تحقیق مقاله آنالیز نوترونی

فصل اول

آنالیز فعال سازی نوترونی

1-1 تاریخچه روش آنالیز فعال سازی نوترونی (NAA)

نوترون برای اولین بار در سال 1932 توسط چادویک از بمباران برلیوم بوسیله ذرات آلفا، بصورت عملی بدست آمد. البته قبل از کشف چادویک، راترفورد در سال1920 این ذره را بعنوان ترکیبی از الکترون و پروتون و بدون بار الکتریکی فرض کرده و آن را به همین نام شناخته بود.

اولین آزمایش فعالسازی نوترونی در سال1936 توسط جرج هوسی (دانشمند مجارستانی) و شاگردش (هیلد لوی) در کپنهاک دانمارک انجام شد.

چشمه های نوترونی و آشکارسازهای اشعه گاما، دو پایه اصلی روش فعالسازی نوترونی می باشند که هر دو در سالهای اولیه تولدNAA، بسیار محدود و کمتر قابل دسترس بودند و به همین دلیل، تا قبل از تکمیل اولین راکتور گرافیتی در ایالات متحده آمریکا در سال 1942، آنالیز فعالسازی نوترونی کمتر بعنوان روشی با حساسیت بالا به کار گرفته می شد.

اما با ساخت آشکارساز سوسوزن(Tl)NaI در سال1953 و آشکارساز ژرمنیوم لیتیوم (Ge(Li)) در سال1960، انقلابی در کاربرد روشNAA بوجود آمد و این روش، از یک روش آکادمیک آنالیز مواد به یک روش حرفه ای در این عرصه تبدیل شد. پیشرفت کامپیوتر و اتوماسیون در سالهای 1970 و1980 روش فعالسازی نوترونی را به یک روش پیشرفته و با حساسیت بسیار بالا تبدیل کرد، به گونه ای که امروزه این روش به یک ابزار حیاتی در زمینه های مختلف علمی و صنعتی تبدیل شده است.

1-2 اصول روش آنالیز فعال سازی نوترونی (NAA)

در روش NAA از نوترون بعنوان پرتابه استفاده می کنیم. وقتی یک نوترون با هسته هدف برخورد می کند، بدلیل درگیر نشدن در سد کولمبی می تواند براحتی تا حد برد نیروهای هسته ای به هدف نزدیک شود. درنتیجه، انرژی جنبشی نوترون به شدت کاهش یافته و ممکن است توسط هسته جذب شود. به این فرآیند گیراندازی نوترون (Neutron Capture) می گوییم. حاصل این واکنش یک هسته برانگیخته است.

(1-1)[X+n]*                                                                                     هسته برانگیخته X(هسته هدف)

هسته برانگیخته به روشهای مختلفی می تواند واکنش کند، که مهمترین آنها عبارتند از:

1)پراکندگی کشسان    2)پراکندگی غیرکشسان    3)گسیل ذره    4)تابش فوتون    5)شکافت

پیروی هسته برانگیخته از هر کدام از این واکنشها، علاوه بر اینکه به انرژی برانگیختگی هسته مرکب وابسته است، وابستگی مستقیمی نیز به سطح مقطع واکنش بین هسته هدف و نوترون فرودی دارد.

معمولترین واکنشی که در روش NAA مورد استفاده قرار می گیرد، گسیل پرتو)(n, است:

(1-2)                                                                                                  

آهنگ جذب نوترون در هسته به سه پارامتر وابسته است:

1) شار نوترون(φ)    2) تعداد ذرات هدف(N)    3) سطح مقطع گیراندازی نوترون(σ)

تعداد ذرات هدف را می توان از رابطه زیر محاسبه کرد:

(1-3)                                                                                                           

که در آنNa عدد آووگادرو،Wجرم هسته مجهول،M جرم اتمی آن وθ فراوانی ایزوتوپی آن است.

