PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS A GEOKÉMIÁBAN I. rész
MTA Izotópkutató Intézet
Gméling Katalin, 2009. november 16.
Isle of Skye, UK
1
[email protected]
MAGSPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK Gerjesztés:
NEUTRONOKKAL
Gerjesztett:
ATOMMAG
Kibocsátott/ detektált sugárzás:
GAMMA FOTONOK
Neutronaktivációs analízis (NAA) Prompt gamma neutronaktivációs analízis (PGAA)
2
1
proton
ATOMMAG
neutron elektron
az atommag nukleonokból= protonokból + neutronokból áll
Szén atom felépítése
elektronhéjak vannak az atommag körül
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 235U
Atomreaktorban 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
stabil (H, D: stabil) izotópgyakoriság Izotóp: instabil=radioaktív: bomlás módja, pl. α bomló bomlás valószínűsége, pl. T1/2 :12,3 év 5
A mag kötési energiája több milliószorosa a kémiai kötések néhány eV-os nagyságrendjének. 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 A A−4 2 He részecske Z X→ Z−2Y
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 - 1010 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%
β0,61 87,2%
β0,335
722 keV 2,8%
β0,72 2,8%
NÍVÓ SÉMA
9,3%
364 keV 80,9%
γ1
γ5
Energia
131Xe
n
12 nap
γ4 γ
637keV 9,3%
2
γ3 A Z
X
A+1 Z
X* A+1 Z +1
A radioaktív bomlás statisztikus jellegű, mindegyik nuklidnak van egy jellemző bomlássémája, ez független az adott nuklid fizikai-kémiai állapotától.
γ6 X
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 Eγ>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
Neutron befogás Kiindulási mag A Z
X
Radioaktív bomlás Compound mag A+1 Z
X*
Végmag I. Promptgamma sugárzás
A +1 Z
X Végmag II.
Radioaktív bomlás neutronbefogás 10-17 – 10-14 s hatására (sugárzásos neutronbefogás)
(ábra: Szentmiklósi 2005)
A +1 Z ±1
X
*
T1/2=1s – több év
Végmag II. (stabil) Bomlási A +1 gamma Z ±1 X sugárzás 10
5
11
A két módszer összehasonlítása ELŐNYÖK • • • •
multi-elemes, gyakorlatilag nincs mátrix hatás, jó reprodukálható, RONCSOLÁSMENTES!!!
• nem szükséges mintaelőkészítés
• némi mintaelőkészítés szükséges
• Főösszetevők meghatározása, Si is amit NAA-val nem lehet. •Néhány nyomelem meghatározása: Cl pontos meghatározása alacsony kimutatási határral. H és B meghatározása!
• nyomelemek (ritkaföldfémek) meghatározása
• kétszer annyi elem a PGAAnál nagyobb érzékenységgel meghatározható! • a teljes analitikai eljárás 3-4 hetet vesz igénybe
• a teljes analitikai eljárás rövid, 3-4 óra alatt eredményt szolgáltat HÁTRÁNYOK
• kis tömegű (mg-os) minták is analizálhatók
• Költséges neutronforrás és gamma spektrométer szükséges! • A módszer nukleáris jellege különleges biztonsági eljárásokat igényel!
12
6
AZ ELEMZÉSEK MENETE
(Minta előkészítés)
Minta előkészítés
homogenizálás, (csomagolás)
homogenizálás, tömegmérés, csomagolás (Besugárzás előtti kémiai elválasztás, ha szükséges.)
Besugárzás + A prompt-gamma spektrum felvétele Az optimális besugárzási idő a besugárzás közben meghatározható.
Besugárzás + Hűtés besugárzás és hűtés körülményeinek optimalizálása
A gamma-spektrum felvétele A spektrum kiértékelése
A spektrum kiértékelése
Korrekciók
Korrekciók
(háttér, zavaró reakciók stb.)
(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 γfotonokat. Compton elnyomásos üzemmód, csökkenti a hátteret.
BGO Bizmut germanát szcintillátor
HPGe detektor
A mérési időt a minta összetétele jelentősen befolyásolja. A kimutatási határ a mérési idővel elvileg 15 növelhető, de azzal a háttér is emelkedik.
ANTI-COMPTON SPEKTROMÉTER
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
•Általában 3 MeV energiáig terjedhet. • 100-150 csúcsot tartalmaz •Spektrum kiértékelés a HyperLab programmal történik.
az áttérésé a HyperLab programra.)
16
8
PGAA és NAA mé mérések eredmé eredményei a JBJB-2 geoló geológiai standardon
JB-2
Mérés/referencia érték
SD (PGAA): 7,6 % Pontosság: + 3,6 %
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
KÖVETKEZTETÉSEK PGAA
NAA
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.
Geokémiában
EGY MÓDSZER NEM MÓDSZER! 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
