Análise de ativação de nêutrons - Neutron activation analysis

A análise de ativação de nêutrons (NAA) é o processo nuclear usado para determinar as concentrações de elementos em uma grande quantidade de materiais. NAA permite a amostragem discreta de elementos, pois ignora a forma química de uma amostra e se concentra apenas em seu núcleo. O método é baseado na ativação de nêutrons e, portanto, requer uma fonte de nêutrons . A amostra é bombardeada com nêutrons, fazendo com que os elementos formem isótopos radioativos. As emissões radioativas e os caminhos de decaimento radioativo para cada elemento são bem conhecidos. Usando essas informações, é possível estudar os espectros das emissões da amostra radioativa e determinar as concentrações dos elementos dentro dela. Uma vantagem particular dessa técnica é que ela não destrói a amostra e, portanto, tem sido usada para análise de obras de arte e artefatos históricos. NAA também pode ser usado para determinar a atividade de uma amostra radioativa.

Se o NAA for conduzido diretamente em amostras irradiadas, é denominado Análise Instrumental de Ativação de Nêutrons (INAA). Em alguns casos, as amostras irradiadas são submetidas à separação química para remover espécies interferentes ou para concentrar o radioisótopo de interesse, essa técnica é conhecida como Análise de Ativação de Nêutrons Radioquímicos (RNAA).

O NAA pode realizar análises não destrutivas em sólidos, líquidos, suspensões, lamas e gases com nenhuma ou mínima preparação. Devido à natureza penetrante dos nêutrons incidentes e dos raios gama resultantes, a técnica fornece uma verdadeira análise em massa. Como diferentes radioisótopos têm diferentes meias-vidas, a contagem pode ser atrasada para permitir que as espécies interferentes se decomponham, eliminando a interferência. Até a introdução do ICP-AES e do PIXE , o NAA era o método analítico padrão para realizar análises de múltiplos elementos com limites mínimos de detecção na faixa de subppm . A precisão do NAA está em torno de 5% e a precisão relativa costuma ser melhor do que 0,1%. Existem duas desvantagens notáveis ​​no uso de NAA; embora a técnica seja essencialmente não destrutiva, a amostra irradiada permanecerá radioativa por muitos anos após a análise inicial, exigindo protocolos de manuseio e descarte de material radioativo de nível baixo a médio; além disso, o número de reatores nucleares de ativação adequados está diminuindo; com a falta de instalações de irradiação, a técnica perdeu popularidade e se tornou mais cara.

Visão geral

Análise de activação de neutrões é uma multi- sensível elemento técnica analítica utilizada para tanto qualitativa e quantitativa análise de maior, menor, traço e elementos raros. O NAA foi descoberto em 1936 por Hevesy e Levi, que descobriram que as amostras contendo certos elementos de terras raras tornaram-se altamente radioativas após a exposição a uma fonte de nêutrons . Essa observação levou ao uso da radioatividade induzida para a identificação dos elementos. O NAA é significativamente diferente de outras técnicas analíticas espectroscópicas por se basear não em transições eletrônicas, mas em transições nucleares. Para realizar uma análise de NAA, a amostra é colocada em uma instalação de irradiação adequada e bombardeada com nêutrons. Isso cria radioisótopos artificiais dos elementos presentes. Após a irradiação, os radioisótopos artificiais decaem com emissão de partículas ou, mais importante , raios gama , que são característicos do elemento do qual foram emitidos.

