Análisis de activación de neutrones - Neutron activation analysis

El análisis de activación de neutrones (NAA) es el proceso nuclear utilizado para determinar las concentraciones de elementos en una gran cantidad de materiales. NAA permite el muestreo discreto de elementos, ya que ignora la forma química de una muestra y se centra únicamente en su núcleo. El método se basa en la activación de neutrones y, por lo tanto, requiere una fuente de neutrones . La muestra es bombardeada con neutrones, lo que hace que los elementos formen isótopos radiactivos. Las emisiones radiactivas y las rutas de desintegración radiactiva de cada elemento son bien conocidas. Con esta información, es posible estudiar los espectros de las emisiones de la muestra radiactiva y determinar las concentraciones de los elementos que contiene. Una ventaja particular de esta técnica es que no destruye la muestra y, por lo tanto, se ha utilizado para el análisis de obras de arte y artefactos históricos. NAA también se puede utilizar para determinar la actividad de una muestra radiactiva.

Si la NAA se realiza directamente en muestras irradiadas, se denomina Análisis de activación de neutrones instrumentales (INAA). En algunos casos, las muestras irradiadas se someten a separación química para eliminar las especies que interfieren o para concentrar el radioisótopo de interés, esta técnica se conoce como Análisis de Activación de Neutrones Radioquímicos (RNAA).

NAA puede realizar análisis no destructivos en sólidos, líquidos, suspensiones, lodos y gases con una preparación mínima o nula. Debido a la naturaleza penetrante de los neutrones incidentes y los rayos gamma resultantes, la técnica proporciona un verdadero análisis de volumen. Como los diferentes radioisótopos tienen diferentes vidas medias, el recuento se puede retrasar para permitir que las especies interferentes se descompongan eliminando la interferencia. Hasta la introducción de ICP-AES y PIXE , NAA era el método analítico estándar para realizar análisis de elementos múltiples con límites de detección mínimos en el rango de sub- ppm . La precisión de NAA está en la región del 5% y la precisión relativa suele ser mejor que el 0,1%. Hay dos inconvenientes notables en el uso de NAA; aunque la técnica es esencialmente no destructiva, la muestra irradiada permanecerá radiactiva durante muchos años después del análisis inicial, lo que requiere protocolos de manipulación y eliminación de material radiactivo de nivel bajo a medio; también, el número de reactores nucleares de activación adecuados está disminuyendo; con la falta de instalaciones de irradiación, la técnica ha perdido popularidad y se ha vuelto más cara.

Visión de conjunto

El análisis de activación de neutrones es una técnica analítica sensible de múltiples elementos que se utiliza para el análisis tanto cualitativo como cuantitativo de elementos mayores, menores, traza y raros. La NAA fue descubierta en 1936 por Hevesy y Levi, quienes descubrieron que las muestras que contenían ciertos elementos de tierras raras se volvían altamente radiactivas después de la exposición a una fuente de neutrones . Esta observación llevó al uso de radiactividad inducida para la identificación de elementos. NAA es significativamente diferente de otras técnicas analíticas espectroscópicas en que no se basa en transiciones electrónicas sino en transiciones nucleares. Para realizar un análisis de NAA, la muestra se coloca en una instalación de irradiación adecuada y se bombardea con neutrones. Esto crea radioisótopos artificiales de los elementos presentes. Después de la irradiación, los radioisótopos artificiales se desintegran con la emisión de partículas o, lo que es más importante , rayos gamma , que son característicos del elemento desde el que se emitieron.

