تحليل تنشيط النيوترون
| العلم مع النيوترونات |
|---|
 |
| الأسس |
| تشتت النيوترون |
| تطبيقات أخرى |
|
| بنية تحتية |
|
| مرافق النيوترون |
تحليل التنشيط النيوتروني ( NAA ) هو عملية نووية تستخدم لتحديد تركيزات العناصر في العديد من المواد. يسمح NAA بأخذ عينات منفصلة من العناصر لأنه يتجاهل الشكل الكيميائي للعينة، ويركز فقط على النوى الذرية. تعتمد الطريقة على تنشيط النيوترونات وبالتالي تتطلب مصدر نيوتروني . يتم قصف العينة بالنيوترونات ، مما يتسبب في تكوين عناصرها المكونة لنظائر مشعة. تمت دراسة وتحديد الانبعاثات المشعة ومسارات الاضمحلال الإشعاعي لكل عنصر منذ فترة طويلة. باستخدام هذه المعلومات، من الممكن دراسة أطياف انبعاثات العينة المشعة، وتحديد تركيزات العناصر المختلفة داخلها. تتمثل إحدى المزايا الخاصة لهذه التقنية في أنها لا تدمر العينة، وبالتالي تم استخدامها لتحليل الأعمال الفنية والتحف التاريخية. يمكن أيضًا استخدام NAA لتحديد نشاط العينة المشعة.
إذا تم إجراء NAA مباشرة على عينات مشعة، يطلق عليه تحليل تنشيط النيوترونات الآلي ( INAA ). في بعض الحالات، تخضع العينات المشعة للفصل الكيميائي لإزالة الأنواع المتداخلة أو لتركيز النظير المشع المطلوب؛ تُعرف هذه التقنية باسم تحليل تنشيط النيوترونات الكيميائي الإشعاعي ( RNAA ).
يمكن لـ NAA إجراء تحليلات غير مدمرة على المواد الصلبة والسائلة والمعلقات والطين والغازات بدون تحضير أو بأقل قدر من التحضير. ونظرًا للطبيعة الاختراقية للنيوترونات الواردة وأشعة جاما الناتجة، توفر هذه التقنية تحليلًا حقيقيًا بالجملة. ونظرًا لأن النظائر المشعة المختلفة لها أنصاف أعمار مختلفة، يمكن تأخير العد للسماح للأنواع المتداخلة بالتحلل والقضاء على التداخل. حتى تقديم ICP-AES و PIXE ، كانت NAA هي الطريقة التحليلية القياسية لإجراء تحليلات متعددة العناصر مع حدود اكتشاف دنيا في نطاق جزء في المليون الفرعي . [1] دقة NAA في حدود 5٪، وغالبًا ما تكون الدقة النسبية أفضل من 0.1٪. [1] هناك عيبان جديران بالملاحظة لاستخدام NAA؛ على الرغم من أن التقنية غير مدمرة بشكل أساسي، إلا أن العينة المشعة ستظل مشعة لسنوات عديدة بعد التحليل الأولي، مما يتطلب بروتوكولات التعامل والتخلص من المواد المشعة منخفضة المستوى إلى متوسطة المستوى؛ كما أن عدد المفاعلات النووية المناسبة للتنشيط آخذ في الانخفاض؛ ومع نقص مرافق الإشعاع، تراجعت شعبية هذه التقنية وأصبحت أكثر تكلفة.
ملخص
تحليل تنشيط النيوترون هو تقنية تحليلية حساسة متعددة العناصر تستخدم للتحليل النوعي والكمي للعناصر الرئيسية والثانوية والعناصر النادرة. تم اكتشاف NAA في عام 1936 من قبل Hevesy و Levi، الذين وجدوا أن العينات التي تحتوي على عناصر أرضية نادرة معينة أصبحت شديدة النشاط الإشعاعي بعد التعرض لمصدر للنيوترونات. [ 2] أدت هذه الملاحظة إلى استخدام النشاط الإشعاعي المستحث لتحديد العناصر. يختلف NAA بشكل كبير عن تقنيات التحليل الطيفي الأخرى في أنه لا يعتمد على التحولات الإلكترونية ولكن على التحولات النووية. لإجراء تحليل NAA، يتم وضع العينة في منشأة إشعاع مناسبة وقصفها بالنيوترونات. هذا يخلق نظائر مشعة اصطناعية للعناصر الموجودة. بعد الإشعاع، تتحلل النظائر المشعة الاصطناعية مع انبعاث الجسيمات أو الأهم من ذلك أشعة جاما ، والتي هي سمة من سمات العنصر الذي انبعثت منه.