Para que o procedimento NAA seja bem-sucedido, a amostra ou amostra deve ser selecionada com cuidado. Em muitos casos, pequenos objetos podem ser irradiados e analisados ​​intactos, sem a necessidade de amostragem. Mas, mais comumente, uma pequena amostra é coletada, geralmente por perfuração em um local imperceptível. Cerca de 50 mg (um vigésimo de grama ) é uma amostra suficiente, portanto, os danos ao objeto são minimizados. Muitas vezes, é uma boa prática remover duas amostras usando duas brocas diferentes feitas de materiais diferentes. Isso revelará qualquer contaminação da amostra do próprio material da broca. A amostra é então encapsulada em um frasco feito de polietileno linear de alta pureza ou quartzo . Esses frascos de amostra vêm em muitos formatos e tamanhos para acomodar muitos tipos de espécimes. A amostra e um padrão são então embalados e irradiados em um reator adequado em um fluxo de nêutrons conhecido e constante . Um reator típico usado para ativação usa fissão de urânio , fornecendo um alto fluxo de nêutrons e as maiores sensibilidades disponíveis para a maioria dos elementos. O fluxo de nêutrons de tal reator é da ordem de 10 12 nêutrons cm −2 s −1 . O tipo de nêutrons gerados são de energia cinética (KE) relativamente baixa , normalmente inferior a 0,5 eV . Esses nêutrons são chamados de nêutrons térmicos. Após a irradiação, um nêutron térmico interage com o núcleo alvo por meio de uma colisão não elástica, causando a captura de nêutrons. Esta colisão forma um núcleo composto que está em um estado excitado. A energia de excitação dentro do núcleo composto é formada a partir da energia de ligação do nêutron térmico com o núcleo alvo. Este estado excitado é desfavorável e o núcleo composto irá quase instantaneamente desexcitar (transmutar) em uma configuração mais estável através da emissão de uma partícula imediata e um ou mais fótons gama imediatos característicos. Na maioria dos casos, essa configuração mais estável produz um núcleo radioativo. O núcleo radioativo recém-formado agora decai pela emissão de ambas as partículas e um ou mais fótons gama atrasados ​​característicos. Este processo de decaimento ocorre em uma taxa muito mais lenta do que a desexcitação inicial e depende da meia-vida única do núcleo radioativo. Essas meias-vidas únicas dependem das espécies radioativas específicas e podem variar de frações de segundo a vários anos. Uma vez irradiada, a amostra é deixada por um período de decaimento específico, então colocada em um detector, que irá medir a decadência nuclear de acordo com as partículas emitidas ou, mais comumente, os raios gama emitidos.

Variações

NAA pode variar de acordo com uma série de parâmetros experimentais. A energia cinética dos nêutrons usados ​​para irradiação será um dos principais parâmetros experimentais. A descrição acima é de ativação por nêutrons lentos, nêutrons lentos são totalmente moderados dentro do reator e têm KE <0,5 eV. Neutrons de KE médio também podem ser usados ​​para ativação, esses nêutrons foram apenas parcialmente moderados e têm KE de 0,5 eV a 0,5 MeV, e são denominados nêutrons epitérmicos. A ativação com nêutrons epitérmicos é conhecida como NAA Epitérmico (ENAA). Nêutrons de alta KE às vezes são usados ​​para ativação, esses nêutrons não são moderados e consistem em nêutrons de fissão primária. Alta KE ou nêutrons rápidos têm uma KE> 0,5 MeV. A ativação com nêutrons rápidos é denominada NAA Rápido (FNAA). Outro parâmetro experimental importante é se os produtos de decaimento nuclear (raios gama ou partículas) são medidos durante a irradiação de nêutrons ( gama imediata ) ou em algum momento após a irradiação (gama retardada, DGNAA). PGNAA é geralmente realizado usando um fluxo de nêutrons extraído do reator nuclear por meio de uma porta de feixe. Os fluxos de nêutrons das portas de feixe são da ordem de 10 6 vezes mais fracos do que dentro de um reator. Isso é um pouco compensado colocando o detector muito perto da amostra, reduzindo a perda de sensibilidade devido ao baixo fluxo. PGNAA é geralmente aplicado a elementos com seções transversais de captura de nêutrons extremamente altas ; elementos que decaem muito rapidamente para serem medidos por DGNAA; elementos que produzem apenas isótopos estáveis ; ou elementos com fraca intensidade de raios gama de decaimento. PGNAA é caracterizada por curtos tempos de irradiação e curtos tempos de decaimento, frequentemente da ordem de segundos e minutos. DGNAA é aplicável à grande maioria dos elementos que formam radioisótopos artificiais. As análises de DG são frequentemente realizadas ao longo de dias, semanas ou até meses. Isso melhora a sensibilidade para radionuclídeos de vida longa, pois permite que os radionuclídeos de vida curta se decomponham, eliminando efetivamente a interferência. O DGNAA é caracterizado por longos tempos de irradiação e longos tempos de decomposição, frequentemente da ordem de horas, semanas ou mais.

