1

1

PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS

ANALÍZISA GEOKÉMIÁBAN

I. rész

Isle of Skye, UKGméling Katalin, 2009. november 16.

gmeling@iki.kfki.hu

MTAIzotópkutatóIntézet

2

MAGSPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK

Neutronaktivációs analízis (NAA)

Prompt gamma neutronaktivációs analízis (PGAA)

Gerjesztés: NEUTRONOKKAL

Gerjesztett: ATOMMAG

Kibocsátott/detektált sugárzás: GAMMA FOTONOK

2

3

neutron

proton

elektron

Szén atom felépítése

6 proton

6 neutron

6 elektron

ATOMMAG

az atommag nukleonokból=protonokból + neutronokból áll

elektronhéjak vannak az atommag körül

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

4

Neutronok

Atomreaktorban 235U 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 neutron-fluxuseloszlás a rektorban

3

5

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 bomlóbomlás valószínűsége, pl. T1/2 :12,3 év

6

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

4

7

α-bomlás:24He részecske Z

AX YZA→ −−

24 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).

Gyenge kölcsönhatás eredménye, a felezési idő jóval hosszabb.

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.

8

A magok bomlásuk során rendszerint nem egy lépésben jutnak alapállapotba, ilyenkor a stabilizálódás során egy vagy több különböző energiájú gamma-fotontbocsátanak ki.

8 nap I-131

β−0,81

0,7%

β-0,61

87,2%

β-0,72

2,8%

β-0,335

9,3%

131Xe

12 nap

364 keV80,9%

637keV9,3%

722 keV2,8%

γ-sugárzás:

A radioaktív bomlás statisztikus jellegű, mindegyik nuklidnak van egy jellemző bomlássémája, ez független az adott nuklid fizikai-kémiai állapotától.

n

γ1

γ2

γ3

γ4

γ5

AZ X 1 *A

Z X+

Energia

γ611

AZ X++

NÍVÓ SÉMA

5

9

GAMMA(γ)−SUGÁRZÁSelektromágneses természetű

hasonlóan, mint a rádióhullámok, vagy a látható fény, de azoknáljóval nagyobb energiájúmindig 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.

10

Kiindulási mag

neutron β-részecske

Bomlásigamma

sugárzás

AZ X

Compoundmag

Neutron befogás

1 *AZ X+

Végmag I.

1AZ X+

Végmag II.

Radioaktív bomlás

1 *1

AZ X+±

Prompt-gamma

sugárzásVégmag II.

(stabil)

11

AZ X+±

Radioaktív bomlás neutronbefogás

hatására(sugárzásos neutronbefogás)(ábra: Szentmiklósi 2005)

10-17 – 10-14 s

T1/2=1s – több év

NEUTRONAKTIVÁCIÓS MÓDSZEREK ALAPJA:γ-fotonok detektálása, melyeket az atommagok bocsátanak ki neutron befogást követőenγ-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.

6

11

12

A két módszer összehasonlítása

HÁTRÁNYOK• Költséges neutronforrás és gamma spektrométer szükséges!

• A módszer nukleáris jellege különleges biztonsági eljárásokat igényel!

ELŐNYÖK• multi-elemes,• gyakorlatilag nincs mátrix hatás,• jó reprodukálható,• RONCSOLÁSMENTES!!!

• nem szükséges mintaelőkészítés • némi mintaelőkészítés szükséges

• kétszer annyi elem a PGAA-nál nagyobb érzékenységgel meghatározható!

• nyomelemek (ritkaföldfémek) meghatározása

• 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 eljárásrövid, 3-4 óra alatteredményt szolgáltat

• a teljes analitikai eljárás 3-4 hetet vesz igénybe

• kis tömegű (mg-os) minták is analizálhatók

7

13

AZ ELEMZÉSEK MENETE

(Minta előkészítés)homogenizálás, (csomagolás)

Minta előkészítéshomogenizálás, tömegmérés, csomagolás(Besugárzás előtti kémiai elválasztás, ha szükséges.)

Besugárzás + A prompt-gamma spektrum felvétele

Az optimális besugárzási idő a besugárzás közben meghatározható.

Besugárzás + Hűtésbesugárzás és hűtés körülményeinek

optimalizálása

A gamma-spektrum felvétele

A spektrum kiértékelése A spektrum kiértékelése

Korrekciók(háttér, zavaró reakciók stb.)

Korrekciók(háttér, zavaró reakciók stb.)

14

Mintatartó

HPGe detektor

Alacsony hátterű kamra

8

15

Mintatartó kamra

HPGe detektorBGOBizmut germanát szcintillátor

A BGO árnyékolás 8 szegmensével körbeveszi a Gedetektort. Ezek elnyelik a Gedetektorból származó γ-fotonokat. Comptonelnyomásos üzemmód, csökkenti a hátteret.

A mérési időt a minta összetétele jelentősen befolyásolja.A kimutatási határ a mérési idővel elvileg növelhető, de azzal a háttér is emelkedik.

ANTI-COMPTONSPEKTROMÉTER

16

SPEKTRUMOK

•Spektrum kiértékelés a Hypermet – PC programmal történik. (Folyamatban van az áttérésé a HyperLab programra.)

•Általában 12 MeV energiáig terjedhet.•Több mint 500-700 csúcsot tartalmaz.

•Általában 3 MeV energiáig terjedhet.• 100-150 csúcsot tartalmaz

•A kisebb energiájú csúcsok a nagyobb energiájúak Compton-platóján ülnek, így a kisebb energiák felé az alapvonal megemelkedik.

•Spektrum kiértékelés a HyperLabprogrammal történik.

9

17

SD (PGAA): 7,6 %Pontosság: + 3,6 %

SD (NAA): 6,7 %Pontosság: - 3,4 %

Mér

és/r

efer

enci

a ér

ték

PGAA PGAA éés NAA ms NAA méérréések eredmsek eredméényei anyei aJBJB--2 geol2 geolóógiai standardongiai standardon

JB-2

Oshima vulkán, Japán

18

NAA, PGAA és XRF mérések eredményeinek összehasonlítása

PGAANAA

10

19

MÉRHETŐ ELEMEK

Andezit: Tokaji-hegység

20

KÖVETKEZTETÉSEKPGAA Relatíve gyors

Főösszetevők és néhány nyomelem meghatározására alkalmas.Jelentős szerepe van a könnyű elemek vizsgálatában: H, B, ClSi meghatározására is képes, amire NAA nem.

NAA Kb. 30 elem együttes meghatárotására alkalmas, nagy megbízhatósággal.

Ritkaföldfém analízisben vezető szerepe van.

PGAA+NAA együttes alkalmazásával a geokémiában fontos elemek bővebb spektrumát kapjuk.

GeokémiábanFőelemek mellett a nyomelemek ismerete szükséges!Eddig nem vagy nehezen mérhető elemek (pl.: B, Cl, H)

vizsgálata újabb, bővebb információkkal szolgál.

Isle of Skye, UK

EGY MÓDSZER NEM MÓDSZER!