中性子放射化分析

中性子放射化分析( NAA ) は、多くの物質中の元素の濃度を決定するために使用される核プロセスです。NAA はサンプルの化学形態を無視し、原子核のみに焦点を当てているため、元素の個別のサンプリングが可能です。この方法は中性子放射化に基づいているため、中性子源が必要です。サンプルに中性子を照射すると、その構成元素が放射性同位体を形成されます。各元素の放射性放出と放射性崩壊経路は、長年にわたって研究され、決定されてきました。この情報を使用して、放射性サンプルの放出のスペクトルを調査し、サンプル内のさまざまな元素の濃度を決定することができます。この技術の特別な利点は、サンプルを破壊しないことであり、そのため芸術作品や歴史的遺物の分析に使用されてきました。NAA は、放射性サンプルの活性を決定するためにも使用できます。

NAA を照射サンプルに直接実施する場合は、機器中性子放射化分析( INAA ) と呼ばれます。場合によっては、照射サンプルを化学的に分離して、干渉物質を除去したり、対象の放射性同位元素を濃縮したりします。この手法は、放射化学中性子放射化分析( RNAA )として知られています。

NAA は、固体、液体、懸濁液、スラリー、および気体の非破壊分析を、準備なしで、または最小限の準備で実行できます。入射中性子と結果として生じるガンマ線の透過性により、この技術は真のバルク分析を提供します。異なる放射性同位体は半減期が異なるため、干渉種が崩壊して干渉がなくなるまで計数を遅らせることができます。ICP -AESとPIXEが導入されるまで、NAA は、 ppm未満の範囲で最小検出限界を持つ多元素分析を実行するための標準的な分析方法でした。^{[1] NAA の} 精度は 5% 程度で、相対精度は0.1% よりも優れていることがよくあります。^[1] NAA の使用には、注目すべき 2 つの欠点があります。この技術は基本的に非破壊的ですが、照射されたサンプルは最初の分析後何年も放射性のままであり、低レベルから中レベルの放射性物質の取り扱いと廃棄のプロトコルが必要になります。また、適切な放射化原子炉の数も減少しており、照射施設の不足により、この技術の人気は低下し、より高価になっています。

中性子放射化分析は、主要元素、微量元素、痕跡量元素、稀少元素の定性分析と定量分析の両方に用いられる高感度多元素分析技術である。NAA は 1936 年にHevesyと Levi によって発見された。彼らは、特定の希土類元素を含むサンプルが中性子源にさらされると、非常に放射性になることを発見した。 ^[2]この観察から、元素の同定に誘導放射能が利用されるようになった。NAA は、電子遷移ではなく原子核遷移に基づいている点で、他の分光分析技術とは大きく異なる。NAA 分析を行うには、サンプルを適切な照射施設に置き、中性子を照射する。これにより、存在する元素の人工放射性同位体が生成されます。照射後、人工放射性同位体は粒子、またはより重要なことに、放出元の元素の特性である ガンマ線を放出しながら崩壊する。