لكي تكون عملية NAA ناجحة، يجب اختيار العينة بعناية. في كثير من الحالات، يمكن تعريض الأشياء الصغيرة للإشعاع وتحليلها سليمة دون الحاجة إلى أخذ عينات. ولكن، بشكل أكثر شيوعًا، يتم أخذ عينة صغيرة، عادةً عن طريق الحفر في مكان غير ظاهر. حوالي 50 مجم (عشرون من الجرام ) عينة كافية، وبالتالي يتم تقليل الضرر الذي يلحق بالجسم. [3] غالبًا ما يكون من الجيد إزالة عينتين باستخدام مثقبين مختلفين مصنوعين من مواد مختلفة. سيكشف هذا عن أي تلوث للعينة من مادة مثقب الحفر نفسه. ثم يتم تغليف العينة في قارورة مصنوعة من البولي إيثيلين الخطي عالي النقاء أو الكوارتز . [4] تأتي قوارير العينات هذه بأشكال وأحجام عديدة لتناسب العديد من أنواع العينات. ثم يتم تعبئة العينة والمعيار وتعريضهما للإشعاع في مفاعل مناسب عند تدفق نيوتروني ثابت ومعروف . يستخدم المفاعل النموذجي المستخدم للتنشيط انشطار اليورانيوم ، مما يوفر تدفقًا عاليًا للنيوترونات وأعلى الحساسيات المتاحة لمعظم العناصر. يبلغ تدفق النيوترونات من مثل هذا المفاعل في حدود 10 12 نيوترون سم -2 ثانية -1 . [1] نوع النيوترونات المتولدة له طاقة حركية منخفضة نسبيًا (KE)، وعادة ما تكون أقل من 0.5 إلكترون فولت . تسمى هذه النيوترونات بالنيوترونات الحرارية. عند التعرض للإشعاع، يتفاعل النيوترون الحراري مع النواة المستهدفة من خلال تصادم غير مرن، مما يتسبب في التقاط النيوترون. يشكل هذا التصادم نواة مركبة في حالة مثارة. تتشكل طاقة الإثارة داخل النواة المركبة من طاقة ربط النيوترون الحراري بالنواة المستهدفة. هذه الحالة المثارة غير مواتية وسوف تتلاشى إثارة النواة المركبة (تتحول) على الفور تقريبًا إلى تكوين أكثر استقرارًا من خلال انبعاث جسيم سريع وواحد أو أكثر من فوتونات جاما السريعة المميزة. في معظم الحالات، ينتج عن هذا التكوين الأكثر استقرارًا نواة مشعة. تتحلل النواة المشعة المشكلة حديثًا الآن عن طريق انبعاث كل من الجسيمات وواحد أو أكثر من فوتونات جاما المتأخرة المميزة. تتم عملية الاضمحلال هذه بمعدل أبطأ كثيرًا من معدل الإثارة الأولية وتعتمد على نصف عمر النواة المشعة الفريد. تعتمد أعمار النصف الفريدة هذه على الأنواع المشعة المعينة ويمكن أن تتراوح من أجزاء من الثانية إلى عدة سنوات. بمجرد تعرض العينة للإشعاع، تُترك لفترة اضمحلال محددة، ثم توضع في جهاز كشف، والذي سيقيس الاضمحلال النووي وفقًا للجسيمات المنبعثة، أو بشكل أكثر شيوعًا، أشعة جاما المنبعثة. [1]
الاختلافات
يمكن أن تختلف NAA وفقًا لعدد من المعلمات التجريبية. ستكون الطاقة الحركية للنيوترونات المستخدمة للإشعاع معلمة تجريبية رئيسية. الوصف أعلاه يتعلق بالتنشيط بواسطة النيوترونات البطيئة، حيث يتم تعديل النيوترونات البطيئة بالكامل داخل المفاعل ولديها طاقة حركية <0.5 إلكترون فولت. يمكن أيضًا استخدام نيوترونات ذات طاقة حركية متوسطة للتنشيط، حيث تم تعديل هذه النيوترونات جزئيًا فقط ولديها