RADANAL Kft. www.radanal.kfkipark.hu MTA Izotópkutató Intézet www.iki.kfki.hu
Nagy érzékenyégű módszerek hosszú felezési idejű nehéz radioizotópok analitikájában Vajda N., Molnár Zs., Bokori E., Groska J., Mácsik Zs., Széles É. XXXV. Sugárvédelmi Továbbképző Tanfolyam, Hajdúszoboszló, 2010. ápr. 27-29.
Tartalom Hosszú felezési idejű izotópok Radiometriai módszerek α-spektrometria β-spektrometria γ- és X-spektrometria NAA Tömegspektrometriás módszerek: ICP-MS AMS RIMS Példák: Sr, Pu, Np izotópok elemzése
Hosszú felezési idejű radioizotópok
Izotóp
Felezési idő
89Sr 55Fe 60Co 228Ra 3H 241Pu 210Pb 90Sr 137Cs 238Pu 63Ni 241Am 226Ra 14C 240Pu 229Th 239Pu
50 2,73 5,27 5,75 12,30 14,35 22,3 29,1 30,2 87,7 100,1 432,2 1600 5730 6563 7340 24110
Bomlási mód d y y y y y y y y y y y y y y y y
β− EC β− β− β− β− β− β− β− α β− α α β− α α α
α
Fajlagos aktivitás Bq/g 1,09E+15 8,36E+13 5,88E+13 1,01E+13 3,57E+14 3,82E+12 2,83E+12 5,06E+12 3,20E+12 6,34E+11 2,10E+12 1,27E+11 3,66E+10 1,65E+11 8,40E+09 7,87E+09 2,30E+09
β
Izotóp
Felezési idő
230Th 59Ni 41Ca 233U 99Tc 234U 36Cl 242Pu 79Se 237Np 135Cs 129I 236U 244Pu 235U 238U 232Th
75380 76400 0,103 0,1492 0,211 0,2455 0,301 0,3733 1,13 2,144 2,3 15,7 23,4 80,8 703,8 4468 14050
γ
Bomlási mód y y My My My My My My My My My My My My My My My
X
α EC, β+ EC α β− α β− α β− α β− β− α α α α α
Fajlagos aktivitás Bq/g 7,63E+08 2,94E+09 3,14E+09 3,80E+08 6,34E+08 2,30E+08 1,22E+09 1,46E+08 2,08E+08 2,60E+07 4,26E+07 6,49E+06 2,40E+06 6,71E+05 8,00E+04 1,24E+04 4,06E+03
A környezet monitorozása
Izotóp
Felezési idő
89Sr 55Fe 60Co 228Ra 3H 241Pu 210Pb 90Sr 137Cs 238Pu 63Ni 241Am 226Ra 14C 240Pu 229Th 239Pu
50 2,73 5,27 5,75 12,30 14,35 22,3 29,1 30,2 87,7 100,1 432,2 1600 5730 6563 7340 24110
Bomlási mód d y y y y y y y y y y y y y y y y
β− EC β− β− β− β− β− β− β− α β− α α β− α α α
α
Fajlagos aktivitás Bq/g 1,09E+15 8,36E+13 5,88E+13 1,01E+13 3,57E+14 3,82E+12 2,83E+12 5,06E+12 3,20E+12 6,34E+11 2,10E+12 1,27E+11 3,66E+10 1,65E+11 8,40E+09 7,87E+09 2,30E+09
β
Izotóp
Felezési idő
230Th 59Ni 41Ca 233U 99Tc 234U 36Cl 242Pu 79Se 237Np 135Cs 129I 236U 244Pu 235U 238U 232Th
75380 76400 0,103 0,1492 0,211 0,2455 0,301 0,3733 1,13 2,144 2,3 15,7 23,4 80,8 703,8 4468 14050
γ
Bomlási mód y y My My My My My My My My My My My My My My My
X
α EC, β+ EC α β− α β− α β− α β− β− α α α α α
Fajlagos aktivitás Bq/g 7,63E+08 2,94E+09 3,14E+09 3,80E+08 6,34E+08 2,30E+08 1,22E+09 1,46E+08 2,08E+08 2,60E+07 4,26E+07 6,49E+06 2,40E+06 6,71E+05 8,00E+04 1,24E+04 4,06E+03
A környezet monitorozása Természetes eredetű izotópok Izotóp
Felezési idő
89Sr 55Fe 60Co 228Ra 3H 241Pu 210Pb 90Sr 137Cs 238Pu 63Ni 241Am 226Ra 14C 240Pu 229Th 239Pu
50 2,73 5,27 5,75 12,30 14,35 22,3 29,1 30,2 87,7 100,1 432,2 1600 5730 6563 7340 24110
Bomlási mód d y y y y y y y y y y y y y y y y
β− EC β− β− β− β− β− β− β− α β− α α β− α α α
α
Fajlagos aktivitás Bq/g 1,09E+15 8,36E+13 5,88E+13 1,01E+13 3,57E+14 3,82E+12 2,83E+12 5,06E+12 3,20E+12 6,34E+11 2,10E+12 1,27E+11 3,66E+10 1,65E+11 8,40E+09 7,87E+09 2,30E+09
