تحليل التنشيط النيوتروني
تحليل التنشيط النيوتروني ( NAA ) هو عملية نووية تُستخدم لتحديد تركيزات العناصر في العديد من المواد. يسمح هذا التحليل بأخذ عينات منفصلة من العناصر، إذ يتجاهل التركيب الكيميائي للعينة ويركز فقط على نوى الذرات. تعتمد هذه الطريقة على التنشيط النيوتروني ، وبالتالي تتطلب مصدرًا للنيوترونات . تُقذف العينة بالنيوترونات ، مما يؤدي إلى تكوين نظائر مشعة من عناصرها. وقد دُرست الانبعاثات الإشعاعية ومسارات الاضمحلال الإشعاعي لكل عنصر على مدى سنوات طويلة. وباستخدام هذه المعلومات، يُمكن دراسة أطياف انبعاثات العينة المشعة، وتحديد تركيزات العناصر المختلفة فيها. ومن أهم مزايا هذه التقنية أنها لا تُتلف العينة، ولذلك استُخدمت لتحليل الأعمال الفنية والقطع الأثرية التاريخية. كما يُمكن استخدام تحليل التنشيط النيوتروني لتحديد نشاط العينة المشعة.
إذا أُجري تحليل التنشيط النيوتروني مباشرةً على العينات المُشعَّعة، يُطلق عليه تحليل التنشيط النيوتروني الآلي ( INAA ). في بعض الحالات، تُخضع العينات المُشعَّعة للفصل الكيميائي لإزالة المواد المتداخلة أو لتركيز النظير المشع المطلوب؛ وتُعرف هذه التقنية بتحليل التنشيط النيوتروني الكيميائي الإشعاعي ( RNAA ).
تُتيح تقنية التحليل بالتنشيط النيوتروني (NAA) إجراء تحليلات غير مُتلفة على المواد الصلبة والسائلة والمعلقات والملاط والغازات دون الحاجة إلى تحضير أو بتحضير بسيط للغاية. وبفضل قدرة النيوترونات الساقطة على الاختراق، وما ينتج عنها من أشعة غاما، تُوفر هذه التقنية تحليلًا شاملًا حقيقيًا. ونظرًا لاختلاف أعمار النصف للنظائر المشعة، يُمكن تأخير عملية العد للسماح للأنواع المتداخلة بالتحلل، مما يُزيل التداخل. وحتى ظهور تقنيتي ICP-AES و PIXE ، كانت تقنية NAA هي الطريقة التحليلية القياسية لإجراء تحليلات متعددة العناصر بحدود كشف دنيا في نطاق أجزاء في المليون . [ 1 ] تبلغ دقة تقنية NAA حوالي 5%، وغالبًا ما تكون الدقة النسبية أفضل من 0.1%. [ 1 ] إلا أن هناك عيبين جديرين بالذكر لاستخدام تقنية NAA؛ فعلى الرغم من أن هذه التقنية غير مُتلفة في جوهرها، إلا أن العينة المُشععة ستظل مُشعة لسنوات عديدة بعد التحليل الأولي، مما يستلزم اتباع بروتوكولات مُحددة للتعامل والتخلص من المواد المشعة منخفضة إلى متوسطة المستوى. كما أن عدد المفاعلات النووية المناسبة للتنشيط آخذ في التناقص؛ ومع نقص مرافق التشعيع، تراجعت شعبية هذه التقنية وأصبحت أكثر تكلفة.
ملخص
تحليل التنشيط النيوتروني تقنية تحليلية حساسة متعددة العناصر ، تُستخدم للتحليل النوعي والكمي للعناصر الرئيسية والثانوية والنادرة. اكتُشفت هذه التقنية عام 1936 على يد هيفيسي وليفي، اللذين لاحظا أن العينات التي تحتوي على بعض العناصر الأرضية النادرة تُصبح شديدة الإشعاع بعد تعريضها لمصدر نيوترونات. [ 2 ] أدت هذه الملاحظة إلى استخدام النشاط الإشعاعي المُستحث لتحديد العناصر. يختلف تحليل التنشيط النيوتروني اختلافًا جوهريًا عن تقنيات التحليل الطيفي الأخرى، إذ يعتمد على الانتقالات النووية لا الانتقالات الإلكترونية. لإجراء تحليل التنشيط النيوتروني، تُوضع العينة في جهاز تشعيع مناسب وتُقصف بالنيوترونات، مما يُنتج نظائر مشعة اصطناعية للعناصر الموجودة. بعد التشعيع، تتحلل هذه النظائر المشعة مع انبعاث جسيمات، أو الأهم من ذلك، أشعة غاما ، التي تُميز العنصر الذي انبعثت منه.