طاقة حركية تتراوح من 0.5 إلكترون فولت إلى 0.5 ميجا فولت، وتسمى نيوترونات حرارية. يُعرف التنشيط باستخدام النيوترونات الحرارية باسم Epithermal NAA (ENAA). تُستخدم النيوترونات ذات الطاقة الحركية العالية أحيانًا للتنشيط، وهذه النيوترونات غير معتدلة وتتكون من نيوترونات انشطار أولية. تتمتع النيوترونات السريعة أو ذات الطاقة الحركية العالية بطاقة حركية >0.5 ميجا فولت. يسمى التنشيط باستخدام النيوترونات السريعة NAA السريع (FNAA). معلمة تجريبية رئيسية أخرى هي ما إذا كانت منتجات الاضمحلال النووي (أشعة جاما أو الجسيمات) يتم قياسها أثناء التشعيع النيوتروني ( جاما الفوري )، أو في وقت ما بعد التشعيع (جاما المتأخرة، DGNAA). يتم إجراء PGNAA بشكل عام باستخدام تيار نيوتروني يتم سحبه من المفاعل النووي عبر منفذ شعاع. تكون تدفقات النيوترونات من منافذ الشعاع أضعف بحوالي 10 مرات من داخل المفاعل. يتم تعويض ذلك إلى حد ما عن طريق وضع الكاشف بالقرب من العينة مما يقلل من الخسارة في الحساسية بسبب التدفق المنخفض. يتم تطبيق PGNAA بشكل عام على العناصر ذات المقاطع العرضية العالية للغاية لالتقاط النيوترونات ؛ العناصر التي تتحلل بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن قياسها بواسطة DGNAA ؛ العناصر التي تنتج نظائر مستقرة فقط ؛ أو العناصر ذات شدة أشعة جاما الضعيفة للاضمحلال. يتميز PGNAA بأوقات إشعاع قصيرة وأوقات اضمحلال قصيرة، غالبًا في حدود الثواني والدقائق. ينطبق DGNAA على الغالبية العظمى من العناصر التي تشكل نظائر مشعة اصطناعية. غالبًا ما يتم إجراء تحليلات DG على مدار أيام أو أسابيع أو حتى أشهر. وهذا يحسن الحساسية للنويدات المشعة طويلة العمر لأنه يسمح للنويدات المشعة قصيرة العمر بالتحلل، مما يزيل التداخل بشكل فعال. يتميز DGNAA بأوقات إشعاع طويلة وأوقات تحلل طويلة، غالبًا في حدود ساعات أو أسابيع أو أكثر.
مصادر النيوترون
يمكن استخدام مجموعة من المصادر المختلفة:
- مفاعل نووي
- الأكتينويد مثل الكاليفورنيوم الذي يصدر النيوترونات من خلال الانشطار التلقائي
- مصدر ألفا مثل الراديوم أو الأمريسيوم ، مخلوطًا مع البريليوم ؛ وهذا يولد النيوترونات عن طريق تفاعل (α، 12C +n)
- تفاعل الاندماج DT في أنبوب تفريغ الغاز
المفاعلات
تُستخدم بعض المفاعلات لتشعيع العينات بالنيوترونات لإنتاج النظائر المشعة لمجموعة من الأغراض. يمكن وضع العينة في حاوية تشعيع توضع بعد ذلك في المفاعل؛ إذا كانت هناك حاجة إلى نيوترونات حرارية للإشعاع، فيمكن استخدام الكادميوم لتصفية النيوترونات الحرارية.
الصمامات
يمكن استخدام مفاعل فارنسورث-هيرش البسيط نسبيًا لتوليد النيوترونات لتجارب NAA. تتمثل مزايا هذا النوع من الأجهزة في أنه صغير الحجم، وغالبًا ما يكون بحجم طاولة العمل، ويمكن إيقاف تشغيله وتشغيله بسهولة. ومن عيوبه أن هذا النوع من المصادر لن ينتج تدفق النيوترونات الذي يمكن الحصول عليه باستخدام المفاعل.