Processos nucleares que ocorrem quando o cobalto é irradiado com nêutrons

Fontes de nêutrons

uma variedade de fontes diferentes pode ser usada:

Reatores

Alguns reatores são usados ​​para a irradiação de nêutrons de amostras para produção de radioisótopos para uma variedade de propósitos. A amostra pode ser colocada em um recipiente de irradiação que é então colocado no reator; se nêutrons epitérmicos forem necessários para a irradiação, o cádmio pode ser usado para filtrar os nêutrons térmicos.

Fusores

Um fusor Farnsworth-Hirsch relativamente simples pode ser usado para gerar nêutrons para experimentos de NAA. As vantagens desse tipo de aparelho são que ele é compacto, geralmente do tamanho de uma bancada, e pode simplesmente ser ligado e desligado. Uma desvantagem é que este tipo de fonte não produzirá o fluxo de nêutrons que pode ser obtido usando um reator.

Fontes de isótopos

Para muitos trabalhadores no campo, um reator é um item muito caro; em vez disso, é comum usar uma fonte de nêutrons que usa uma combinação de um emissor alfa e berílio. Essas fontes tendem a ser muito mais fracas do que os reatores.

Tubos de descarga de gás

Eles podem ser usados ​​para criar pulsos de nêutrons, eles têm sido usados ​​para alguns trabalhos de ativação onde o decaimento do isótopo alvo é muito rápido. Por exemplo, em poços de petróleo.

Detectores

Detector de cintilação de raios gama para análise de ativação de nêutrons com ATF Forensic Laboratory Analyst em Washington, DC (1966)

Existem vários tipos e configurações de detectores usados ​​no NAA. A maioria é projetada para detectar a radiação gama emitida . Os tipos mais comuns de detectores gama encontrados no NAA são o tipo de ionização de gás , o tipo de cintilação e o tipo de semicondutor . Destes, o tipo de cintilação e semicondutor são os mais amplamente empregados. Existem duas configurações de detector utilizadas, elas são o detector planar, usado para PGNAA e o detector de poço, usado para DGNAA. O detector planar tem uma grande área de superfície de coleta plana e pode ser colocado próximo à amostra. O detector de poço 'envolve' a amostra com uma grande área de superfície de coleta.

Os detectores de cintilação usam um cristal sensível à radiação, mais comumente iodeto de sódio dopado com tálio (NaI (Tl)), que emite luz quando atingido por fótons gama. Esses detectores têm excelente sensibilidade e estabilidade e uma resolução razoável.

Os detectores de semicondutores utilizam o elemento semicondutor de germânio . O germânio é processado para formar um diodo pino (positivo-intrínseco-negativo) e, quando resfriado a ~ 77 K por nitrogênio líquido para reduzir a corrente escura e o ruído do detector, produz um sinal que é proporcional à energia do fóton da radiação de entrada. Existem dois tipos de detector de germânio, o germânio derivado de lítio ou Ge (Li) (pronuncia-se 'geléia') e o germânio de alta pureza ou HPGe. O elemento semicondutor de silício também pode ser usado, mas o germânio é o preferido, pois seu número atômico mais alto o torna mais eficiente para parar e detectar raios gama de alta energia. Os detectores Ge (Li) e HPGe têm excelente sensibilidade e resolução, mas os detectores Ge (Li) são instáveis ​​à temperatura ambiente, com o lítio flutuando na região intrínseca , arruinando o detector. O desenvolvimento do germânio não derivado de alta pureza superou esse problema.