لضمان نجاح إجراء التحليل بالتنشيط النيوتروني، يجب اختيار العينة بعناية. في كثير من الحالات، يمكن تشعيع وتحليل الأجسام الصغيرة سليمة دون الحاجة إلى أخذ عينات. ولكن، في أغلب الأحيان، تُؤخذ عينة صغيرة، عادةً عن طريق الحفر في مكان غير ظاهر. حوالي 50 ملغ (عُشر غرام ) عينة كافية، مما يقلل من تلف الجسم. [ 3 ] من الممارسات الجيدة أخذ عينتين باستخدام مثقابين مختلفين مصنوعين من مواد مختلفة. هذا يكشف أي تلوث في العينة من مادة المثقاب نفسها. ثم تُغلّف العينة في قارورة مصنوعة إما من البولي إيثيلين الخطي عالي النقاء أو الكوارتز . [ 4 ] تتوفر قوارير العينات هذه بأشكال وأحجام متنوعة لتناسب أنواعًا مختلفة من العينات. بعد ذلك، تُعبأ العينة ومعيار قياسي وتُشعّع في مفاعل مناسب بتدفق نيوتروني ثابت ومعروف . يستخدم المفاعل النموذجي المستخدم في التنشيط النووي انشطار اليورانيوم ، مما يوفر تدفقًا عاليًا من النيوترونات وأعلى حساسية متاحة لمعظم العناصر. يبلغ تدفق النيوترونات من هذا المفاعل حوالي 10¹² نيوترون/سم² / ثانية . [ 1 ] تتميز النيوترونات المتولدة بطاقة حركية منخفضة نسبيًا ، عادةً أقل من 0.5 إلكترون فولت . تُسمى هذه النيوترونات بالنيوترونات الحرارية. عند التشعيع، يتفاعل النيوترون الحراري مع نواة الهدف عبر تصادم غير مرن، مما يؤدي إلى التقاط النيوترون. يُشكل هذا التصادم نواة مركبة في حالة إثارة. تتكون طاقة الإثارة داخل النواة المركبة من طاقة الربط .يُشعّع النيوترون الحراري نواة الهدف. هذه الحالة المثارة غير مواتية، وسرعان ما تعود النواة المركبة إلى حالة أكثر استقرارًا عبر انبعاث جسيم فوري وفوتون غاما فوري واحد أو أكثر. في معظم الحالات، ينتج عن هذه الحالة الأكثر استقرارًا نواة مشعة. تتحلل النواة المشعة المتكونة حديثًا بانبعاث جسيمات وفوتون غاما متأخر واحد أو أكثر. تتم عملية التحلل هذه بمعدل أبطأ بكثير من معدل فقدان الإثارة الأولي، وتعتمد على عمر النصف الفريد للنواة المشعة. تختلف أعمار النصف هذه باختلاف نوع المادة المشعة، وتتراوح من أجزاء من الثانية إلى عدة سنوات. بعد التشعيع، تُترك العينة لفترة تحلل محددة، ثم توضع في كاشف يقيس التحلل النووي إما بناءً على الجسيمات المنبعثة، أو، وهو الأكثر شيوعًا، بناءً على أشعة غاما المنبعثة. [ 1 ]
الاختلافات
يمكن أن يختلف التنشيط النيوتروني بالتنشيط (NAA) تبعًا لعدد من المعايير التجريبية. تُعد الطاقة الحركية للنيوترونات المستخدمة في التشعيع أحد أهم هذه المعايير. يصف ما سبق التنشيط بالنيوترونات البطيئة، وهي نيوترونات مُهدَّأة بالكامل داخل المفاعل، وطاقتها الحركية أقل من 0.5 إلكترون فولت. يمكن أيضًا استخدام نيوترونات متوسطة الطاقة الحركية للتنشيط، وهي نيوترونات مُهدَّأة جزئيًا فقط، وطاقتها الحركية تتراوح بين 0.5 إلكترون فولت و0.5 ميغا إلكترون فولت، وتُسمى بالنيوترونات فوق الحرارية. يُعرف التنشيط بالنيوترونات فوق الحرارية باسم التنشيط النيوتروني فوق الحراري (ENAA). تُستخدم أحيانًا نيوترونات عالية الطاقة الحركية للتنشيط، وهي نيوترونات غير مُهدَّأة، وتتكون من