Neutron Activation Analysis, NAA

Neutron Activation Analysis

การวเิคราะหด์ว้ยการอาบนวิตรอน

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

Neutron capture reaction

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

Thermal neutron

Target nucleus

Compound nucleus

Radioactive nucleus

Prompt gamma ray

Delay gamma ray

Beta particle

Product nucleus

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• ปฏกิริยิาจบันวิตรอน (Neutron capture) นวิเคลยีสของธาตจัุบเทอรม์ัลนวิตรอนท าใหก้ลายเป็นนวิเคลยีสกมัมันตรังส ีหรอืไอโซโทปรังส ีทีป่ลดปลอ่ยรังสทีีม่พีลงังานจ าเพาะของแตล่ะไอโซโทปออกมา

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• อตัราการเกดิปฏกิริยิา (Activation rate)

ถา้ม ี นวิตรอนฟลกัซ ์(Flux) หรอืความเขม้ F n cm-2 s-1 ท าปฏกิริยิากบัธาตจุ านวน NT อะตอม มคีรอสเซคชนั (Cross section) s barn หรอืสมัประสทิธิก์ารเกดิปฏกิริยิา ( 1 barn = 10-24 cm2)

A = s N F s-1

F + NT N*

(1)

• มอีตัราการเกดิปฏกิริยิา :

N* = N0* e-lt

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• อตัราการสลายตวั (Decay rate) นวิเคลยีสหรอืไอโซโทปรังสทีีเ่กดิขึน้จ านวน N* อะตอม มคีา่คงทีก่ารสลายตวั (Decay constant) l s-1

• ระหวา่งทีอ่าบนวิตรอนไอโซโทปรังสทีีเ่กดิขึน้มกีารสลายตวั ท าใหจ้ านวนไอโซโทปรังสี

ลดลงตามเวลาโดยมอีตัราการสลายตวั

dN* = -l N* s-1 dt

(3)

(2)

Production rate = Activation rate – Decay rate

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• อตัราการเกดิไอโซโทปรงัส ี(Production rate) ไอโซโทปรังสทีีเ่กดิขึน้ เทา่กบั ผลตา่งของอตัราการเกดิปฏกิริยิากับอตัราการสลายตวั

dN* = sFN - l N* dt

N* = sFN(1 - e-lt) l

(7)

(6)

(5)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• กมัมนัตภาพรงัส ี(Induced radioactivity) กมัมันตภาพของไอโซโทปรังส ีเมือ่อาบนวิตรอน (Irradiation) ดว้ยเวลา ti

A0 = sFN(1 - e-lti)

l N* = sFN(1 - e-lti) (8)

(9)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• เมือ่หยดุการอาบนวิตรอน (Irradiation) ไอโซโทปรังสจีะไมเ่พิม่ขึน้และจะสลายตวัท าให ้กมัมันตภาพรังสลีดลงตามเวลาทีส่ลายตวั (Decay time), td

A = sFN(1 - e-lti) e-ltd

A = A0 e-ltd (10)

(11)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• กมัมันตภาพรังสสีงูขึน้ตามเวลาในการอาบนวิตรอน (Irradiation time), ti และลดลงตามเวลาในการสลายตวั (Decay time), td

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25

Radioactivity of neutron irradiated sample

Irradiation time Decay time End of irradiation

Rad

ioac

tivi

ty

A0

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• จ านวนอะตอมของธาต ุสามารถหาไดจ้ากการวัดกมัมันตภาพรังส ีA เมือ่ทราบคา่ฟลกัซข์องนวิตรอน F ครอสเซคชัน่ของการเกดิปฏกิริยิา s

เวลาในการอาบนวิตรอน และเวลาในการสลายตวั

N = A (12)

sF(1 - e-lti) e-ltd

N = A eltd

sF(1 - e-lti)

(13)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• นวิไคลด ์(Nuclides) ของธาต ุ

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• ส าหรับธาตใุนตวัอยา่งทีม่นี ้าหนัก w กรัม และม ีIsotope abundance q

• มจี านวนอะตอม

w = A0M eltd

sF NAq(1 - e-lti)

N = w NAq

M

(14)

NA = Avogrado’s number, M = atomic weight

• แทนคา่ N ในสมการ (13)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• ส าหรับธาตใุนตวัอยา่งทีม่นี ้าหนัก w กรัม และม ีIsotope abundance q

• มจี านวนอะตอม NA = Avogrado’s number, M = atomic weight

w = A0 M eltd

sF NAq(1 - e-lti)

N = w NAq

M

(16)

(15)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• Gamma ray spectrometer กมัมันตภาพรังสจีากไอโซโทปทีเ่กดิขึน้ สามารถวัดและวเิคราะหด์ว้ยระบบวัดรังสแีกมมา

• หวัวัดรังสแีกมมาแบบสารกึง่ตวัน าบรสิทุธิส์งู (High Purity Germanium detector) HPGe และระบบวเิคราะหส์ญัญาณ สามารถใชว้ัดiรังสแีกมมาโดยแสดงผลเป็นคา่นับวัด (Count) ของรังสแีตล่ะพลงังานทีต่รวจวัดไดบ้นสเปกตรัมรังสแีกมมา (Gamma ray spectrum)

• Gamma ray spectrometry

• รังสแีกมมาแตล่ะพลงังาน แสดงดว้ยโฟโตพคีบนสเปกตรัม โดยมอีตัราการนับวัด

• กมัมันตภาพรังส ีค านวณไดจ้ากอตัราการนับวัดรังสตีอ่ประสทิธภิาพ

Count rate = peak area

counting time

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

Efficiency, e = Count rate

Activity

Activity = Count rate e

(17)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• Absolute method NAA

• ปรมิาณธาตทุีต่อ้งการวเิคราะห ์สามารถค านวณไดจ้ากคา่นับวัดรังสแีกมมา โดยแทนคา่สมการที ่(17) ในสมการที ่(16)

• Absolute method NAA เป็นการวเิคราะหโ์ดยทราบคา่ตวัแปรทัง้หมด

w = count rate M eltd

sF NAq e (1 - e-lti) (18)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• Comparative method NAA

• ใชส้ารอา้งองิ (Reference material) ทีท่ราบปรมิาณธาตทุีต่อ้งการวเิคราะห ์อาบนวิตรอนพรอ้มกบัตวัอยา่ง (Sample)

• สมการ NAA ส าหรับสารอา้งองิ (R)

• สมการ NAA ส าหรับตวัอยา่ง (S)

w(R) = count rate (R) M eltd(R)

sF NAq e (1 - e-lti)

w(S) = count rate (S) M eltd(S)

sF NAq e (1 - e-lti)

(19)

(20)

Thailand Institute of Nuclear Technology (Public Organization)

www.tint.or.th

การวเิคราะหโ์ดยการอาบนวิตรอน (Neutron Activation Analysis)

• Comparative method NAA

• สมการที ่(20) หารดว้ยสมการที ่(19)

w(R) count rate (R) eltd(R)

w(S) count rate (S) eltd(S)

(21)

(22)

=

count rate (R)

w(R) count rate (S) el(td(S) - td(R))

w(S) =