آنالیز به روش فعالسازی نوترونی

آنالیز به روش فعالسازی نوترونی (NAA) بعنوان یک روش قدرتمند برای آنالیز نمونه­ها وتعیین کیفی و کمی عناصر موجود در نمونه بکار

می­رود. اساس این روش بر پایه تبدیل عناصر مختلف موجود در نمونه به ایزوتوپ­های رادیو اکتیو در اثر تابش­دهی با نوترون در رآکتور هسته­ای استوار است. در اثر تابش­دهی ایزوتوپ­های پایدار که اکثر عناصر تشکیل دهنده نمونه­های معدنی، مواد زیست شناسی و ... را شامل می­شوند در اثر نوترون­گیری به مواد رادیو اکتیو تبدیل می­شوند. این عناصر رادیواکتیو متناسب با مشخصه­­ی نیمه عمرشان که از ثانیه تا سال متغییر است شروع به واپاشی می­کنند که بیشتر بصورت نشر پرتو گاما ( ) با انرژی مشخص صورت می­گیرد. بمنظور تشخیص منبع این پرتو­های گاما  بلافاصله مشخصات آنها بوسیله آشکارساز نیمه-هادی اندازه­گیری می­شود. از آنجایی که هر رادیو نوکلوئید پرتو گاما با طول موج یا انرژی مشخصی ساطع می­کند بنابراین پرتوهای گامای منتشر شده مشخصه ایزوتوپ­های تشکیل شده و در نتیجه بیانگر عناصر موجود می­باشند. NAA یک روش موثر برای تعیین همزمان 30-25 عنصر ماتریسی کوچک و بزرگ با دقت ppm-ppb در نمونه­های زمین شناسی، محیطی و زیست شناسی به شمار می­رود. از مشخصه­های فعالسازی نوترونی می­توان به قدرت انتخاب بالا و حساسیت زیاد اشاره کرد. در مقایسه با روش­های دیگر از قبیل PIXE و XRF روش فعالسازی نوترونی همچنان به عنوان یک روش کارآمد با گستره­ی عظیمی آنالیز نقش خود را ایفا می­کند. اگرچه این روش (NAA) یک روش مقایسه­ای است و استانداردهایی از عناصر مورد نظر با غلظت مشخص در آزمایشگاههای معتبر تهیه می­شود.

اصول روش:

اصل روش NAA واکنش هسته­ای و عمدتاً بصورت گیراندازی نوترونی و در مرحله بعد گسیل گاما از طریق واپاشی بتا ( ) صورت می­گیرد. که بصورت  نمایش داده می­شود. تابش با گیراندازی نوترونی با احتمال بالا برای نوترون­های حرارتی (0.025 eV) به دلیل سطح مقطع بزرگ اتفاق می­افتد. هنگامی­که نوترون با هسته هدف از طریق برخورد غیر-الاستیک برهمکنش می­کند هسته مرکب (در یک حالت برانگیخته) تشکیل می­شود. انرژی تهییجی هسته مرکب بدلیل انرژی بستگی نوترون با هسته­هاست.

هسته مرکب معمولاً سریعاً به یک ترکیب پایدارتر از طریق گسیل یک یا چند پرتو مشخصه گاما تبدیل می­شود. در بسیاری از موارد، ترکیب جدید بدست آمده یک هسته رادیواکتیو بدست می­دهد که دوباره از طریق گسیل یک یا چند گامای تأخیری اما با سرعت کندتری معادل یک نیمه-عمر به پایداری می­رسد. بسته به نوع رادیواکتیوهای نمونه نیمه-عمر می­تواند از کسری از ثانیه تا چندین سال متغییر باشد.

بنابراین NAA می­تواند نسبت به زمان اندازه­گیری به دو گروه تقسیم­بندی شود:

1-    PGNAA که در آن اندازه­گیری در حین تابش­دهی صورت می­گیرد و یا

۲- DGNAA که اندازه­گیری بعد از واپاشی رادیواکتیو صورت می­گیرد

NAA سریع در مقابل NAA تاخیری:

روش NAA یر حسب اینکه پرتو گاما در حین پرتودهی با نوترون اندازه گیری شود (PGNAA) و یا اینکه مدتی بعد از اتمام پرتودهی اندازه­گیری شود تقسیم ­بندی می­شود(DGNAA).