نيوترونات الانشطار الأولية. تتميز النيوترونات عالية الطاقة الحركية أو السريعة بطاقة حركية أكبر من 0.5 ميغا إلكترون فولت. يُعرف التنشيط بالنيوترونات السريعة باسم التنشيط النيوتروني السريع (FNAA). من أهم المعايير التجريبية الأخرى ما إذا كانت نواتج الاضمحلال النووي (أشعة غاما أو جسيمات) تُقاس أثناء التشعيع النيوتروني (انبعاث غاما فوري )، أو بعد فترة من التشعيع (انبعاث غاما متأخر، DGNAA). يُجرى تحليل انبعاث غاما الفوري عادةً باستخدام تيار نيوتروني يُسحب من المفاعل النووي عبر منفذ شعاع. وتكون تدفقات النيوترونات من منافذ الشعاع أضعف بنحو 10⁶ مرة من تدفقاتها داخل المفاعل. ويُعوض هذا جزئيًا بوضع الكاشف بالقرب من العينة، مما يقلل من فقدان الحساسية الناتج عن انخفاض التدفق. يُستخدم تحليل انبعاث غاما الفوري عادةً مع العناصر ذات مقاطع امتصاص النيوترونات العالية للغاية ؛ والعناصر التي تتحلل بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن قياسها بواسطة تحليل انبعاث غاما المتأخر؛ والعناصر التي تُنتج نظائر مستقرة فقط ؛ أو العناصر ذات شدة أشعة غاما ضعيفة. يتميز تحليل انبعاث غاما الفوري بأوقات تشعيع قصيرة وأوقات اضمحلال قصيرة، غالبًا في حدود الثواني والدقائق. أما تحليل انبعاث غاما المتأخر، فيُمكن تطبيقه على الغالبية العظمى من العناصر التي تُكوّن نظائر مشعة اصطناعية. تُجرى تحليلات DG عادةً على مدى أيام أو أسابيع أو حتى أشهر. يُحسّن هذا من حساسية الكشف عن النويدات المشعة طويلة العمر، إذ يسمح للنويدات المشعة قصيرة العمر بالتحلل، مما يُزيل التداخل بشكل فعال. تتميز تقنية DGNAA بفترات تشعيع طويلة وفترات تحلل طويلة، غالبًا ما تكون في حدود ساعات أو أسابيع أو أكثر.
مصادر النيوترونات
يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المصادر المختلفة:
- مفاعل نووي
- الأكتينويدات مثل الكاليفورنيوم التي تنبعث منها النيوترونات من خلال الانشطار التلقائي
- مصدر ألفا مثل الراديوم أو الأمريسيوم ، ممزوج بالبريليوم ؛ ينتج عنه نيوترونات من خلال تفاعل (α, 12 C+n)
- تفاعل اندماج الديوتيريوم-التريتيوم في أنبوب تفريغ الغاز
المفاعلات
تُستخدم بعض المفاعلات لتشعيع العينات بالنيوترونات لإنتاج النظائر المشعة لأغراض متنوعة. يمكن وضع العينة في حاوية تشعيع تُوضع بدورها في المفاعل؛ وإذا تطلب التشعيع استخدام نيوترونات فوق حرارية، فيمكن استخدام الكادميوم لتصفية النيوترونات الحرارية.
أجهزة الاندماج
يمكن استخدام جهاز اندماج نووي بسيط نسبيًا من نوع فارنسورث-هيرش لتوليد النيوترونات لتجارب التنشيط النيوتروني. من مزايا هذا النوع من الأجهزة صغر حجمه، حيث يمكن وضعه غالبًا على سطح طاولة العمل، وسهولة تشغيله وإيقافه. أما عيبه فهو أنه لا يُنتج تدفق النيوترونات الذي يُمكن الحصول عليه باستخدام مفاعل نووي.
مصادر النظائر
بالنسبة للعديد من العاملين في هذا المجال، يُعدّ المفاعل النووي مكلفاً للغاية؛ لذا يشيع استخدام مصدر نيوتروني يعتمد على مزيج من باعث جسيمات ألفا والبريليوم. وتكون هذه المصادر عادةً أضعف بكثير من المفاعلات النووية.
