V chemii je neutronová aktivační analýza (NAA) nukleární proces používaný k určení koncentrací prvků ve vzorku. NAA umožňuje stanovení prvků diskrétním způsobem, protože nebere v úvahu chemickou formu vzorku a zaměřuje se výhradně na jádra prvků. Metoda je založena na aktivaci neutronů , a proto je nutný zdroj neutronů . Vzorek je bombardován neutrony, což má za následek vznik prvků s radioaktivními izotopy , které mají krátký poločas rozpadu. Radioaktivní záření a radioaktivní rozpaddobře známý pro každý prvek. Pomocí těchto informací je možné studovat emisní spektra radioaktivního vzorku a určit koncentrace prvků v něm. Zvláštní výhodou této metody je, že neničí vzorek a doba trvání indukovaného záření je obvykle od několika nanosekund až po hodiny. Metoda se používá k analýze uměleckých děl a historických artefaktů. NAA lze také použít ke stanovení aktivity radioaktivních vzorků a drahých kovů v rudách .
Neutronová aktivační analýza je citlivá víceprvková analytická metoda pro kvalitativní a kvantitativní analýzu téměř všech prvků. NAA objevili v roce 1936 Hevesy a Levy, kteří zjistili, že vzorky obsahující určité prvky vzácných zemin se po kontaktu se zdrojem neutronů staly vysoce radioaktivními . [1] Toto pozorování vedlo k použití indukované radioaktivity k identifikaci prvků. NAA se výrazně liší od ostatních spektroskopických metod analýzy v tom, že není založena na elektronových přechodech, ale na jaderných přechodech. Pro analýzu NAA je vzorek umístěn do vhodného ozařovaného objektu a bombardován neutrony. Vznikají tak umělé radioizotopy prvků přítomných v objektu. Po ozáření se umělé radioaktivní izotopy rozpadají emitováním částic nebo, což je důležitější, záření gama .
Pro úspěšný postup NAA musí být vzorek pečlivě vybrán. V mnoha případech lze malé předměty ozařovat a analyzovat bez nutnosti odběru vzorků. Nejčastěji se ale odebírá malý vzorek, obvykle vrtáním na nenápadném místě. Vzorek asi 50 mg je dostatečný, protože poškození předmětu je omezeno na minimum. [2] Velmi často se k odběru dvou vzorků používají dva vrtáky z různých materiálů. To umožňuje detekovat případné znečištění vzorku materiálem vrtáku. Vzorek se poté umístí do lahvičky vyrobené z vysoce čistého lineárního polyethylenu nebo křemene . [3] Lahvičky se dodávají v různých tvarech a velikostech v závislosti na různých typech vzorků. Vzorek a standard jsou poté zabaleny a ozářeny ve vhodném reaktoru s konstantním tokem neutronů. Typický reaktor používaný pro ozařování využívá jadernou štěpnou reakci uranu, která poskytuje nejvyšší tok neutronů a nejvyšší citlivost pro většinu prvků. Neutronový tok takového reaktoru je asi 1012 cm – 2 s – 1 . [4] Neutrony mají relativně nízkou kinetickou energii (KE), typicky méně než 0,5 eV . Tyto neutrony se nazývají tepelné neutrony . Při ozáření tepelné neutrony interagují s jádrem cíle pomocí nepružných srážek, což vede k záchytu neutronů. Tato srážka tvoří složené jádro, které je v excitovaném stavu. Excitovaný stav je nestabilní a složené jádro téměř okamžitě přejde do stabilnější konfigurace emitováním částic a jednoho nebo více rychlých gama fotonů. Ve většině případů stabilnější konfigurace produkuje radioaktivní jádro. Nově vzniklé radioaktivní jádro se rozpadne na dvě částice a jeden nebo více fotonů gama záření. Tento proces rozpadu je mnohem pomalejší než počáteční deexcitace a závisí na individuálním poločasu rozpadu radioaktivního jádra. Poločas rozpadu závisí na konkrétních radioaktivních izotopech a může se lišit od zlomků sekundy až po několik let. Zbývající vzorek po ozáření se umístí do detektoru, který měří další rozpad buď podle emitovaných částic nebo šířeji emitovaného gama záření. [čtyři]