مصادر النظائر
بالنسبة للعديد من العاملين في هذا المجال، فإن المفاعل هو عنصر باهظ الثمن؛ وبدلاً من ذلك، من الشائع استخدام مصدر نيوتروني يستخدم مزيجًا من باعث ألفا والبيريليوم. تميل هذه المصادر إلى أن تكون أضعف بكثير من المفاعلات.
أنابيب تفريغ الغاز
يمكن استخدامها لإنشاء نبضات من النيوترونات، وقد تم استخدامها في بعض أعمال التنشيط حيث يكون تحلل النظير المستهدف سريعًا جدًا. على سبيل المثال في آبار النفط. [5]
أجهزة الكشف
هناك عدد من أنواع وتكوينات أجهزة الكشف المستخدمة في NAA. تم تصميم معظمها للكشف عن إشعاع جاما المنبعث . أكثر أنواع أجهزة الكشف عن جاما شيوعًا في NAA هي نوع التأين الغازي ونوع الوميض ونوع أشباه الموصلات . من بين هذه الأنواع، يعد نوع الوميض ونوع أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا. هناك نوعان من تكوينات أجهزة الكشف المستخدمة، وهما الكاشف المستوي، المستخدم في PGNAA وكاشف البئر، المستخدم في DGNAA. يحتوي الكاشف المستوي على مساحة سطح تجميع مسطحة وكبيرة ويمكن وضعه بالقرب من العينة. يحيط كاشف البئر بالعينة بمساحة سطح تجميع كبيرة.
تستخدم أجهزة الكشف من النوع الوميضي بلورة حساسة للإشعاع، وهي في أغلب الأحيان عبارة عن يوديد صوديوم مضاف إليه الثاليوم (NaI(Tl))، والذي يصدر الضوء عند اصطدامه بفوتونات جاما. تتمتع هذه الأجهزة بحساسية واستقرار ممتازين، ودقة معقولة.
تستخدم أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات عنصر الجرمانيوم شبه الموصل . تتم معالجة الجرمانيوم لتشكيل صمام ثنائي (موجب - جوهري - سلبي) ، وعندما يتم تبريده إلى حوالي 77 كلفن بواسطة النيتروجين السائل لتقليل التيار المظلم وضوضاء الكاشف، فإنه ينتج إشارة تتناسب مع طاقة الفوتون للإشعاع الوارد. هناك نوعان من أجهزة الكشف عن الجرمانيوم، الجرمانيوم المنجرف بالليثيوم أو Ge(Li) (ينطق "جيلي")، والجرمانيوم عالي النقاء أو HPGe. يمكن أيضًا استخدام عنصر السيليكون شبه الموصل ولكن الجرمانيوم مفضل، حيث أن رقمه الذري الأعلى يجعله أكثر كفاءة في إيقاف واكتشاف أشعة جاما عالية الطاقة. يتمتع كل من أجهزة الكشف عن Ge(Li) وHPGe بحساسية ودقة ممتازتين، ولكن أجهزة الكشف عن Ge(Li) غير مستقرة في درجة حرارة الغرفة، حيث يؤدي انجراف الليثيوم إلى المنطقة الجوهرية إلى إتلاف الكاشف. وقد تغلب تطوير الجرمانيوم عالي النقاء غير المنجرف على هذه المشكلة.
يمكن أيضًا استخدام أجهزة الكشف عن الجسيمات للكشف عن انبعاث جسيمات ألفا (α) وبيتا (β) التي غالبًا ما تصاحب انبعاث فوتون جاما ولكنها أقل ملاءمة، حيث لا تنبعث هذه الجسيمات إلا من سطح العينة وغالبًا ما يتم امتصاصها أو إضعافها بواسطة الغازات الجوية التي تتطلب ظروف فراغ باهظة الثمن للكشف عنها بشكل فعال. ومع ذلك، لا يتم امتصاص أشعة جاما أو إضعافها بواسطة الغازات الجوية، ويمكنها أيضًا الهروب من عمق العينة مع الحد الأدنى من الامتصاص.