بنابراین تعداد اتمهای رادیواکتیو شده در هر ثانیه و هر سانتیمتر مکعب از هدف، برابر است با:

(1-4)                                                                                                           

اما هم در هنگام تولید هسته رادیواکتیو و هم بعد از اتمام زمان پرتودهی، هسته های رادیواکتیو تولید شده، واپاشی می کنند. بنابراین راکتیویته یا همان تعداد هسته های رادیواکتو باقی مانده در نمونه برابر است با:

(1-5)                                                                                           

که در آن، ثابت واپاشی هسته رادیواکتیو،T نیمه عمر هسته رادیواکتیو، ti زمان پرتودهی و td زمان واپاشی می باشد. معادله(1-5) اساس کار روش فعالسازی نوترونی است.

حال نمونه را در برابر آشکارساز قرار می دهیم. اکتیویته ای که آشکارساز نشان می دهد را باید در ضریب آشکارساز، ضرب کنیم تا اکتیویته مطلق را بدست آوریم:

(1-6)                                                                                               (اکتیویته مطلق)

ضریب آشکارساز از دو پارامتر تشکیل شده است:

(1-7)                                                                                                                   

الف) : راندمان (efficiency) آشکارساز بوده و خود به دو عامل وابسته است:

1) چگونگی قرار گرفتن نمونه در برابر آشکارساز

2) راندمان ذاتی ماده تشکیل دهنده آشکارساز

ب) : که از ضرب دو عامل بدست می آید:

1) احتمال رخ دادن واکنش مورد نظر (بین ذرات ورودی به داخل آشکارساز با مواد تشکیل دهنده آشکارساز) در طراحی آشکارساز

2) نسبت الکترون خروجی به کل الکترون تولید شده در آشکارساز است.

1-3 انواع روش NAA

آنالیز مواد به روش فعال سازی نوترونی را می توان از جنبه های مختلفی دسته بندی کرد.

1-3-1 انواع NAA از لحاظ روش کار

ابتدا تقسیم بندی روشNAAرا از لحاظ نوع عملکرد و روش عملی، بررسی می کنیم. رابطه (1-5) اساس کار در روش NAA است و بنابر چگونگی استفاده از آن، آنالیز فعالسازی نوترونی را به4دسته تقسیم می کنند.

1) روش مطلق

در این روش تمام داده ها و پارامترهای لازم در معادله(1-5) و همچنین پارامترهای مربوط به آشکارساز را اندازه گیری کرده و برای محاسبه هیچکدام از آنها از یک نمونه معلوم بعنوان استاندارد استفاده نمی کنیم. بدلیل دشواری های مربوط به محاسبه داده های هسته ای و راندمان آشکارساز و همچنین محاسبه سطح مقطع واکنش مورد نظر که به شدت به انرژی نوترونهای فرودی وابسته است، این روش کاربرد عملی چندانی ندارد و بیشتر برای Co، Au و Ni که بعنوان دیده بان شار نوترونی کابرد دارند، مورد استفاده قرار می گیرد.

2) روش نیمه مطلق

در این روش برخی از پارامتر را به کمک استاندارد بدست می آوریم(اما نه همه آنها را). این روش نیز بدلیل مشکلات عملی در محاسبات و اندازه گیری ها، بجز دربرخی موارد خاص، چندان مورد استفاده قرار نمی گیرد.

3) روش استانداردسازی k0

در این روش از ضریب k0 استفاده می شود. این ضریب، نسبت پارامترهای هسته ای عنصر مورد نظر را به پارامترهای هسته ای یک عنصر مقایسه گر مانند طلا، مشخص می کند. بنابراین با بدست آوردن اکتیویته رادیوایزوتوپ های داخل نمونه و اکتیویته طلای مقایسه گر و همچنین محاسبه راندمان آشکارساز و شار نوترونی و با استفاده از ضریب k0، می توان غلظت بسیاری از عناصر را با دقت بسیار خوبی محاسبه کرد. البته این روش نیز با وجود اینکه از دو روش قبل بهتر است اما باز هم دشوارهای زیادی در محاسبه شار نوترون و مشخصات آشکارساز وجود دارد که باعث کاربرد کمتر این روش می شود.