أنابيب تفريغ الغاز
يمكن استخدام هذه التقنيات لتوليد نبضات من النيوترونات، وقد استُخدمت في بعض أعمال التنشيط حيث يكون تحلل النظير المستهدف سريعًا جدًا. على سبيل المثال، في آبار النفط. [ 5 ]
أجهزة الكشف
تُستخدم أنواعٌ وتكويناتٌ عديدةٌ من الكواشف في تقنية التحليل بالتنشيط النيوتروني (NAA). صُمِّمَ معظمها للكشف عن أشعة غاما المنبعثة . ومن أكثر أنواع كواشف غاما شيوعًا في هذه التقنية: كاشف التأين الغازي ، وكاشف الوميض، وكاشف أشباه الموصلات . ويُعدّ كاشفا الوميض وأشباه الموصلات الأكثر استخدامًا. يُستخدم نوعان من تكوينات الكواشف: الكاشف المستوي، المُستخدم في تقنية التحليل بالتنشيط النيوتروني الموجه (PGNAA)، وكاشف البئر، المُستخدم في تقنية التحليل بالتنشيط النيوتروني الموجه بالتنشيط المباشر (DGNAA). يتميز الكاشف المستوي بسطح تجميع مسطح وكبير، ويمكن وضعه بالقرب من العينة. أما كاشف البئر، فيُحيط بالعينة بسطح تجميع كبير.
تستخدم الكواشف الوميضية بلورة حساسة للإشعاع، وهي في الغالب يوديد الصوديوم المطعّم بالثاليوم (NaI(Tl))، والتي تُصدر ضوءًا عند اصطدامها بفوتونات غاما. تتميز هذه الكواشف بحساسية واستقرار ممتازين، ودقة معقولة.
تستخدم كواشف أشباه الموصلات عنصر الجرمانيوم شبه الموصل . يُعالَج الجرمانيوم لتشكيل ثنائي PIN (موجب-داخلي-سالب) ، وعند تبريده إلى حوالي 77 كلفن باستخدام النيتروجين السائل لتقليل التيار المظلم والضوضاء، يُنتج إشارة تتناسب مع طاقة الفوتون للإشعاع الوارد. يوجد نوعان من كواشف الجرمانيوم: الجرمانيوم المُزاح بالليثيوم أو Ge(Li) (يُنطق "جيلي")، والجرمانيوم عالي النقاء أو HPGe. يمكن استخدام عنصر السيليكون شبه الموصل أيضًا، ولكن يُفضَّل الجرمانيوم نظرًا لأن عدده الذري الأعلى يجعله أكثر كفاءة في إيقاف وكشف أشعة جاما عالية الطاقة. يتميز كل من كاشفي Ge(Li) وHPGe بحساسية ودقة ممتازتين، إلا أن كاشف Ge(Li) غير مستقر في درجة حرارة الغرفة، حيث يؤدي انزياح الليثيوم إلى المنطقة الداخلية إلى تلف الكاشف. وقد تغلب تطوير الجرمانيوم عالي النقاء غير المُزاح على هذه المشكلة.
يمكن استخدام كواشف الجسيمات أيضًا لرصد انبعاث جسيمات ألفا (α) وبيتا (β) التي غالبًا ما تصاحب انبعاث فوتون غاما، إلا أن استخدامها أقل فعالية، إذ تنبعث هذه الجسيمات من سطح العينة فقط، وغالبًا ما تمتصها أو تضعفها الغازات الجوية، مما يتطلب ظروف فراغ باهظة الثمن لرصدها بكفاءة. أما أشعة غاما، فلا تمتصها أو تضعفها الغازات الجوية، ويمكنها أيضًا أن تتسرب من أعماق العينة مع امتصاص ضئيل.
القدرات التحليلية
يمكن لتقنية التنشيط النيوتروني (NAA) الكشف عن ما يصل إلى 74 عنصرًا، وذلك بحسب الإجراء التجريبي، حيث تتراوح حدود الكشف الدنيا من 0.1 إلى مليون نانوغرام/غرام، اعتمادًا على العنصر قيد الدراسة. تتميز العناصر الأثقل بنوى أكبر، وبالتالي يكون لها مقطع عرضي أكبر لالتقاط النيوترونات، ما يزيد من احتمالية تنشيطها. تستطيع بعض النوى التقاط عدد من النيوترونات والبقاء مستقرة نسبيًا، دون أن تخضع لتحول نووي أو تحلل لعدة أشهر أو حتى سنوات. بينما تتحلل نوى أخرى بشكل فوري أو تُكوّن نظائر مستقرة فقط، ولا يمكن تحديدها إلا بواسطة تقنية التنشيط النيوتروني بالبلازما (PGNAA).
