Análisis por Activación • Técnica Técnica en la que que un isótopo isótopo estable estable de de un elemento es transformado en radiactivo a través de una reacción con una partícula nuclear tal como un neutrón. • La medida medida de la actividad actividad inducid inducidaa permite permite determinar la cantidad del isótopo estable originalmente presente. • La identificación identificación del radionucleido radionucleido se realiza realiza a través de sus energías emitidas y el T 1/2
Análisis por Activación • • • •
Elevada sensibilid Elevada sensibilidad ad y versat versatilidad ilidad No de destr struc uctiv tivo o La mayor mayor parte emplea emplea neutrones neutrones como como proyectil proyectil La mayoría mayoría de los neutrones neutrones son son térmicos térmicos (0,023 (0,023 eV) AE+ 1n= A+1E + h ν 0 Cuando un eleme elemento nto E de Núme Número ro atómi atómico co Z y Númer Número o másico más ico A es col coloca ocado do fre frente nte a un haz haz de neutr neutrone ones, s, hay una probab probabilidad ilidad real y finita finita de que que el eleme elemento nto captur cap turee un neutró neutrón n par paraa dar un isótop isótopo o con un un núme nú mero ro má másic sico o una uni unida dad d má máss pe pesa sado do 59Co(n, 60 Co(n,γγ) Co
Propósito de la metodología • Increment Incrementar ar la sensibilida sensibilidad d de detección detección en una forma especifica • Elim Eliminar inar procedimie procedimientos ntos destructiv destructivos os para reconocer los analitos • Empl Emplear ear técnicas técnicas “no destruc destructivas tivas”” • Favo Favorecer recer el uso uso en detección detección de elementos elementos “traza” que no compiten compiten quimicamente quimicamente pero son especialmente sensibles a la absorción de neutrones
Analisis Analis is por Activac Activacion ion • 81 elem element entos os estab estables les + U y Th • 74 de ell ellos os pued pueden en ser ser activados por neutrones térmicos
81 − 74 = 9
Los 9 que faltan son: • Los 7 pri prime mero ross elementos de la Tabla Periódica + P y Bi
Neutrones • Partíc Partículas ulas sin car carga ga • La perdida perdida de energía energía no no es por interac interacción ción coulombiana • Alcan Alcance: ce: muchos muchos cm en el el medio medio interpue interpuesto sto
CLASIFICACION SEGÚN ENERGIA • • • •
Térmicos: Térmic os: lento lentoss y frios frios Epitér Epi térmic micos os y resonan resonantes tes Rápido s Ultr Ul traa rá rápi pidos dos
1
Distribución de neutrones
Neutrones • Flujo neutrónico disponible 1011-1014 neutrones/cm2/seg • Secciones eficaces mas frecuentes para neutrones térmicos 0,1-100b(*) • E spe ct ro
• neutrones de fision 6000 5000 4000 l e 3000 r I
2000 1000 0 0,01
0,1
1
eV
(*) b= barn= 10-24 cm2
10
100
Maxwell: Para el amplio
intervalo de energías producidos en la fisión, la mayor densidad (n=Neutrones por unidad de volumen) se encuentra en los neutrones que están en equilibrio térmico con la materia a TA) • v0 es 2200m/s para una Ek =0,0253eV • Long onda neutron 1,8A <> a espacio interatomico
4n
n(v)dv =
v03
2
−v
v e
2
v02
dv
Neutrones 900 800 700 600 o e t 500 n o c l 400 e v
300 200 100 0 4
5
6
7
8
9
10
11
Long onda (A)
Fuentes de Neutrones • Reaccion
Cd ER 0,2 eV
(α , n )
(Am,Be)
1006
(Ra,Be)
1006
11
(Pu,Be)
1007
( n , p )
9
Au ER 5 eV
Be B
+ α → 12 C + n + α → 14 N + n
( n , α ) 252Cf
(sf) 1011 neutrones/seg 3H(d,n)4He 1007 n/pulso (1-10p/s)
( n ,2 n )
RCd
Ecuación de activación n B A ⎯ ⎯→ B ⎯ ⎯→ C λ
dN B dt
⎡
= σ Aφ N A − λ B N B
Tiempo de bombardeo= t b
N B
=
σ Aφ N A λ B
[1 − e(− ) ]+ N e(− λ B t b
Analisis por Activacion
0 B
λ B t b )
⎛ − 0,693t ⎞⎤ ⎟⎟⎥ T ⎝ 1/ 2 ⎠⎦
A = N ϕσ ⎢1 − exp⎜⎜
⎣
A= desintegraciones/segundo del radionucleido inducido N= átomos del elemento irradiado φ= flujo de neutrones (neutrones/seg) σ= sección eficaz de absorción de neutronestérmicos(cm2) t= tiempo de irradiación T= Périodo de semidesintegración del radionucleido inducido
2
Sección Eficaz
• • • •
б
Probabilidad de que un núcleo enfrentado al paso de los neutrones permita la entrada de un neutrón y produzca una reacción nuclear Se mide la probabilidad en unidades de “area” (cm2 o barns) Seccion eficaz para absorción de neutrones térmicos Núcleo con Z pequeño (1-7) …….………б es pequeño Núcleo con numero par de neutrones…. б es pequeño Núcleo con numero par de nucleones… б es pequeño Energia de los neutrones > 0,5eV ………б disminuye abruptamente
Determinacion de flujo neutronico • Flujo térmico: Activación de hojuelas de un metal de referencia (Au, Mn) de espesor calibrado (área expuesta y masa conocidas, tiempo determinado). • Flujo térmico + neutrones rápidos: Activación de hojuelas de un metal (Ir, Mo) con y sin envoltura de Cadmio (*).
