Upload
vuongkiet
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
1
PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS
ANALÍZISA GEOKÉMIÁBAN
I. rész
Isle of Skye, UKGméling Katalin, 2009. november 16.
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!