| الحساسية (بيكوغرام) | عناصر |
|---|---|
| 1 | دي، يو |
| 1-10 | في، لو، من |
| 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 | ثنائية، Ca، K، Mg، P، Pt، Si، Sn، Ti، Tl، Xe، Y |
| 10 5 –10 6 | F، Fe، Nb، Ne |
| 10 7 | الرصاص، الكبريت |
التطبيقات
يُستخدم تحليل التنشيط النيوتروني على نطاق واسع في مجالات متنوعة، تشمل علم الآثار ، وعلوم التربة ، والجيولوجيا ، وعلم الأدلة الجنائية ، وصناعة أشباه الموصلات . وفي مجال الأدلة الجنائية، استُخدمت عينات الشعر التي خضعت لتحليل نيوتروني جنائي دقيق لتحديد ما إذا كانت تعود لنفس الشخص، لأول مرة في محاكمة جون نورمان كولينز . [ 6 ]
يستخدم علماء الآثار تقنية التنشيط النيوتروني (NAA) لتحديد العناصر المكونة لبعض القطع الأثرية. تُستخدم هذه التقنية لكونها غير مُتلفة، وقدرتها على ربط القطعة الأثرية بمصدرها من خلال بصمتها الكيميائية. وقد أثبتت هذه الطريقة نجاحًا كبيرًا في تحديد طرق التجارة، لا سيما تجارة حجر الأوبسيديان، بفضل قدرة تقنية التنشيط النيوتروني على التمييز بين التركيبات الكيميائية. في العمليات الزراعية، تتأثر حركة الأسمدة والمبيدات بحركة المياه السطحية وتحت السطحية أثناء تسربها إلى مصادر المياه. ولتتبع توزيع هذه الأسمدة والمبيدات، تُستخدم أيونات البروميد بأشكالها المختلفة كعناصر تتبع تتحرك بحرية مع تدفق المياه مع تفاعل ضئيل مع التربة. ويُستخدم تحليل التنشيط النيوتروني لقياس البروميد، مما يُغني عن استخلاصه للتحليل. كما تُستخدم تقنية التنشيط النيوتروني في الجيولوجيا للمساعدة في دراسة العمليات التي شكلت الصخور من خلال تحليل العناصر الأرضية النادرة والعناصر النزرة. كما تُساعد في تحديد مواقع رواسب الخامات وتتبع عناصر معينة. ويُستخدم تحليل التنشيط النيوتروني أيضًا لوضع معايير في صناعة أشباه الموصلات. تتطلب أشباه الموصلات مستوى عالٍ من النقاء، حيث يؤدي التلوث إلى انخفاض كبير في جودتها. يُستخدم تحليل التنشيط النيوتروني (NAA) للكشف عن الشوائب الضئيلة وتحديد معايير التلوث، نظرًا لأنه يتطلب معالجة محدودة للعينات وحساسية عالية. [ 7 ]
انظر أيضاً
- يمتلك مفاعل النظائر عالي التدفق (HFIR) في مختبرات أوك ريدج الوطنية قدرات التحليل بالتنشيط النيوتروني.
- تدفق النيوترونات
- مدفع هاوتزر نيوتروني
مراجع
- 1 2 3 4 بولارد، إيه إم، هيرون، سي، 1996، الكيمياء الأثرية . كامبريدج، الجمعية الملكية للكيمياء.
- 1 2 نظرة عامة على NAA
- ↑أُرشف بتاريخ 6 أبريل 2005 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
- ↑ "تحليل التنشيط النيوتروني، الخدمات النووية، NRP" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 11 أبريل 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 أبريل 2006 .
- ↑ نتائج البحث – قاموس مصطلحات حقول النفط لشركة شلمبرجير
- ↑ كيز، إدوارد (1976). جرائم قتل ميشيغان . دار نشر ريدرز دايجست. رقم ISBN 978-0-472-03446-8.
- ↑ "تطبيقات تقنية التحليل بالتنشيط النيوتروني" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-12-2015 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16-05-2014 .
- الكيمياء التحليلية
- التقنيات العلمية
- التقنيات المتعلقة بالنيوترونات