Os detectores de partículas também podem ser usados ​​para detectar a emissão de partículas alfa (α) e beta (β) que muitas vezes acompanham a emissão de um fóton gama, mas são menos favoráveis, uma vez que essas partículas são emitidas apenas da superfície da amostra e muitas vezes são absorvido ou atenuado por gases atmosféricos que requerem condições de vácuo dispendiosas para serem detectados com eficácia. Os raios gama, no entanto, não são absorvidos ou atenuados pelos gases atmosféricos e também podem escapar das profundezas da amostra com absorção mínima.

Capacidades analíticas

O NAA pode detectar até 74 elementos, dependendo do procedimento experimental, com limites de detecção mínimos variando de 0,1 a 1x10 6 ng g -1, dependendo do elemento sob investigação. Elementos mais pesados ​​têm núcleos maiores, portanto, eles têm uma seção transversal de captura de nêutrons maior e são mais propensos a serem ativados. Alguns núcleos podem capturar vários nêutrons e permanecer relativamente estáveis, sem sofrer transmutação ou decadência por muitos meses ou mesmo anos. Outros núcleos decaem instantaneamente ou formam apenas isótopos estáveis ​​e só podem ser identificados por PGNAA.

Limites de detecção estimados para INAA usando raios gama de decaimento (assumindo irradiação em um fluxo de nêutrons de reator de 1x10 13 n cm −2 s −1 )
Sensibilidade (picogramas) Elementos
1 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
10 4 - 10 5 Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y
10 5 - 10 6 F, Fe, Nb, Ne
10 7 Pb, S

Formulários

Análise por ativação com nêutrons tem uma grande variedade de aplicações, incluindo nos campos da arqueologia , ciência do solo , geologia , forense , ea indústria de semicondutores . Forense, cabelos submetidos a uma detalhada análise forense de nêutrons para determinar se eles provinham dos mesmos indivíduos foram usados ​​pela primeira vez no julgamento de John Norman Collins .

Os arqueólogos usam o NAA para determinar os elementos que compõem certos artefatos. Essa técnica é usada porque não é destrutiva e pode relacionar um artefato à sua fonte por meio de sua assinatura química. Este método provou ser muito bem sucedido na determinação de rotas comerciais, particularmente para obsidiana, com a capacidade do NAA de distinguir entre composições químicas. Nos processos agrícolas, o movimento de fertilizantes e pesticidas é influenciado pelo movimento da superfície e subsuperficial à medida que se infiltra nos suprimentos de água. A fim de rastrear a distribuição de fertilizantes e pesticidas, íons brometo em várias formas são usados ​​como marcadores que se movem livremente com o fluxo de água, tendo interação mínima com o solo. A análise de ativação de nêutrons é usada para medir o brometo, de forma que a extração não seja necessária para a análise. NAA é usado em geologia para auxiliar na pesquisa dos processos que formaram as rochas através da análise de elementos de terras raras e elementos traço. Também auxilia na localização de depósitos de minério e no rastreamento de certos elementos. A análise de ativação de nêutrons também é usada para criar padrões na indústria de semicondutores. Os semicondutores requerem um alto nível de pureza, com a contaminação reduzindo significativamente a qualidade do semicondutor. O NAA é usado para detectar traços de impurezas e estabelecer padrões de contaminação, pois envolve manuseio limitado de amostras e alta sensibilidade.

Veja também

Referências

  1. ^ a b c d Descornado, AM, garça-real, C., 1996, Archaeological Chemistry . Cambridge, Royal Society of Chemistry.
  2. ^ a b Visão geral do NAA
  3. ^ [1] Arquivado em 6 de abril de 2005, na Wayback Machine
  4. ^ "Análise de ativação de nêutrons, serviços nucleares, NRP" . Arquivado do original em 28/01/2013 . Página visitada em 2006-04-13 .
  5. ^ Resultados da pesquisa - Glossário do campo petrolífero da Schlumberger
  6. ^ Keyes, Edward (1976). Os assassinatos de Michigan . Reader's Digest Press. ISBN   978-0-472-03446-8 .
  7. ^ Aplicações de NAA