4) روش نسبی

در عمل بیشتر از روش نسبی برای تعیین عناصر در نمونه استفاده می کنیم. در این روش، نمونه و استاندارد، در یک کپسول قرار می گیرند، بنابراین با مقایسه اکتیویته مربوط به آنها بسیاری از محاسبات حذف می شوند:

(1-7)                                     

غلظت وزنی عنصر مجهول در نمونه را می توانیم از رابطه زیر بدست آوریم:

(1-8)                                                                                                               

که در آن G جرم کل نمونه و D غلظت جرمی است.

بنابراین می توان معادله اساسی روش NAA نسبی را بصورت زیر بیان کرد:

(1-9)                                                                                         

باوجود اینکه غلظت نسبی دیمانسیون ندارد، اما آن را بر اساس یا بیان می کنند. البته در برخی موارد تا غلظت های(چند نانو گرم در یک گرم از نمونه) نیز در این روش قابل محاسبه است.

1-3-2 انواع NAA از لحاظ نوع نوترونهای بمباران کننده

حال می خواهیم تقسیم بندی روشNAA را از لحاظ طیف انرژی نوترونهای بمباران کننده، بررسی کنیم. برای این منظور ابتدا باید نوترونها را دسته بندی کنیم. بطور کلی طیف نوترونی را به 3 دسته زیر تقسیم می کنند:

الف) نوترون های حرارتی(Thermal neutron)

این دسته شامل نوترونهای کم انرژی (زیر 5/0) است. طیف نوترونهای حرارتی در دمای اتاق با انرژی 025/0 و سرعتی در حدود2200، براساس توزیع ماکسول- بولتزمن توصیف می شود. در بیشتر نقاط پرتودهنده یک راکتور، در حدود 90 تا 95 درصد کل نوترونها را نوترون های حرارتی تشکیل می دهند.

ب) نوترونهای فوق حرارتی(Epithermal neutron)

نوترونهایی با انرژی بین 5/0 تا5/0 در این دسته قرار می گیرند. این نوترونها دارای انرژی متوسط هستند و بطور معمول در یک راکتور، در حدود 2% کل نوترونها را شامل می شوند.

ج) نوترون های سریع(Fast neutron)

این دسته از نوترون ها دارای انرژی بیش از5/0 می باشند. متوسط انرژی نوترونهای سریع2 است. نوترونهای سریع در واکنشهای  به ندرت شرکت می کنند، اما در واکنشهایی که در آنها یک ذره هسته ای گسیل می شود، به خوبی شرکت می کنند (مثل واکنشهای،  یا ). ممکن است دریک نقطه پرتودهنده از یک راکتور، حدود 5% شار شامل نوترونهای سریع باشد.

برای هر یک از برهمکنشهای بین نوترون-هسته، انرژی آستانه ای وجود دارد که این انرژی برای واکنش،حدود10 یا بیشتر و برای واکنشهای گسیل ذرات باردار مثلو، در حدود 1 تا 5 است. برای نوترونهایی با انرژی پایین تر،محتمل ترین واکنش است. در انرژی های حرارتی سطح مقطع واکنشبرای اکثر عناصر بالا بوده و بصورت تابعی از عکس سرعت نوترونتغییر می کند.

بنابر دسته بندی نوترونها، روش آنالیز فعالسازی نوترونی را به 3 دسته تقسیم می کنیم:

1) آنالیز فعالسازی نوترونی سریع(Fast NAA)

در این روش، نمونه را توسط نوترونهای سریع بمباران می کنیم. باتوجه به سرعت بالای نوترونهای سریع، در اکثر موارد قبل از اینکه هسته هدف نوترون را ببیند، نوترون سریع از کنار آن عبور می کند. بجز در عناصر سبک (با عدد اتمی کمتر از23و24)، سطح مقطع برخورد نوترونهای سریع با هسته های هدف پایین است و به همین دلیل درصد کمی از آزمایشهای فعالسازی نوترونی، از نوع سریع اند.

2) آنالیز فعالسازی نوترونی فوق حرارتی(Epithermal NAA)

در این روش از نوترونهای فوق حرارتی استفاده می کنیم. در عمل این روش کاربردهای بسیار کمی دارد.