Para que el procedimiento NAA sea exitoso, la muestra o muestra debe seleccionarse cuidadosamente. En muchos casos, los objetos pequeños se pueden irradiar y analizar intactos sin necesidad de muestreo. Pero, más comúnmente, se toma una pequeña muestra, generalmente perforando en un lugar poco visible. Aproximadamente 50 mg (una vigésima parte de un gramo ) es una muestra suficiente, por lo que se minimiza el daño al objeto. A menudo, es una buena práctica extraer dos muestras con dos brocas diferentes fabricadas con materiales diferentes. Esto revelará cualquier contaminación de la muestra del propio material de la broca. Luego, la muestra se encapsula en un vial hecho de polietileno lineal de alta pureza o cuarzo . Estos viales de muestras vienen en muchas formas y tamaños para adaptarse a muchos tipos de muestras. A continuación, la muestra y un patrón se envasan e irradian en un reactor adecuado con un flujo de neutrones conocido constante . Un reactor típico utilizado para la activación utiliza la fisión de uranio , lo que proporciona un alto flujo de neutrones y las sensibilidades más altas disponibles para la mayoría de los elementos. El flujo de neutrones de dicho reactor es del orden de 10 ¹² neutrones cm ⁻² s ⁻¹ . El tipo de neutrones generados son de energía cinética (KE) relativamente baja , típicamente menos de 0,5 eV . Estos neutrones se denominan neutrones térmicos. Tras la irradiación, un neutrón térmico interactúa con el núcleo objetivo a través de una colisión no elástica, lo que provoca la captura de neutrones. Esta colisión forma un núcleo compuesto que se encuentra en un estado excitado. La energía de excitación dentro del núcleo compuesto se forma a partir de la energía de enlace del neutrón térmico con el núcleo objetivo. Este estado excitado es desfavorable y el núcleo compuesto se desexcitará (transmutará) casi instantáneamente en una configuración más estable a través de la emisión de una partícula rápida y uno o más fotones gamma rápidos característicos. En la mayoría de los casos, esta configuración más estable produce un núcleo radiactivo. El núcleo radiactivo recién formado ahora se desintegra por la emisión de ambas partículas y uno o más fotones gamma retardados característicos. Este proceso de desintegración es mucho más lento que la desexcitación inicial y depende de la vida media única del núcleo radiactivo. Estas vidas medias únicas dependen de la especie radiactiva particular y pueden variar desde fracciones de segundo hasta varios años. Una vez irradiada, la muestra se deja durante un período de desintegración específico, luego se coloca en un detector, que medirá la desintegración nuclear de acuerdo con las partículas emitidas o, más comúnmente, los rayos gamma emitidos.

Variaciones

NAA puede variar según una serie de parámetros experimentales. La energía cinética de los neutrones utilizados para la irradiación será un parámetro experimental importante. La descripción anterior es de activación por neutrones lentos, los neutrones lentos están completamente moderados dentro del reactor y tienen KE <0,5 eV. También se pueden usar neutrones KE medios para la activación, estos neutrones solo se han moderado parcialmente y tienen KE de 0,5 eV a 0,5 MeV, y se denominan neutrones epitermales. La activación con neutrones epitermales se conoce como NAA epitermal (ENAA). Los neutrones de alta KE se utilizan a veces para la activación, estos neutrones no están moderados y consisten en neutrones de fisión primarios. Los neutrones rápidos o de alta KE tienen una KE> 0,5 MeV. La activación con neutrones rápidos se denomina Fast NAA (FNAA). Otro parámetro experimental importante es si los productos de desintegración nuclear (rayos gamma o partículas) se miden durante la irradiación de neutrones ( gamma inmediata ) o en algún momento después de la irradiación (gamma retardada, DGNAA). La PGNAA se realiza generalmente mediante el uso de una corriente de neutrones extraída del reactor nuclear a través de un puerto de haz. Los flujos de neutrones de los puertos del haz son del orden de 10 ⁶ veces más débiles que dentro de un reactor. Esto se compensa de alguna manera colocando el detector muy cerca de la muestra, lo que reduce la pérdida de sensibilidad debido al bajo flujo. PGNAA se aplica generalmente a elementos con secciones transversales de captura de neutrones extremadamente altas ; elementos que se descomponen demasiado rápido para ser medidos por DGNAA; elementos que producen solo isótopos estables ; o elementos con intensidades débiles de rayos gamma de desintegración. La PGNAA se caracteriza por tiempos de irradiación cortos y tiempos de descomposición cortos, a menudo del orden de segundos y minutos. La DGNAA es aplicable a la gran mayoría de elementos que forman radioisótopos artificiales. Los análisis de GD se realizan a menudo durante días, semanas o incluso meses. Esto mejora la sensibilidad de los radionúclidos de período largo, ya que permite la desintegración de los radionúclidos de período corto, eliminando eficazmente la interferencia. La DGNAA se caracteriza por tiempos de irradiación prolongados y tiempos de desintegración prolongados, a menudo del orden de horas, semanas o más.

