중성자 활성화 분석

Neutron activation analysis
중성자를 이용한 과학
Quark structure neutron.svg
기초
중성자 산란
기타 응용 프로그램
사회 기반 시설
중성자 시설

중성자 활성화 분석(NAA)은 방대한 양의 물질에서 원소의 농도 결정에 사용되는 핵 프로세스이다.NAA는 샘플의 화학적 형태를 무시하고 핵에만 초점을 맞추기 때문에 원소의 이산 표본을 추출할 수 있다.이 방법은 중성자 활성화를 기반으로 하기 때문에 중성자 선원이 필요하다.샘플은 중성자의 충격을 받아 원소가 방사성 동위원소를 형성하게 된다.각 원소의 방사성 방출과 방사성 붕괴 경로는 잘 알려져 있다.이 정보를 이용하여 방사성 시료의 방출 스펙트럼을 연구하고 그 안에 있는 원소의 농도를 결정할 수 있다.이 기법의 특별한 장점은 표본을 파괴하지 않는다는 것이며, 따라서 예술 작품과 역사적 유물의 분석에 사용되어 왔다.NAA는 방사성 시료의 활성을 결정하는 데도 사용할 수 있다.

NAA가 조사된 샘플에 대해 직접 수행되는 경우 이를 INAA(Instrumental Neutron Activation Analysis)라고 한다.간섭종을 제거하거나 관심 있는 방사성 동위원소를 농축하기 위해 조사 시료를 화학적으로 분리하는 경우가 있는데, 이 기법을 방사선화학 중성자 활성화 분석(RNAA)이라고 한다.

NAA는 고형물, 액체, 부유물, 슬러리 및 기체에 대한 비파괴 분석을 전혀 또는 최소한의 준비 없이 수행할 수 있다.입사 중성자와 결과 감마선의 투과 특성으로 인해 이 기술은 진정한 부피 분석을 제공한다.방사성 동위원소마다 반감기가 다르기 때문에 간섭종이 붕괴하여 간섭을 제거할 수 있도록 계수를 늦출 수 있다.ICP-AES 및 PIXE가 도입될 때까지 NAA는 서브ppm 범위의 [1]최소 검출 한계로 멀티 엘리먼트 분석을 수행하기 위한 표준 분석 방식이었습니다.NAA의 정확도는 5%이며, 상대 정밀도는 대개 0.1%[1]보다 우수합니다.NAA 사용에는 두 가지 주목할 만한 단점이 있다. 기법이 본질적으로 비파괴적임에도 불구하고 조사 표본은 최초 분석 후에도 수년간 방사능을 유지하므로 저준위부터 중준위 방사성 물질에 대한 취급 및 폐기 프로토콜이 필요하다. 또한 적절한 활성화 핵반응의 수rs는 감소하고 있다. 조사 설비의 부족으로 인해 이 기법의 인기는 저하되고 비용이 비싸지고 있다.

개요

중성자 활성화 분석은 주원소, 부원소, 미량원소 및 희귀원소의 정성적 및 정량적 분석에 사용되는 민감한 다원소 분석 기법이다.NAA는 1936년 Hevesy와 Levi에 의해 발견되었는데, Hevesy와 Levi는 특정 [2]희토류 원소를 포함한 샘플이 중성자 선원에 노출된 후 고방사능이 된다는 것을 발견했다.이러한 관찰은 원소 식별을 위한 유도 방사능의 사용으로 이어졌다.NAA는 전자 전이가 아니라 핵 전이에 기초한다는 점에서 다른 스펙트럼 분석 기법과 상당히 다르다.NAA 분석을 실시하기 위해 시료를 적절한 조사시설에 넣고 중성자를 주입한다.이것은 존재하는 원소의 인공 방사성 동위원소를 만듭니다.조사 후 인공 방사성 동위원소는 입자 또는 더 중요한 감마선의 방출과 함께 붕괴한다. 감마선은 방사된 원소의 특성이다.