القدرات التحليلية
يمكن لـ NAA اكتشاف ما يصل إلى 74 عنصرًا اعتمادًا على الإجراء التجريبي، مع حدود اكتشاف دنيا تتراوح من 0.1 إلى 1x10 6 ng g −1 اعتمادًا على العنصر قيد التحقيق. تحتوي العناصر الأثقل على أنوية أكبر، وبالتالي يكون لها مقطع عرضي أكبر لالتقاط النيوترونات ومن المرجح أن يتم تنشيطها. يمكن لبعض النوى التقاط عدد من النيوترونات وتظل مستقرة نسبيًا، ولا تخضع للتحول أو الاضمحلال لعدة أشهر أو حتى سنوات. تتحلل نوى أخرى على الفور أو تشكل نظائر مستقرة فقط ولا يمكن التعرف عليها إلا بواسطة PGNAA.
| الحساسية (بيكوغرام) | عناصر |
|---|---|
| 1 | دي، يو |
| 1-10 | في، لو، من |
| 10–100 | أوه، هو، إير، ري، سم، و |
| 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 | ثنائي، Ca، K، Mg، P، Pt، Si، Sn، Ti، Tl، Xe، Y |
| 10 5 –10 6 | ف، في، نب، ن. |
| 10 7 | الرصاص، الكبريت |
التطبيقات
يحتوي تحليل تنشيط النيوترون على مجموعة واسعة من التطبيقات بما في ذلك في مجالات علم الآثار وعلوم التربة والجيولوجيا والطب الشرعي وصناعة أشباه الموصلات . في الطب الشرعي، تم استخدام الشعر الذي خضع لتحليل نيوتروني جنائي مفصل لتحديد ما إذا كان مصدره نفس الأفراد لأول مرة في محاكمة جون نورمان كولينز . [6]
يستخدم علماء الآثار تقنية NAA لتحديد العناصر التي تتكون منها بعض القطع الأثرية. تُستخدم هذه التقنية لأنها غير مدمرة ويمكنها ربط القطعة الأثرية بمصدرها من خلال توقيعها الكيميائي. وقد أثبتت هذه الطريقة نجاحها الكبير في تحديد طرق التجارة، وخاصة بالنسبة للحجر البركاني، مع قدرة NAA على التمييز بين التركيبات الكيميائية. في العمليات الزراعية، تتأثر حركة الأسمدة والمبيدات الحشرية بالحركة السطحية وتحت السطحية أثناء تسللها إلى إمدادات المياه. من أجل تتبع توزيع الأسمدة والمبيدات الحشرية، تُستخدم أيونات البروميد بأشكال مختلفة كمتتبعات تتحرك بحرية مع تدفق المياه مع الحد الأدنى من التفاعل مع التربة. يستخدم تحليل تنشيط النيوترون لقياس البروميد بحيث لا يكون الاستخراج ضروريًا للتحليل. تُستخدم تقنية NAA في الجيولوجيا للمساعدة في البحث في العمليات التي شكلت الصخور من خلال تحليل العناصر الأرضية النادرة والعناصر النزرة. كما تساعد في تحديد رواسب الخام وتتبع عناصر معينة. تُستخدم تحليلات تنشيط النيوترون أيضًا لإنشاء معايير في صناعة أشباه الموصلات. تتطلب أشباه الموصلات مستوى عالٍ من النقاء، حيث يؤدي التلوث إلى تقليل جودة أشباه الموصلات بشكل كبير. تُستخدم تحليلات تنشيط النيوترون للكشف عن الشوائب الضئيلة وتحديد معايير التلوث، لأنها تنطوي على معالجة محدودة للعينات وحساسية عالية. [7]
انظر أيضا
- يتمتع مفاعل النظائر عالية التدفق (HFIR) في مختبرات أوك ريدج الوطنية بقدرات NAA.
- تدفق النيوترون
- مدفع نيوتروني
مراجع
- ^ أ ب ج د بولارد، أ م، هيرون، ج، 1996، الكيمياء الأثرية . كامبريدج، الجمعية الملكية للكيمياء.
- ^ ab نظرة عامة على NAA
- ^ [1] تم أرشفته في 6 أبريل 2005 على موقع Wayback Machine
- ^ "تحليل تنشيط النيوترون، الخدمات النووية، برنامج البحوث النووية". مؤرشف من الأصل في 2013-04-11 . تم استرجاعه في 2006-04-13 .
- ^ نتائج البحث – قاموس شلمبرجير لحقول النفط
- ^ كيز، إدوارد (1976). جرائم القتل في ميشيغان . دار نشر ريدرز دايجست. رقم ISBN 978-0-472-03446-8.
- ^ تطبيقات NAA