Procesos nucleares que ocurren cuando el cobalto se irradia con neutrones.

Fuentes de neutrones

Se puede utilizar una variedad de fuentes diferentes:

Un reactor nuclear
Un actinoide como el californio que emite neutrones por fisión espontánea.
Una fuente alfa, como radio o americio , mezclada con berilio ; esto genera neutrones por una reacción (α, ¹² C + n)
Una reacción de fusión DT en un tubo de descarga de gas

Reactores

Algunos reactores se utilizan para la irradiación de neutrones de muestras para la producción de radioisótopos con diversos fines. La muestra se puede colocar en un recipiente de irradiación que luego se coloca en el reactor; si se requieren neutrones epitermales para la irradiación, se puede utilizar cadmio para filtrar los neutrones térmicos.

Fusores

Se puede utilizar un fusor Farnsworth-Hirsch relativamente simple para generar neutrones para experimentos de NAA. Las ventajas de este tipo de aparato es que es compacto, a menudo del tamaño de una mesa de trabajo, y que simplemente se puede encender y apagar. Una desventaja es que este tipo de fuente no producirá el flujo de neutrones que se puede obtener usando un reactor.

Fuentes de isótopos

Para muchos trabajadores en el campo, un reactor es un artículo que es demasiado caro, en cambio, es común usar una fuente de neutrones que usa una combinación de un emisor alfa y berilio. Estas fuentes tienden a ser mucho más débiles que los reactores.

Tubos de descarga de gas

Estos pueden usarse para crear pulsos de neutrones, se han usado para algunos trabajos de activación donde la desintegración del isótopo objetivo es muy rápida. Por ejemplo, en pozos petroleros.

Detectores

Detector de centelleo de rayos gamma para análisis de activación de neutrones con analista de laboratorio forense ATF en Washington, DC (1966)

Hay varios tipos de detectores y configuraciones que se utilizan en NAA. La mayoría están diseñados para detectar la radiación gamma emitida . Los tipos más comunes de detectores gamma encontrados en NAA son el tipo de ionización de gas , el tipo de centelleo y el tipo semiconductor . De estos, el tipo de centelleo y semiconductor son los más utilizados. Se utilizan dos configuraciones de detector: el detector plano, utilizado para PGNAA, y el detector de pozo, utilizado para DGNAA. El detector plano tiene una gran superficie de recogida plana y se puede colocar cerca de la muestra. El detector de pozos "rodea" la muestra con una gran superficie de recogida.

Los detectores de centelleo utilizan un cristal sensible a la radiación, más comúnmente yoduro de sodio dopado con talio (NaI (Tl)), que emite luz cuando es golpeado por fotones gamma. Estos detectores tienen una excelente sensibilidad y estabilidad, y una resolución razonable.

Los detectores de semiconductores utilizan el elemento semiconductor germanio . El germanio se procesa para formar un diodo pin (positivo-intrínseco-negativo) y cuando se enfría a ~ 77 K por nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura y el ruido del detector, produce una señal que es proporcional a la energía fotónica de la radiación entrante. Hay dos tipos de detector de germanio, el germanio derivado del litio o Ge (Li) (pronunciado 'jalea') y el germanio de alta pureza o HPGe. También se puede usar el silicio del elemento semiconductor, pero se prefiere el germanio, ya que su número atómico más alto lo hace más eficiente para detener y detectar rayos gamma de alta energía. Tanto los detectores Ge (Li) como los HPGe tienen una excelente sensibilidad y resolución, pero los detectores Ge (Li) son inestables a temperatura ambiente, y el litio se desplaza hacia la región intrínseca y arruina el detector. El desarrollo de germanio de alta pureza sin deriva ha superado este problema.