NAA 절차가 성공하려면 검체 또는 검체를 신중하게 선택해야 합니다.대부분의 경우 작은 물체는 표본 추출 없이 온전하게 조사 및 분석할 수 있다.그러나, 보다 일반적으로, 작은 샘플은 눈에 띄지 않는 장소에 구멍을 뚫어 채취한다.약 50mg(1g의 20분의 1g)이면 충분하기 때문에 대상물의 손상을 [3]최소화할 수 있다.종종 서로 다른 재료로 만들어진 두 개의 드릴 비트를 사용하여 두 개의 샘플을 제거하는 것이 좋습니다.이렇게 하면 드릴 비트 재료 자체에서 샘플이 오염되었음을 알 수 있습니다.그런 다음 샘플은 고순도 선형 폴리에틸렌 [4]또는 석영으로 만들어진 바이알에 캡슐화됩니다.이러한 샘플 바이알은 다양한 샘플 유형을 수용하기 위해 다양한 모양과 크기로 제공됩니다.샘플과 표준은 적절한 원자로에서 알려진 일정한 중성자속(nutron flux)으로 포장되어 조사된다.활성화에 사용되는 전형적인 원자로는 우라늄 핵분열을 사용하여 대부분의 원소에 높은 중성자속과 사용 가능한 가장 높은 민감도를 제공한다.그러한 원자로에서 나오는 중성자속은 10 중성자−2 cm−1 [1]s이다12.생성된 중성자의 유형은 상대적으로 낮은 운동 에너지(KE)이며, 일반적으로 0.5eV 미만이다.이러한 중성자를 열중성자라고 합니다.조사 시 열 중성자는 비탄성 충돌을 통해 대상 핵과 상호작용하여 중성자 포획을 일으킨다.이 충돌은 들뜬 상태의 복합핵을 형성한다.복합핵 내의 들뜸 에너지는 대상핵과 열 중성자의 결합 에너지에서 형성된다.이 들뜬 상태는 바람직하지 않으며, 복합핵은 거의 즉각적으로 즉석 입자 및 하나 이상의 특징적인 즉석 감마 광자의 방출을 통해 보다 안정적인 구성으로 탈 들뜸(변환)된다.대부분의 경우, 이 보다 안정된 구성으로 인해 방사성 핵이 생성됩니다.새로 형성된 방사성 핵은 이제 두 입자와 하나 이상의 특징적인 지연 감마 광자의 방출에 의해 붕괴된다.이 붕괴 과정은 초기 탈여자보다 훨씬 느린 속도로 진행되며 방사성 핵의 고유한 반감기에 의존합니다.이러한 고유한 반감기는 특정 방사성 종에 따라 달라지며, 몇 초에서 몇 년 사이에 발생할 수 있다.조사된 샘플은 특정 붕괴 기간 동안 방치된 후 검출기에 배치되며, 검출기는 방출된 입자 또는 더 일반적으로 방출된 감마선에 [1]따라 핵 붕괴를 측정한다.

바리에이션

NAA는 여러 가지 실험 매개변수에 따라 달라질 수 있다.조사에 사용되는 중성자의 운동 에너지는 주요 실험 매개변수가 될 것이다.위의 설명은 느린 중성자에 의한 활성화이며 느린 중성자는 원자로 내에서 완전히 감속되며 KE는 0.5 eV 미만이다.중형 KE 중성자를 활성화에 사용할 수도 있다. 이 중성자는 부분적으로만 감속되고 KE는 0.5eV에서 0.5MeV까지이며 발열 중성자로 불린다.발열 중성자에 의한 활성화는 발열 NAA(Epithermal NAA)로 알려져 있다.높은 KE 중성자가 활성화에 사용되는 경우가 있는데, 이러한 중성자는 감속되지 않고 1차 핵분열 중성자로 구성된다.높은 KE 또는 고속 중성자는 KE > 0.5 MeV이다.고속 중성자에 의한 활성화를 고속 NAA(Fast NAA)라고 한다.또 다른 주요 실험 파라미터는 핵붕괴 생성물(감마선 또는 입자)이 중성자 조사 중(프롬프트 감마) 또는 조사 후(지연 감마, DGNAA) 측정되는지 여부이다.PGNAA는 일반적으로 빔 포트를 통해 원자로에서 분리된 중성자 스트림을 사용하여 수행된다.빔 포트에서 나오는 중성자속은 원자로 내부보다 10배6 정도 약하다.이는 검출기를 샘플에 매우 가깝게 배치하여 낮은 플럭스로 인한 감도 손실을 감소시킴으로써 어느 정도 보상된다.PGNAA는 일반적으로 중성자 포획 단면이 매우 높은 요소, DGNAA로 측정할 수 없을 정도로 빠르게 붕괴하는 요소, 안정적인 동위원소만 생성하는 요소 또는 붕괴 감마선 강도가 약한 요소에 적용된다.PGNAA는 짧은 조사 시간과 짧은 붕괴 시간으로 특징지어지며, 종종 몇 초와 몇 분의 순서로 나타난다.DGNAA는 인공 방사성 동위원소를 형성하는 대부분의 원소에 적용할 수 있다.DG 분석은 종종 며칠, 몇 주 또는 심지어 몇 달에 걸쳐 수행됩니다.이는 단수명 방사성핵종의 붕괴를 허용하여 간섭을 효과적으로 제거하므로 장기수명 방사성핵종에 대한 민감도를 개선한다.DGNAA는 조사 시간이 길고 붕괴 시간이 길며, 종종 몇 시간, 몇 주 또는 그 이상이다.