3) آنالیز فعالسازی نوترونی حرارتی(Thermal NAA)

باتوجه به سطح مقطع زیاد نوترونهای حرارتی با اکثر عناصر دارند، معمولا از آنها برای روش آنالیز فعال سازی استفاده می شود. به همین دلیل هر جا از NAA صحبت می کنیم، منظور استفاده از نوترونهای حرارتی است.

1-3-3 انواع NAA از نظر زمان بندی

روش آنالیز فعال سازی نوترونی را می توان براساس زمان اندازه گیری اشعه گاما، به دو دسته تقسیم کرد:

) آنالیز فعالسازی نوترونی اشعه گامای آنی(Prompt Gamma NAA)

در این روش اشعه گامای آنی مورد مطالعه و اندازه گیری قرار می گیرد. این روش کاربردهای محدودی دارد و معمولا برای تشخیص مواد منفجره (براساس تشخیص درصد نیتروژن) مورد استفاده قرار می گیرد.

2) آنالیز فعالسازی نوترونی اشعه گامای تاخیری(Delayed Gamma NAA)

در این روش، گاماهای تاخیری را آشکارسازی می کنیم. در اکثر موارد پس از فعالسازی، نمونه بطور همزمان دارای هسته های رادیواکتیو با طول عمر پایین و بالا می باشد. یکی از مهمترین مزایایی روش DGNAA در این نکته نهفته است که می توان با منتظر شدن برای واپاشی هسته های رادیواکتیو با طول عمر پایین، این تداخل را تا حد زیادی کاهش داد و حساسیت را بهبود بخشید. معمولا هرجا از آنالیز فعالسازی نوترونی سخن به میان می آوریم، منظورDGNAA است.

1-3-4 انواع NAA از لحاظ امکانات و وسایل آنالیز

در یک دسته بندی مرسوم دیگر، NAA را به دو دسته تقسیم می کنند:

1) آنالیز فعال سازی نوترونی رادیوشیمیایی(Radiochemical NAA)

در برخی موارد عناصر مزاحمی در ترکیبات نمونه وجود دارند که در طیف سنجی، ایجاد مزاحمت می کنند. به همین منظور در روش رادیوشیمیایی، قبل از پرتودهی به کمک روشهای شیمیایی این عناصر مزاحم را از نمونه حذف کرده و بعبارت بهتر ایزوتوپهای خاصی را غلیظ می کنیم. البته این روش با توجه به زحمت و هزینه های بالا، خیلی کم مورد استفاده قرار می گیرد.

2) آنالیز فعال سازی نوترونی دستگاهی(Instrumental NAA)

اگر در آن از روشهای اتوماتیک و سیستم های کامپیوتری استفاده می کنیم و می توانیم بیش از 30 عنصر را بطور همزمان آنالیز کنیم. این روش، یکی از پیشرفتها و برتری های مهم روش NAA نسبت به دیگر روشهای آنالیز مواد محسوب می باشد. زیرا علاوه بر دقت و سرعت بالا در آن، کار با این روش بسیار ساده است.

1-4 چشمه های نوترونی

نوترون بعنوان پرتابه نقش کلیدی در آنالیز فعالسازی نوترونی ایفا می کند. بنابراین یکی از موارد بسیار مهم در روش NAA، منبع تولید نوترون است. چشمه های نوترون را می توان به سه دسته کلی زیر تقسیم کرد.

1) رادیوایزوتوپ    2) دستگاه مولد نوترون    3) راکتور هسته ای

1-4-1 چشمه رادیوایزوتوپی

می توان با بمباران کردن یک عنصر مناسب، رادیوایزوتوپی ساخت که از خود نوترون گسیل می کند. واکنشهای تولید نوترون را می توان بصورت زیر دسته بندی کرد.

 واکنش های که از ابتدایی ترین راه های تولید نوترون بوده و چادویک در کشف نوترون و پس از آن هوسی در آنالیز نوترونی از آن استفاده کردند. معادله کلی این واکنش به صورت زیر است:

(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)