Analýza aktivace neutronů se může lišit v závislosti na řadě experimentálních parametrů. Kinetická energie neutronů použitých k ozařování bude jedním z hlavních experimentálních parametrů. Výše uvedený popis je aktivace pomalými neutrony, které jsou plně moderovány uvnitř reaktoru a kinetická energie je <0,5 eV. K aktivaci lze použít i neutrony s průměrnou kinetickou energií a tyto neutrony jsou pouze částečně moderované a jejich kinetická energie je od 0,5 eV do 0,5 MeV. Tyto neutrony se nazývají epitermální. Aktivace epitermálními neutrony je známá jako analýza aktivace epitermálních neutronů (ENHA ). K aktivaci se někdy používají neutrony s vysokou kinetickou energií, tyto neutrony jsou moderované a skládají se z primárních štěpných neutronů. Kinetická energie pro rychlé neutrony: Kinetická energie > 0,5 MeV. Aktivace pomocí rychlých neutronů se nazývá Fast Neutron Activation Analysis (FNA). Dalším důležitým parametrem je následující skutečnost, zda se produkty rozpadu mění během ozařování neutrony (rychlé gama paprsky), nebo se mění nějakou dobu po ozáření (gama-ray delay, ZNAA ). Analýza aktivace rychlých neutronů se obvykle provádí pomocí toku neutronů a odebírá se z jaderného reaktoru pomocí portu paprsku. Neutronové toky z paprskových portů jsou asi 10 6krát slabší než toky uvnitř reaktoru. To je poněkud kompenzováno umístěním detektoru velmi blízko vzorku. Rychlá analýza aktivace neutronů se typicky aplikuje na prvky s extrémně vysokým průřezem záchytu neutronů; na prvky, které se rozpadají příliš rychle na to, aby se daly změřit zpoždění gama záření Analýza aktivace neutronů ; na prvky, které tvoří pouze stabilní izotopy, nebo na prvky se slabou rychlostí rozpadu gama záření. Rychlá analýza aktivace neutronů se vyznačuje krátkou dobou expozice a krátkou dobou rozpadu (od několika sekund do minuty) Zpoždění gama záření Analýza aktivace neutronů je použitelná pro velkou většinu prvků, které tvoří umělé radioaktivní izotopy. zpoždění gama záření Analýza aktivace neutronů se často provádí během několika dnů, týdnů nebo dokonce měsíců. To zlepšuje citlivost na radionuklidy s dlouhou životností a prakticky eliminuje rušení.
Pokud se neutronová aktivační analýza provádí přímo na ozářených vzorcích, nazývá se instrumentální neutronová aktivační analýza (INNA). V některých případech jsou ozářené vzorky chemicky separovány, aby se odstranily interference nebo se koncentrovaly radioaktivní izotopy, což je technika známá jako analýza aktivace radiochemických neutronů (RNAA).
K získání neutronů lze použít různé zdroje:
Některé reaktory se používají pro neutronové ozařování vzorků při výrobě radioizotopů pro různé účely. Vzorek, který má být ozařován, může být umístěn do nádoby, která je poté umístěna do reaktoru. Pokud pro ozařování nejsou potřeba žádné epitermální neutrony, lze k odfiltrování tepelných neutronů použít kadmium .
Relativně jednoduchý Funsworth-Hirschův fusor lze použít k vytvoření neutronů v experimentech NAA. Výhodou takového stroje je, že je kompaktní (velikost stolního počítače) a že jej lze jednoduše vypnout a znovu zapnout. Nevýhodou je, že tento typ zdroje nebude produkovat neutronový tok, který lze vyrobit pomocí reaktoru.
Velmi často se v prostoru reaktoru používá drahý prvek a nahrazuje se kombinací zdrojů α-záření a berylia . Tyto zdroje jsou obvykle mnohem slabší než reaktory.
