Análisis de activación de neutrones

El análisis de activación de neutrones (NAA) es el proceso nuclear utilizado para determinar las concentraciones de elementos en muchos materiales. NAA permite el muestreo discreto de elementos, ya que no tiene en cuenta la forma química de una muestra y se centra únicamente en los núcleos atómicos. El método se basa en la activación de neutrones y, por lo tanto, requiere una fuente de neutrones. La muestra se bombardea con neutrones, lo que provoca que sus elementos constituyentes formen isótopos radiactivos. Las emisiones radiactivas y las trayectorias de desintegración radiactiva de cada elemento se han estudiado y determinado durante mucho tiempo. Usando esta información, es posible estudiar los espectros de las emisiones de la muestra radiactiva y determinar las concentraciones de los diversos elementos dentro de ella. 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 instrumental de activación de neutrones (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 por 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 global. Dado que los diferentes radioisótopos tienen vidas medias diferentes, el recuento se puede retrasar para permitir que las especies que interfieren se desintegren y se eliminen las interferencias. 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 seguirá siendo radiactiva durante muchos años después del análisis inicial, lo que requerirá protocolos de manipulación y eliminación para materiales radiactivos de nivel bajo a medio; además, el número de reactores nucleares de activación adecuados está disminuyendo; debido a la falta de instalaciones de irradiación, la técnica ha perdido popularidad y se ha vuelto más costosa.

Resumen

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, trazas y raros. El NAA fue descubierto 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 condujo 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 llevar a cabo un análisis 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 del que fueron emitidos.

Para que el procedimiento NAA sea exitoso, el espécimen o muestra debe seleccionarse cuidadosamente. En muchos casos, los objetos pequeños pueden irradiarse y analizarse intactos sin necesidad de tomar muestras. 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 utilizando dos brocas diferentes hechas de diferentes materiales. Esto revelará cualquier contaminación de la muestra por el 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 muestra vienen en muchas formas y tamaños para adaptarse a muchos tipos de muestras. A continuación, la muestra y un patrón se envasan y se irradian en un reactor adecuado a un flujo de neutrones conocido y constante. Un reactor típico utilizado para la activación utiliza 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 un reactor de este tipo es del orden de 10¹² neutrones cm⁻² s⁻¹. El tipo de neutrones generados son de energía cinética relativamente baja (KE), 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 estado excitado. La energía de excitación dentro del núcleo compuesto se forma a partir de la energía de unión del neutrón térmico con el núcleo objetivo. Este estado excitado es desfavorable y el núcleo compuesto se desexcitará (transmutará) casi instantáneamente a 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 descomposición 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 y luego se coloca en un detector, que medirá la desintegración nuclear según 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 totalmente moderados dentro del reactor y tienen KE <0,5 eV. Los neutrones de KE medio también se pueden usar para la activación, estos neutrones se han moderado solo 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). A veces se utilizan neutrones de alta KE 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 rápida) o en algún momento después de la irradiación (gamma retardada, DGNAA). PGNAA generalmente se realiza 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 de haz son del orden de 10⁶ veces más débiles que dentro de un reactor. Esto se compensa en cierta medida colocando el detector muy cerca de la muestra, lo que reduce la pérdida de sensibilidad debido al bajo flujo. PGNAA generalmente se aplica 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 de rayos gamma de desintegración débil. PGNAA se caracteriza por tiempos de irradiación cortos y tiempos de descomposición cortos, a menudo del orden de segundos y minutos. DGNAA es aplicable a la gran mayoría de elementos que forman radioisótopos artificiales. Los análisis de DG a menudo se realizan durante días, semanas o incluso meses. Esto mejora la sensibilidad para los radionúclidos de vida larga, ya que permite que los radionúclidos de vida corta se desintegren, eliminando efectivamente la interferencia. DGNAA se caracteriza por largos tiempos de irradiación y largos tiempos de descomposición, 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 a través de la fisión espontánea
• Fuente alfa como el radio o el americio, mezclado con berilio; esto genera neutrones por un (α,¹²C+n) Reacción
• Una reacción de fusión D-T 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 usar cadmio para filtrar los neutrones térmicos.

Fusores

Se puede usar un fusor Farnsworth-Hirsch relativamente simple para generar neutrones para experimentos 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 apagar y encender. 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 demasiado costoso, 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 gases

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

Detectores

Detector de Scintillación Gamma-Ray para el Análisis de Activación de Neutron con Analista Forense de Laboratorio ATF en Washington, D.C. (1966)

Existen 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 que se encuentran en NAA son el tipo de ionización de gas, el tipo de centelleo y el tipo de semiconductor. De estos, los de tipo centelleo y semiconductor son los más utilizados. Se utilizan dos configuraciones de detectores, son el detector planar, utilizado para PGNAA y el detector de pozo, utilizado para DGNAA. El detector planar tiene una superficie de recolección grande y plana y se puede colocar cerca de la muestra. El detector de pozo "rodea" la muestra con una gran área de superficie de recolección.

Los detectores de tipo centelleo utilizan un cristal sensible a la radiación, generalmente 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 p-i-n (positivo-intrínseco-negativo), y cuando se enfría a ~77 K con 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 detectores de germanio, el germanio derivado del litio o Ge(Li) (pronunciado "gelatina") y el germanio de alta pureza o HPGe. También se puede usar el elemento semiconductor silicio, 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 de Ge(Li) como los de HPGe tienen una excelente sensibilidad y resolución, pero los detectores de Ge(Li) son inestables a temperatura ambiente y el litio se desplaza hacia la región intrínseca arruinando el detector. El desarrollo de germanio de alta pureza no derivado ha superado este problema.

Los detectores de partículas también se pueden usar 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 absorbidos o atenuados por los gases atmosféricos que requieren costosas condiciones de vacío para ser detectados de manera efectiva. Los rayos gamma, sin embargo, no son absorbidos ni atenuados por los gases atmosféricos y también pueden escapar desde las profundidades de la muestra con una absorción mínima.

Capacidades analíticas

NAA puede detectar hasta 74 elementos dependiendo del procedimiento experimental, con límites de detección mínimos que van desde 0,1 a 1x10⁶ 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 cantidad de neutrones y permanecer relativamente estables, sin transmutarse ni decaer durante muchos meses o incluso años. Otros núcleos se desintegran instantáneamente o forman solo isótopos estables y solo pueden identificarse mediante PGNAA.

Aplicaciones

El análisis de activación de neutrones tiene una amplia variedad de aplicaciones, incluso en 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 cabellos sometidos a un análisis de neutrones forense detallado para determinar si procedían de las mismas personas 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 para determinar las 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 superficial y subterráneo a medida que se infiltra en los suministros de agua. Para rastrear la distribución de fertilizantes y pesticidas, se utilizan iones de bromuro en diversas formas 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 usa 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 de muestras limitado y una alta sensibilidad.