PGNAAبا تابش نمونه بوسیله باریکه نوترون (از خروجی رآکتور) و اندازه­گیری همزمان پرتو مشخصه گامای گسیل شده از رادیو نوکلوئیدهای با عمرکوتاه بمنظور تعیین غلظت عناصر موجود در نمونه انجام می­شود. در حالیکه DGNAA از حساسیت بیشتری برای تعیین اکثر عناصر دارد نمی­تواند برای تعیین عناصری بکار رود که در روش قبلی قابل آنالیز هستند. میانگین انرژی نوترون­های سریع (100keV-10MeV) که در رآکتور تولید شده­اند با عبور باریکه از داخل یک کندکننده کاهش داده می شود. در برخورد نوترون­ها با اتمهای ماده کندکننده نوترونهای سریع به نوترونهای شبه حرارتی (1 keV) و حرارتی (0.025 eV) تبدیل می­شوند. میانگین انرژی حرارتی نوترون به ترتیب بستگی به مقادیر سرعت و طول موج، 2200 m/s و 2A•، دارد. کاربردهای  NAA می­تواند از طریقی با بکاربردن نوترون زیرحرارتی[1] افزایش داده شود، بعنوان مثال نوترونهای سرد (E )، مشابه روش فوق با بکار بردن کندکننده­های سرمازا متشکل از CH₄ مایع در بازه دمائی 20 تا 110K تولید کرد.

باریکه نوترونهای معمولی از رآکتور تحقیقاتی تهران با نوترونهای سریع و تابش­های  ناشی از هسته همراه هست که فیلترها، باریکه سازها و حفاظ گذاری می­توانند تا حد زیادی اثر این موئلفه­های ناخواسته را بکاهد. باریکه­های نوترونهای سرد زمینه­ی گاما و نوترون سرد خیلی کمتری دارند بنابراین برای گیراندازی نوترون و آزمایشهای فیزیک پایه آشکارسازها بمنظور حساسیت بالا و انجام روشهای همزمانی نزدیک نمونه قرار می­گیرند. از آنجائی که شار تابیده شده به نمونه از باریکه نوترونی از مرتبه میلیون برابر کمتر از نمونه قرار گرفته شده در رآکتور است آشکارساز می­تواند بمنظور جبران کاهش حساسیت ناشی از شار نزدیک نمونه قرار بگیرد. روش PGNAA بیشتر برای عناصر با سطح مقطع نوترون­گیری خیلی بالا  ،عناصری که خیلی سریعتر از آنچه به روش DGNAA اندازه­گیری شوند واپاشی می­کننند، کارائی دارد. روش  DGNAAبرای گستره­ی زیادی از عناصر که رادیونوکلوئید تولید می­کنند مفید است. این روش نسبت به زمان انعطاف­پذیر است چنانچه حساسیت رادیونوکلوئید با نیمه-عمر بلند با رادیونوکلوئید با نیمه-عمر کوتاه تداخل دارد می­تواند با گذر زمان و واپاشی رادیونوکلوئید کوتاه بهبود یابد. این حق انتخاب کلید برتری این روش به سایر روشهاست.

 

آنالیز با فعالسازی نوترونهای سریع و شبه حرارتی:

روش NAA از نوترونهای کند بهره می­گیرد هرچند نوترونهای سریع و شبه حرارتی ممکن است برای فعالسازی بکار برده شود. یک روش NAA که تنها از نوترونهای شبه حرارتی برای ایجاد واکنش  با تابش­دهی نمونه بهره می­گیرد و در حفاظهای کادمیم و یا بور آنالیز می­شود روش فعالسازی با نوترون شبه حرارتی  نامیده می­شود. روش   NAAکه با استفاده از نوترونهای سریع برای انجام واکنشها بهره می­گیرد روش فعالسازی با نوترون­های سریع  نامیده می­شود.

روش NAA می­تواند به بسیاری از عناصر ماتریسی بدون آماده­سازی قبلی تعمیم داده شود. که این شامل موارد زیر می­شود:

جامدات از قبیل زغال سنگ

مایعات از قبیل خون، آب، پسماند کارخانجات، نفت و گازوئیل

گازها از قبیل آرگون، کلر و فلوئور

ذرات معلق موجود در فاضلاب­ها، آب رودخانه­ها و یا غذاها

هر نمونه و استاندارد مربوط به آن طیف گامای مشخصه مربوط به خود را دارد. روش آنالیز با NAA تفکیک با کیفیت بالا از ترکیب عناصر از طریق تشخیص، انرژی گامای مشخصه­ی مربوط به هر ایزوتوپ فراهم می­آورد. آنالیز کمی با روش مقایسه­ای عنصر به عنصر تعداد گاماهای ساطع شده در واحد زمان نمونه ناشناس به تعداد گاماهای ساطع شده در واحد زمان از نمونه استاندارد کالیبره شده صورت می­گیرد. آنالیز کمی بمنظور اندازه­گیری غلظت عناصر نمونه ناشناس در واحد نانوگرم، میکرگرم و میلی­گرم بر گرم و یا میلی­لیتر انجام می­گیرد.