Los detectores de partículas también se pueden utilizar para detectar la emisión de partículas alfa (α) y beta (β) que a menudo acompañan a la emisión de un fotón gamma, pero son menos favorables, ya que estas partículas solo se emiten desde la superficie de la muestra y a menudo son absorbido o atenuado por gases atmosféricos que requieren costosas condiciones de vacío para ser detectadas de manera efectiva. Los rayos gamma, sin embargo, no son absorbidos ni atenuados por los gases atmosféricos y también pueden escapar de las profundidades de la muestra con una absorción mínima.

Capacidades analíticas

NAA puede detectar hasta 74 elementos dependiendo del procedimiento experimental, con límites mínimos de detección que van desde 0,1 a 1x10 ⁶ ng g ⁻¹ dependiendo del elemento bajo investigación. Los elementos más pesados tienen núcleos más grandes, por lo tanto, tienen una sección transversal de captura de neutrones más grande y es más probable que se activen. Algunos núcleos pueden capturar una serie de neutrones y permanecer relativamente estables, sin sufrir transmutación o desintegración durante muchos meses o incluso años. Otros núcleos se desintegran instantáneamente o forman solo isótopos estables y solo pueden ser identificados por PGNAA.

Límites de detección estimados para INAA usando rayos gamma de desintegración (asumiendo irradiación en un flujo de neutrones del reactor de 1x10 ¹³ n cm ⁻² s ⁻¹ )
Sensibilidad (picogramos)	Elementos
1	Dy, Eu
1-10	En, 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

Aplicaciones

El análisis de activación de neutrones tiene una amplia variedad de aplicaciones que incluyen los campos de la arqueología , la ciencia del suelo , la geología , la ciencia forense y la industria de los semiconductores . Desde el punto de vista forense, los pelos sometidos a un análisis forense detallado de neutrones para determinar si procedían de los mismos individuos se utilizaron por primera vez en el juicio de John Norman Collins .

Los arqueólogos usan NAA para determinar los elementos que componen ciertos artefactos. Esta técnica se utiliza porque no es destructiva y puede relacionar un artefacto con su fuente por su firma química. Este método ha demostrado ser muy exitoso en la determinación de rutas comerciales, particularmente para la obsidiana, con la capacidad de NAA para distinguir entre composiciones químicas. En los procesos agrícolas, el movimiento de fertilizantes y pesticidas está influenciado por el movimiento de la superficie y el subsuelo a medida que se infiltra en los suministros de agua. Para rastrear la distribución de fertilizantes y pesticidas, los iones de bromuro en varias formas se utilizan como trazadores que se mueven libremente con el flujo de agua mientras tienen una interacción mínima con el suelo. El análisis de activación de neutrones se utiliza para medir el bromuro, por lo que la extracción no es necesaria para el análisis. NAA se utiliza en geología para ayudar en la investigación de los procesos que formaron las rocas a través del análisis de elementos de tierras raras y oligoelementos. También ayuda a localizar depósitos de mineral y rastrear ciertos elementos. El análisis de activación de neutrones también se utiliza para crear estándares en la industria de los semiconductores. Los semiconductores requieren un alto nivel de pureza, y la contaminación reduce significativamente la calidad del semiconductor. NAA se utiliza para detectar trazas de impurezas y establecer estándares de contaminación, ya que implica un manejo limitado de muestras y una alta sensibilidad.

Ver también

Reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) en las capacidades NAA de Oak Ridge National Labs.
Flujo de neutrones
Obús de neutrones

Referencias

^ ^a ^b ^c ^d Pollard, AM, Heron, C., 1996, Química arqueológica . Cambridge, Real Sociedad de Química.
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^ [1] Archivado el 6 de abril de 2005 en la Wayback Machine.
^ "Análisis de activación de neutrones, servicios nucleares, NRP" . Archivado desde el original el 28 de enero de 2013 . Consultado el 13 de abril de 2006 .
^ Resultados de la búsqueda - Glosario de campos petrolíferos de Schlumberger
^ Keyes, Edward (1976). Los asesinatos de Michigan . Prensa de Reader's Digest. ISBN 978-0-472-03446-8 .
^ Aplicaciones de NAA

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[missouri1-2] Descripción general de NAA

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[6] Keyes, Edward (1976). Los asesinatos de Michigan . Prensa de Reader's Digest. ISBN 978-0-472-03446-8 .

[7] Aplicaciones de NAA

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