β
Izotóp
Felezési idő
230Th 59Ni 41Ca 233U 99Tc 234U 36Cl 242Pu 79Se 237Np 135Cs 129I 236U 244Pu 235U 238U 232Th
75380 76400 0,103 0,1492 0,211 0,2455 0,301 0,3733 1,13 2,144 2,3 15,7 23,4 80,8 703,8 4468 14050
γ
Bomlási mód y y My My My My My My My My My My My My My My My
X
α EC, β+ EC α β− α β− α β− α β− β− α α α α α
Fajlagos aktivitás Bq/g 7,63E+08 2,94E+09 3,14E+09 3,80E+08 6,34E+08 2,30E+08 1,22E+09 1,46E+08 2,08E+08 2,60E+07 4,26E+07 6,49E+06 2,40E+06 6,71E+05 8,00E+04 1,24E+04 4,06E+03
Nukleáris hulladék, leszerelés
Izotóp
Felezési idő
89Sr 55Fe 60Co 228Ra 3H 241Pu 210Pb 90Sr 137Cs 238Pu 63Ni 241Am 226Ra 14C 240Pu 229Th 239Pu
50 2,73 5,27 5,75 12,30 14,35 22,3 29,1 30,2 87,7 100,1 432,2 1600 5730 6563 7340 24110
Bomlási mód d y y y y y y y y y y y y y y y y
β− EC β− β− β− β− β− β− β− α β− α α β− α α α
α
Fajlagos aktivitás Bq/g 1,09E+15 8,36E+13 5,88E+13 1,01E+13 3,57E+14 3,82E+12 2,83E+12 5,06E+12 3,20E+12 6,34E+11 2,10E+12 1,27E+11 3,66E+10 1,65E+11 8,40E+09 7,87E+09 2,30E+09
β
Izotóp
Felezési idő
230Th 59Ni 41Ca 233U 99Tc 234U 36Cl 242Pu 79Se 237Np 135Cs 129I 236U 244Pu 235U 238U 232Th
75380 76400 0,103 0,1492 0,211 0,2455 0,301 0,3733 1,13 2,144 2,3 15,7 23,4 80,8 703,8 4468 14050
γ
Bomlási mód y y My My My My My My My My My My My My My My My
X
α EC, β+ EC α β− α β− α β− α β− β− α α α α α
Fajlagos aktivitás Bq/g 7,63E+08 2,94E+09 3,14E+09 3,80E+08 6,34E+08 2,30E+08 1,22E+09 1,46E+08 2,08E+08 2,60E+07 4,26E+07 6,49E+06 2,40E+06 6,71E+05 8,00E+04 1,24E+04 4,06E+03
Méréstechnikák Tömegspektrometria
Radiometria
α • • • • •
β γ
m/z
X
α-spektrometria: Si β-spektrometria: LSC γ-spektrometria: Ge X-spektrometria: Si(Li) NAA
• • • • •
TIMS, GDMS… SIMS ICP-MS AMS RIMS
Fajlagos aktivitások
89Sr
Radiometria 90Sr 238Pu 240Pu 239Pu 237Np
Tömegspektrometria
α-spektrometria Si félvezető detektoros α-spektrométer jellemzői főbb interferenciák mátrix néhány α bomló
LD
1-10 nap
0,1 mBq ha T1/2 1 My ha T1/2 1 ky
60
→ 1 pg → 1 fg
50 40
counts
analízis idő
30
20
$
„olcsó”
10 0 500
600
700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500 channel
β-spektrometria LSC LS-spektrométer jellemzői főbb interferenciák mátrix α, β bomló izotópok analízis idő
1-10 nap Bétaspektrum: 90Sr-90Y
10 mBq ha T1/2 1 My ha T1/2 1 ky
700 600
→ 100 pg → 100 fg
500 counts
LD
400 300 200
$
„olcsó”
100 0 0
500
1000
1500 channel
2000
2500
3000
Tömegspektrometria ICP-MS ICP-MS jellemzői interferenciák izobár, poliatomos, tailing (abundance sensitivity) analízis idő LD
$
1-2 perc
(ng) fg=10-15 g ha T1/2 1 My → 0,1 Bq ha T1/2 1 ky → 0,1 mBq izotóparány precíz mérése „drága”
106 atom 106 atom
Tömegspektrometria AMS •
AMS jellemzői interferenciák (izobár), (poliatomos), tailing (abundance sensitivity) negatív ionokra jó csak! analízis idő LD
$
1-2 perc
0,1 fg 105 atom ha T1/2 1 My → 0,1 Bq ha T1/2 1 ky → 0,1 mBq izotóparány (10-10) precíz mérése „drága” (100 berendezés)
