-spektrum felvétele A spektrum kiértékelése Korrekciók (háttér, zavaró reakciók stb.) A spektrum kiértékelése Korrekciók (háttér, zavaró reakciók stb.) 13 Alacsony hátterű kamra Mintatartó HPGe detektor 14 7
Mintatartó kamra A BGO árnyékolás 8 szegmensével körbeveszi a Ge detektort. Ezek elnyelik a Ge detektorból származó γ- fotonokat. Compton elnyomásos üzemmód, csökkenti a hátteret. BGO Bizmut germanát szcintillátor HPGe detektor ANTI-COMPTON SPEKTROMÉTER A mérési időt a minta összetétele jelentősen befolyásolja. A kimutatási határ a mérési idővel elvileg 15 növelhető, de azzal a háttér is emelkedik. SPEKTRUMOK A kisebb energiájú csúcsok a nagyobb energiájúak Compton-platóján ülnek, így a kisebb energiák felé az alapvonal megemelkedik. Általában 12 MeV energiáig terjedhet. Több mint 500-700 csúcsot tartalmaz. Spektrum kiértékelés a Hypermet PC programmal történik. (Folyamatban van az áttérésé a HyperLab programra.) Általában 3 MeV energiáig terjedhet. 100-150 csúcsot tartalmaz Spektrum kiértékelés a HyperLab programmal történik. 16 8
PGAA és s NAA mérések m eredményei a JB-2 2 geológiai giai standardon JB-2 SD (PGAA): 7,6 % Pontosság: + 3,6 % Mérés/referencia érték SD (NAA): 6,7 % Pontosság: - 3,4 % 17 Oshima vulkán, Japán NAA, PGAA és XRF mérések eredményeinek összehasonlítása PGAA NAA 18 9
MÉRHETŐ ELEMEK 19 Andezit: Tokaji-hegység PGAA NAA KÖVETKEZTETÉSEK Relatíve gyors Főösszetevők és néhány nyomelem meghatározására alkalmas. Jelentős szerepe van a könnyű elemek vizsgálatában: H, B, Cl Si meghatározására is képes, amire NAA nem. Kb. 30 elem együttes meghatárotására alkalmas, nagy megbízhatósággal. Ritkaföldfém analízisben vezető szerepe van. PGAA+NAA együttes alkalmazásával a geokémiában fontos elemek bővebb spektrumát kapjuk. EGY MÓDSZER NEM MÓDSZER! Geokémiában Főelemek mellett a nyomelemek ismerete szükséges! Eddig nem vagy nehezen mérhető elemek (pl.: B, Cl, H) vizsgálata újabb, bővebb információkkal szolgál. Isle of Skye, UK 20 10