Hoofdstuk 6 Neutronen activeringsanalyse Element analyse m.b.v. neutronenbronnen Neutronenbronnen Instrumentele NAA (INAA) Radiochemische NAA (RNAA) Prompt-gamma analyse Element analyse m.b.v. deeltjesversnellers Deeltjesversnellers Activeringsanalyse m.b.v. geladen deeltjes

Gebruik van radioactiviteit Element analyse m.b.v. neutronenbronnen Instrumentele Neutronen Activeringsanalyse (INAA) Radiochemische Neutronen Activeringsanalyse (RNAA) Prompt-gamma Neutronen Activeringsanalyse (PGNAA) Chemische analyse d.m.v. thermalisatie, verstrooiing en absorptie van neutronen Element analyse m.b.v. deeltjesversnellers Activeringsanalyse m.b.v. geladen deeltjes Nucleaire reactie analyse PIXE (proton-geinduceerde X-straal emissie) Gebruik van radioactieve bronnen Radio-isotoop XRF a, b, g-verstrooiing voor chemische analyse Mössbauer spectroscopie Positron annihilatie Gebruik van radiotracers Isotopendilutie analyse (IDA) Radioimmunoassay (RIA) en aanverwante klinische bepalingsmethoden Dateringsmethoden

Neutronen Activeringsanalyse Bepaling van sporenconcentraties jaren ’60: unieke bepalingsmethode Panoramisch: brede waaier van elementen 40-50 elementen Milieu: Sb, As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Se, V, Zn, … Geochemie: zeldzame aarden (REE) La, Ce, Pr, … Gevoelig: ppm niveau of beter Niet-destructief Sinds 1970: alternatieve methoden XRF, PIXE ICP-AES, ICP-MS

Neutronen Activeringsanalyse Principe bestraling met neutronen  radioactiviteit meten van isotoop-specifieke g-activiteit bepaling van de totale hoeveelheid onafhankelijk van chemische vorm monsters kunnen vast, vloeibaar, of gasvormig zijn geen chemische voorbehandeling nodig (INAA) ongevoelig voor organische matrix Nodig: neutronenbron onderzoeksreactor neutronengenerator (electron- of ionversneller) radioactieve bronnen

Onderzoeksreactoren Diverse types Aangerijkt U als brandstof (235U: 0.7  93-99%) LWR (H2O ”pool”): 10-5000 kW  f = 1010 -1014 n/s/cm2 snelle en epithermische neutronen (1H: grote sthermisch) HWR (D2O ”pool”): 10-26 MW  f  2 1014 n/s/cm2 thermische neutronen (2H, 16O: kleine sthermisch)

Onderzoeksreactoren Manipulatie van te bestralen monsters: ”rabbits” pneumatisch buizensysteem, Al/polyethyleen cylinders monsters, fluxmonitoren, standaarden geen contact met water Al: corrosiebestendig, kortlevende activatiedochters

Neutronen generatoren via (d,n), (p,n), (a,n) reacties in deeltjesversnellers belangrijkste reacties: 2H (d,n) 3He (Q > 0) 3H (d,n) 4He (Q > 0) 9Be (d,n) 10B beperkte deuteron versnelling: 150-500 keV “target” is een gas (D2, T2), geadsorbeerd op een metaal meestal wordt T (3H) gebruikt (grootste s(d,n)) 14.1-14.9 MeV neutronen via (g,n) in electronversnellers (bremsstrahlung) Cockroft-Walton of Van de Graaff versnellers

Radioactive neutronenbronnen a of g-straler + ”doel”-materiaal g + 9Be  2a + n – 1.67 MeV 124Sb-Be: neutronen van 26 ± 1.5 keV reactoractivatie: 123Sb  124Sb, t½= 60 d, Eg: 1.69 MeV g + D  H + n – 2.23 MeV a-straler + 9Be  12C* + n + 5.91 MeV 210Po, 239Pu, 241Am mengsels van fijnverdeeld Be met Po metaal/Am oxide; PuBe13 spontane fissie bronnen 252Cf  X + Y + 3.8 n + 200 MeV gemiddelde neutron-energie: 2.348 MeV 235U als neutronen-vermenigvuldiger: 1 mg 252Cf + 1 g 235U + PE als moderator