Mecanismo de interacción neutrones
1. No posee carga (similar a los fotones) mecanismo de perdida de energia en la interaccion: Atenuación por dispersión y absorción 2. Destino final es ser capturado por un núcleo
Análisis por Activación •Absoluto: a partir de la fórmula y determinando los tiempos muy cuidadosamente (*).
•Relativo: basado en la comparación con un patrón del mismo elemento en una cantidad conocida
m x m st
=
A x A st
(*) Perturbacion del flujo neutronico: Efectos de apantallamiento Inestabilidad
(*)Cd es absorbente de neutrones térmicos
Elementos traza en Materiales de alta pureza: Analisis de K, U y Th por NAA 2004
Contenido promedio en MAP Pureza Uso más común 99.9% tecnico 99.95% ppa 99.99% Grado espectroscópico 99.9999% Alta pureza Alambres de Fe, hojas de Au, Polvo de Silice, HPGe, Cu electrolitico.
3
Procedimiento experimental
Medida de Gammas con semiconductores Espectrometria Gamma Los materiales irradiados
con neutrones termicos son medidos por espectrometria gamma empleando para mejor resolucion los detectores de HPGe y los programas de TTo de datos de soporte.
(n,γ) 233Th --> 233Pa T½= 27 d Εγ= 312 keV T=2.35 d 238U (n,γ) 239U --> 239 Np ½ Εγ= 106, 222, 228 keV 41K (n,γ) 42K T½ =12.36h Eγ= 1524 keV Usualmente K no se detecta por NAA, pero si es necesario se podría efectuar 232Th
Sensibilidad Limites experimentales Los limites mas aceptados en materiales limpios y con acrilico de soporte:
Interferencias Cr, Fe, Co, Sc y Na
Provienen principalmente de la matriz ( Cr, Fe, Co, Sc) Generalmente contaminantes del manejo de materiales de alta pureza (corte, molienda )
Contaminacion por Na proviene del ambiente (aun respirar sobre la muestra).
U, Th : 1 ppt; K : 50 ppb Valores tipicos: U, Th : 20 ppt, K: 50 ppb Los limites de detección son determinados por el tipo de matriz.
Interferencias
Mejora de los limites de deteccion
Energías Gamma (keV)
Por debajo de pg/g
239Np 106, 222, 278 233Pa 312
59Fe
142, 192, 1099, 1291 321 42K 1524 46Sc 889, 1120 24Na 1368, 2754 Periodos de semidesintegracion 239Np 2,36 d 59Fe 44,5 d 233Pa 26,97 d 51Cr 27,7 d 42K 12,36 h 46Sc 83,8 d 24Na 14,96 h 51Cr
Seleccion de: • Masa de muestra o preTTO • tiempos de irradiacion y enfriamiento • flujo neutrónico y energias
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Analisis Instrumental por activacion neutronica Conteo de Bajo BG • Para mejorar los limites de deteccion por debajo del orden de pg/g y considerando algunos contaminantes despreciables en las condiciones de irradiacion seleccionados
Analisis Radioquimico asociado a la activacion neutronica • Separacion Radioquimica de las especies a determinar • Separacion por cromatografia • Intercambio Ionico o por complejacion con agentes quelantes
Conclusión • Analisis Instrumental por activacion neutronica es una poderosa herramienta ya sea acoplada al conteo de Bajo BG y la separacion radioquimica para alcanzar limites de ppb. • La eficiencia en la medida de los radionucleidos Th/U bajo la influencia de las impurezas. • El efecto matriz global. • El uso de la tecnica para determinacion de Th y U en minerales de Hierro con contaminantes de Ge, Co, Cu, no es aconsejado por la activación de los materiales componentes de la matriz.
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