Tömegspektrometria RIMS RIMS jellemzői interferenciák (izobár: >108), (poliatomos), tailing (abundance sensitivity) analízis idő
1-2 perc
atto g=10-18 g ha T1/2 1 My → 0,1 mBq ha T1/2 1 ky → 0,1 µBq izotóparány (10-13) precíz mérése
LD
$
„drága” (nincs kereskedelmi forgalomban)
104 atom
90Sr, 89Sr
elemzés ,T1 / 2 51d
Sr ,T1 / 2 28 y ,T1 / 2 64h 90 Sr 90Y 90Zr
89
Feltárás
Sr vagy Y kémiai elválasztása:
Ca-oxalát együttleválasztás Sr Resin extrakciós kromatográfia Sr forrás Sr izotópok mérése
90Sr, 89Sr
elemzés
Interferencia
Radiometria LSC
ICP-MS
AMS
RIMS
Más β-sugárzók
Izobár: 90Zr
Izobár: 90Zr
*Ba, *Pb vagy *Th, *Y
LD 90Sr
LD 89Sr
Mátrix
Molekuláris
Stabil Sr
Stabil Sr: 88Sr
7 atom 1010 mBq
8 atom 500 mBq 5*10
10 mBq
500 mBq
10 mBq 105 atom
NM
Stabil Sr 7 atom 40 mBq 4*10
40 mBq NM
6 atom 1.5 mBq 2*10 2*1026 atom mBq
NM
238Pu, 239Pu, 240Pu
elemzés ,87év Pu , 24000év 239 Pu
238
, 6563év Pu
240
Feltárás
Pu kémiai elválasztása:
TRU extrakciós kromatográfia Pu forrás Pu izotópok mérése α-spekt. MS
238Pu, 239Pu, 240Pu
elemzés
Interferencia
Radiometria α- ICP-MS spektrometria
AMS
Más α-sugárzók
Izobár: 238U
Izobár: 238U
241Am, 210Po,
Tailing (kis abund.sens.)
Th
…239Pu-240Pu
Mátrix LD 238Pu LD 239Pu LD 240Pu
0,1 mBq, 0,5 fg
0,1 mBq 108 atom 50 fg 238Pu, 239+240Pu
RIMS
Molekuláris (UH+) Pb, Hg, Ln
108 atom 50 fg
239Pu, 240Pu
(1 µBq) 106 atom 1 fg
(1 µBq) 106 atom 1 fg
239Pu, 240Pu
239Pu, 240Pu
237Np
elemzése összetett eljárásban ; 2,14*106 év
237
Np
237
, ; 2,1nap Np(n, ) 238Np Feltárás
Csapadékos koncentrálás
Np kémiai elválasztása:
Extrakciós kromatográfia UTEVA Extrakciós kromatográfia UTEVA Np forrás Méréstechnika α-spektr. ICP-MS
237Np
elemzés
Interferencia
Radiometria α- ICP-MS spektrometria
AMS
Más α-sugárzók
Izobár: -
Izobár: -
234U,
Tailing (kis abund.sens. 238U)
Th, TRU
Mátrix
LD 237Np
0,1 mBq 1010 atom 1 pg
RNAA LD
0,01 mBq
Molekuláris Ag, Ta, W, Tl, Hg, Pd, Eu
10 nBq 106 atom 0,1 fg
10 µBq 109 atom 100 fg
RIMS
Összefoglalás • Nagy érzékenységű tömegspektrometria módszereket fejlesztettek ki: ICP-MS: 106 atom (≈fg) AMS: 105 atom RIMS: 104 atom • Nehéz elemekre/izotópokra az ICP-MS van kereskedelmi forgalomban. • Magyarországon nincs AMS, RIMS. • Rövid felezési idejű nuklidokra a radiometriás módszerek a legérzékenyebbek (89Sr, 90Sr). • A radiometriás és tömegspektrometriás módszerek egymást kiegészíthetik (Pu izotópok). • A nagyon hosszú felezési idejű izotópokra a tömegspektrometriás módszerek a legérzékenyebbek (237Np). • A radiometriás módszerek olcsóbbak és lassabbak.
Irodalom: N. Vajda, C. K. Kim: Determination of Pu isotopes by alpha spectrometry: a review of analytical methodology, J. Radioanal. Nucl. Chem. 2010, 283, 203-223 N. Vajda, C. K. Kim: Determination of 241Am by alpha spectrometry: a review of analytical methodology, J. Radioanal. Nucl. Chem., 284(2), 341-366, 2010. N. Vajda, C-K. Kim: Determination of radiostrontium isotopes: A review of analytical methodology, Applied Radiation and Isotopes (under publication)
Köszönöm a figyelmet!