코발트에 중성자를 조사했을 때 발생하는 핵과정

중성자 선원

다양한 소스를 사용할 수 있습니다.

원자로

일부 원자로는 다양한 목적을 위해 방사성 동위원소 생산을 위한 샘플의 중성자 조사에 사용된다.샘플은 조사용기에 넣어 원자로에 넣을 수 있다.열 중성자가 필요할 경우 카드뮴을 사용하여 열 중성자를 걸러낼 수 있다.

퓨저

비교적 단순한 판스워스-히르쉬 퓨저를 사용하여 NAA 실험을 위한 중성자를 생성할 수 있다.이 장치의 장점은 콤팩트하고, 종종 벤치탑 크기이며, 간단히 껐다 켤 수 있다는 것입니다.단점은 이런 유형의 선원은 원자로를 사용하여 얻을 수 있는 중성자속을 생성하지 않는다는 것이다.

동위원소 선원

현장의 많은 근로자들에게 원자로는 너무 비싼 품목이다. 대신 알파 이미터와 베릴륨의 조합을 사용하는 중성자 선원을 사용하는 것이 일반적이다.이러한 선원은 원자로보다 훨씬 약한 경향이 있다.

가스 배출관

이것들은 중성자의 펄스를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 대상 동위원소의 붕괴가 매우 빠른 일부 활성화 작업에 사용되어 왔다.예를 들어 [5]유정에서요.

검출기

워싱턴 D.C.의 ATF 법의학 실험실 분석가와 중성자 활성화 분석을 위한 감마선 섬광 검출기(1966)

NAA에는 다수의 검출기 유형과 구성이 사용된다.대부분은 방출된 감마선을 검출하도록 설계되었다.NAA에서 발생하는 감마 검출기의 가장 일반적인 유형은 가스 이온화 유형, 섬광 유형 및 반도체 유형이다.이 중에서 섬광과 반도체 유형이 가장 널리 사용된다.PGNAA에 사용되는 평면 검출기와 DGNAA에 사용되는 우물 검출기의 두 가지 검출기 구성이 사용된다.평면 검출기는 평탄하고 큰 채집 표면적을 가지며 샘플 근처에 배치할 수 있습니다.웰 검출기는 채취 표면적이 큰 샘플을 '주변'시킵니다.

섬광형 검출기는 감마 광자에 맞았을 때 빛을 방출하는 방사선에 민감한 결정, 가장 일반적으로 탈륨 도프된 요오드화나트륨(NaI(Tl))을 사용한다.이러한 검출기는 뛰어난 감도와 안정성과 합리적인 분해능을 가지고 있습니다.

반도체 검출기는 반도체 소자 게르마늄을 이용한다.게르마늄은 p-i-n(양-내-음성) 다이오드를 형성하도록 처리되며, 암전류 및 검출기 노이즈를 줄이기 위해 액체 질소에 의해 최대 77K까지 냉각되면 들어오는 방사선의 광자 에너지에 비례하는 신호를 생성한다.게르마늄 검출기에는 리튬이 첨가된 게르마늄 또는 Ge(Li)와 고순도 게르마늄 또는 HPGe 두 종류가 있습니다.반도체 소자 실리콘을 사용할 수도 있지만, 높은 원자 번호 때문에 고에너지 감마선을 정지하고 검출하는 데 더 효율적이기 때문에 게르마늄이 선호된다.Ge(Li) 검출기와 HPGe 검출기는 모두 감도와 분해능이 뛰어나지만 Ge(Li) 검출기는 실온에서 불안정하여 리튬이 고유 영역으로 흘러들어 검출기를 파괴한다.무순도 게르마늄의 개발은 이 문제를 극복했다.