Mohou být použity k vytvoření neutronových pulzů a tam, kde se cílový izotop velmi rychle rozkládá. Například v ropných vrtech. [5]
V NAA se používá celá řada detektorů. Většina z nich je určena k detekci emitovaného gama záření. Nejběžnější typy detektorů jsou plynové ionizační, scintilační a polovodičové. Z nich jsou nejpoužívanější scintilační a polovodičové. Existují také dva typy detektorů s různými konfiguracemi: ploché detektory používané pro BNAA a detektory pro ZNAA. Plochý detektor má velkou plochu a může být umístěn blízko vzorku.
Scintilační typ detektorů využívá krystaly citlivé na záření, nejčastěji dopované jodidem sodným nebo thallným (NaI / TlI), které při dopadu gama fotonů emitují světlo. Takové detektory mají vysokou citlivost, stabilitu a rozumné rozlišení.
Polovodičové detektory využívají polovodičový prvek germanium . Germanium je zpracováno za vzniku kontaktní (kladně-negativní) diody a po ochlazení na ~77 K kapalným dusíkem pro snížení temného proudu a šumu detektoru vzniká signál, který je úměrný energii fotonu dopadajícího záření. Existují dva typy germaniových detektorů - lithium-floating Ge(Li) a vysoce čisté germaniové HPGe ( vysoká čistota - vysoká čistota ). Křemík může být také použit v polovodičových detektorech , ale germanium je preferováno, protože jeho velikost atomu je větší než křemík, takže germanium je efektivnější při detekci vysoce energetických paprsků gama. Detektory Ge(Li) i HPGe mají vysokou citlivost a rozlišení, ale detektor Ge(Li) je při pokojové teplotě nestabilní. Rozvoj výroby vysoce čistého germania pomůže překonat tento problém.
Detektory lze také použít k detekci emise částic alfa (α) a beta (β), které často doprovázejí emisi fotonů gama. Detekce částic (α) a (β) je méně příznivá, protože tyto částice jsou emitovány pouze z povrchu vzorku a jsou často absorbovány nebo zeslabovány atmosférickými plyny a pro účinnou detekci vyžadují drahé vakuové zařízení. Gama paprsky však nejsou pohlcovány ani tlumeny atmosférickými plyny a mohou se také skrývat hluboko ve vzorku s minimální absorpcí.
NAA dokáže detekovat až 74 prvků v závislosti na experimentálním postupu. Minimální detekční limity od 0,1 do 1x10 6 ng g −1 v závislosti na prvku. Těžší prvky mají větší jádro, takže mají větší průřezovou plochu záchytu neutronů a je pravděpodobnější, že budou aktivovány. Některá jádra mohou zachytit neutrony a zůstat relativně stabilní, aniž by procházela transmutací nebo rozpadem po mnoho měsíců nebo dokonce let. Ostatní jádra se okamžitě rozpadají a tvoří se pouze stabilní izotopy, které lze identifikovat pomocí BNAA.
| Citlivost (pikogramy) | Prvky |
|---|---|
| jeden | Dy, Eu |
| 1–10 | In, Lu, Mn |
| 10–100 | Au, Ho, Ir, Re, Sm, W |
| 100–1000 | Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, Cs, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb, Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb |
| 1000–10 4 | 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 |
| 10 7 | Pb, S |
NAA může provádět nedestruktivní analýzu pevných látek, kapalin, suspenzí, roztoků a plynů s žádným nebo minimálním školením. Vzhledem k pronikavosti neutronů a gama paprsků poskytuje výsledná technologie přesnou objemovou analýzu. Různé radioizotopy mají různé poločasy, což může zpozdit počítání, dokud nebude rušení eliminováno. Před zavedením AESS a gama záření byla NAA standardní analytickou metodou pro provádění víceprvkové analýzy s minimálními detekčními limity v rozsahu sub-ppm [4] . Přesnost NAA je v oblasti 5 % a relativní přesnost je často lepší než 0,1 %. [4] Používání NAA má dvě nevýhody: tato technika zůstává radioaktivní po mnoho let po počáteční analýze, vyžaduje manipulaci a likvidaci radioaktivního materiálu; počet jaderných reaktorů vhodných k aktivaci klesá, což souvisí s poklesem obliby této metody a s rostoucí cenou reaktorů.