INAA Monster wordt bestraald in ongewijzigde vorm Neutron-geinduceerde reacties (n,n), (n,n’) (in)elastische strooiing (n,g) radiatieve vangst (n,a), (n,p), (n,2n) reactie met (geladen) deeltjes (n,f) geïnduceerde fissie Meest nuttige: (n,g) n + AXZ  [A+1XZ]*  A+1YZ + g aangeslagen kern [A+1XZ]*: zendt ’prompt’ g-straling uit bij verval van A+1YZ: g’s gebruikt in INAA bvb: 26Mg (n,g) 27Mg

INAA Hoofd- en nevenreacties bvb. 27Al (n,g) 28Al analytisch nuttig maar ook 28Si (n,p) 28Al interferentie 1 31P (n,a) 28Al interferentie 2 Echter: (n,g) vooral t.g.v. thermische neutronen (n,p), (n,a) vooral t.g.v. snelle neutronen  Interferenties kunnen geminimaliseerd worden

INAA Calibratie bvb.      23Na (n,g) 24Na  24Mg Massa 23Na Standaarden (oplossingen op filtreerpapier) en onbekenden

INAA – bestraling & meting 3 min bestralen 10 min wachten 10 min tellen Kort-levende radionucliden Comptonrand aerosol monster, thermische neutronen

INAA – bestraling & meting Gebruik van epithermische/snelle neutronen Cd: grote s voor thermische neutronen Bestraling ’onder Cd’: monsters in Cd omhulsel ep.n. 32S (n,p) 32P zonder Cd: x/y  700  A(32P) = x.mP+y.mS th.n. 31P (n,g) 32P met Cd: x/y  5 Ook nuttig als matrix elementen te sterk worden geactiveerd (bvb. 24Na, 59Fe) Cd-folie Al-rabbit

INAA – bestraling & meting Half-lange tot langlevende nucliden Minder actief  lange teltijden neven- en sporenbestanddelen

INAA – bestraling & meting Half-lange tot langlevende nucliden langere teltijden nodig neven- en sporenbestanddelen Comptonrand

INAA - overzicht

RNAA Ná bestraling/vóór meting Wanneer nuttig/noodzakelijk monster wordt ontsloten te analyseren elementen worden afgescheiden tijdens scheiding: geen contaminatie (actief) Wanneer nuttig/noodzakelijk belangrijke interferenties enkel waar de INAA-bepaling problemen oplevert carriers: toevoegen van niet-radioactief equivalent om verliezen aan radio-nucliden te minimaliseren Opbrengst v/d scheiding toevoegen ’radioactief tracer isotoop’ vóór eerste scheidingsstap: bvb. 57Co bij gebruik van 59Co(n,g)60Co

Prompt Gamma Analyse Meting van onmiddellijk vrijgestelde activiteit g’s met hogere energie dan ‘normaal’ verval Wanneer van nut ? als (n,g) niet werkt 11B (n,g) 12B, t½ = 0.02s; 9Be (n,g) 10Be, t½ = 1.6 Mj 113Cd (n,g) 114Cd : quasi-stabiel 157Gd (n,g) 158Cd: quasi-stabiel 30Si (n,g) 31Si : weinig/geen g’s 31P (n,g) 32P : weinig/geen g’s 44Ca (n,g) 45Ca: weinig/geen g’s Bulk analyse

Prompt Gamma Analyse Experimentele opstelling HPGe in anti-coïncidentie met NaI(Tl) scintillatoren  onderdrukking Compton achtergrond

Prompt Gamma Analyse Voordelen Nadelen goed voor elementen met lage massa ook bij vorming van (bijna)stabiele nucliden g’s met hoge energie aanpassen neutron-energie: gevoeligheid optimaliseren geringe overblijvende activiteit Nadelen lagere fluxen leveren lagere gevoeligheden op (geen accum.) verschillen in t½ kunnen niet worden gebruikt complexe spectra Strooineutronen beschadigen detector/meer afscherming Bestraling van slechts 1 monster tegelijkertijd