입자 검출기는 감마 광자의 방출을 수반하지만 덜 바람직한 알파(α) 및 베타(β) 입자의 방출을 검출하는 데도 사용할 수 있다. 이러한 입자는 샘플 표면에서만 방출되며 종종 값비싼 진공 조건이 필요한 대기 가스에 의해 흡수되거나 감쇠되기 때문이다.검출되었습니다.그러나 감마선은 대기 가스에 의해 흡수되거나 감쇠되지 않으며, 최소한의 흡수로 표본 내 깊은 곳에서 방출될 수도 있다.

분석 기능

NAA는 실험 절차에 따라 최대 74개의 요소를 검출할 수 있으며, 최소 검출 한계는 조사 대상 요소에 따라 0.1~1x10ng이다6−1.무거운 원소는 핵이 크기 때문에 중성자 포획 단면이 크고 활성화 가능성이 높다.일부 원자핵은 많은 중성자를 포획할 수 있으며, 수개월 또는 수 년 동안 변환이나 붕괴를 겪지 않고 비교적 안정적인 상태를 유지할 수 있다.다른 원자핵은 순간적으로 붕괴되거나 안정적인 동위원소만 형성되며 PGNAA로만 식별될 수 있다.

붕괴 감마선을 이용한 INAA의 추정 검출 한계(1x10ncms의13−2−1 [2]원자로 중성자속 조사 가정)
감도(피코그램) 요소들
1 Dy, Eu
1–10 인, 루, Mn
10–100 Au, Ho, Ir, Re, Sm, W
100–1000 Ag, Ar, As, Cl, Co, Cs, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb, Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb
1000 ~ 104 Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni, Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te, Zn, Zr
104 ~ 105 Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y
105 ~ 106 F, Fe, Nb, Ne
10개7 Pb, S

적용들

중성자 활성화 분석은 고고학, 토양과학, 지질학, 법의학, 반도체 산업 분야 등 다양한 응용 분야를 가지고 있다.법의학적으로, 그것들이 같은 개인으로부터 나온 것인지 아닌지를 결정하기 위해 상세한 법의학적 중성자 분석을 거친 머리카락은 존 노먼 [6]콜린스의 재판에서 처음 사용되었다.

고고학자들은 특정 유물을 구성하는 요소들을 결정하기 위해 NAA를 사용한다.이 기술은 비파괴적이고 화학적인 특징에 의해 유물을 그 원천과 연관시킬 수 있기 때문에 사용된다.이 방법은 NAA에 의해 화학조성을 구별할 수 있는 능력을 통해 특히 흑요석의 무역경로를 결정하는 데 매우 성공적이라는 것이 입증되었다.농업 공정에서 비료와 살충제의 이동은 수원으로 침투하면서 지표면 및 지표면 이동에 의해 영향을 받는다.비료 및 살충제의 분포를 추적하기 위해 토양과의 상호작용을 최소화하면서 물의 흐름에 따라 자유롭게 이동하는 트레이서로서 다양한 형태의 브롬화 이온을 사용한다.중성자 활성화 분석은 분석 시 추출이 필요하지 않도록 브롬화물을 측정하는 데 사용된다.NAA는 희토류 원소와 미량 원소의 분석을 통해 암석을 형성하는 과정을 연구하는데 도움을 주기 위해 지질학에서 사용된다.또한 광상의 위치를 파악하고 특정 요소를 추적하는 데도 도움이 됩니다.중성자 활성화 분석은 반도체 산업 표준 작성에도 사용된다.반도체는 높은 순도를 요구하며, 오염으로 인해 반도체의 품질이 크게 저하됩니다.NAA는 미량 불순물을 검출하고 오염 기준을 확립하는 데 사용된다. NAA는 제한된 시료 취급과 높은 감도를 수반하기 때문이다.[7]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d 폴라드, A.M., 헤론, C., 1996, 고고화학.케임브리지, 왕립 화학 학회.
  2. ^ a b NAA의 개요
  3. ^ [1] 2005년 4월 6일 Wayback Machine에서 아카이브 완료
  4. ^ "Neutron Activation Analysis, Nuclear Services, NRP". Archived from the original on 2013-04-11. Retrieved 2006-04-13.
  5. ^ 검색 결과 – Schlumberger 유전 용어집
  6. ^ Keyes, Edward (1976). The Michigan Murders. Reader's Digest Press. ISBN 978-0-472-03446-8.
  7. ^ NAA의 적용