NAA 手順を成功させるには、検体またはサンプルを慎重に選択する必要があります。多くの場合、小さな物体は、サンプリングを必要とせずに、そのまま照射して分析できます。しかし、より一般的には、目立たない場所でドリルで穴を開けて小さなサンプルを採取します。約 50 mg (1グラムの 20 分の 1 ) のサンプルで十分なので、物体へのダメージは最小限に抑えられます。^[3]異なる材料で作られた 2 つの異なるドリルビットを使用して 2 つのサンプルを採取することが、多くの場合良い方法です。これにより、ドリルビットの材料自体によるサンプルの汚染が明らかになります。次に、サンプルは高純度の直鎖ポリエチレンまたは石英で作られたバイアルに封入されます。^[4]これらのサンプルバイアルには、多くの種類の検体に対応できるように、さまざまな形やサイズがあります。次に、サンプルと標準をパッケージ化し、適切な原子炉で一定の既知の中性子束で照射します。放射化に使用される典型的な原子炉はウランの 核分裂を利用し、高い中性子束とほとんどの元素に対する最高の感度を提供します。このような原子炉からの中性子束は、10 ¹²中性子 cm ⁻² s ⁻¹のオーダーです。^[1]生成される中性子の種類は、運動エネルギー（KE）が比較的低く、通常は 0.5 eV未満です。これらの中性子は熱中性子と呼ばれます。照射されると、熱中性子は非弾性衝突によって標的の原子核と相互作用し、中性子捕獲を引き起こします。この衝突により、励起状態の複​​合原子核が形成されます。複合原子核内の励起エネルギーは、熱中性子と標的の原子核の結合エネルギーから形成されます。この励起状態は不利であり、複合核は即発粒子と 1 つ以上の特徴的な即発ガンマ光子の放出により、ほぼ瞬時に脱励起 (変換) してより安定した構成になります。ほとんどの場合、このより安定した構成により放射性核が生成されます。新しく形成された放射性核は、両方の粒子と 1 つ以上の特徴的な遅延ガンマ光子の放出により崩壊します。この崩壊プロセスは、初期の脱励起よりもはるかに遅い速度で進行し、放射性核の固有の半減期に依存します。これらの固有の半減期は特定の放射性種に依存し、1 秒の数分の 1 から数年の範囲になります。照射されたサンプルは、特定の崩壊期間放置された後、検出器に配置され、放出された粒子、またはより一般的には放出されたガンマ線に基づいて核崩壊が測定されます。^[1]

NAA は、いくつかの実験パラメータに応じて変化します。照射に使用される中性子の運動エネルギーは、主要な実験パラメータになります。上記の説明は、低速中性子による活性化に関するもので、低速中性子は原子炉内で完全に減速され、KE は 0.5 eV 未満です。中 KE 中性子も活性化に使用されることがあります。これらの中性子は部分的にのみ減速され、KE は 0.5 eV ～ 0.5 MeV であり、熱外中性子と呼ばれます。熱外中性子による活性化は、熱外 NAA (ENAA) として知られています。高 KE 中性子は、活性化に使用されることがあります。これらの中性子は減速されておらず、一次核分裂中性子で構成されています。高 KE または高速中性子は、KE >0.5 MeV です。高速中性子による活性化は、高速 NAA (FNAA) と呼ばれます。もう 1 つの主要な実験パラメータは、核崩壊生成物 (ガンマ線または粒子) を中性子照射中に測定するか (即発ガンマ)、または照射後のある時点で測定するか (遅延ガンマ、DGNAA) です。PGNAA は通常、ビーム ポートを介して原子炉から取り出された中性子ストリームを使用して実行されます。ビーム ポートからの中性子束は、原子炉内の 10 ⁶倍のオーダーで弱くなります。これは、検出器をサンプルの非常に近くに配置することで、低束による感度の低下を軽減することである程度補償されます。PGNAA は通常、中性子捕獲断面積が極めて高い元素、DGNAA で測定するには崩壊が速すぎる元素、安定同位体のみを生成する元素、または崩壊ガンマ線強度が弱い元素に適用されます。PGNAA は、照射時間と崩壊時間が短いことが特徴で、多くの場合数秒から数分のオーダーです。DGNAA は、人工放射性同位体を形成するほとんどの元素に適用できます。DG 分析は、数日、数週間、または数か月にわたって実行されることがよくあります。これにより、短寿命放射性核種が崩壊して干渉が効果的に排除されるため、長寿命放射性核種に対する感度が向上します。DGNAA は、長い照射時間と長い崩壊時間 (多くの場合、数時間、数週間、またはそれ以上) を特徴としています。

さまざまなソースを使用できます:

• 原子炉
• 自発核分裂により中性子を放出するカリホルニウムなどのアクチノイド
• ラジウムやアメリシウムなどのアルファ線源をベリリウムと混合すると、（α、 ¹² C + n）反応によって中性子が生成される。
• ガス放電管内のDT核融合反応

一部の原子炉は、さまざまな目的の放射性同位元素製造用のサンプルに中性子を照射するために使用されます。サンプルは照射容器に入れられ、その後原子炉内に置かれます。照射に熱外中性子が必要な場合は、カドミウムを使用して熱中性子をフィルタリングできます。

比較的単純なファーンズワース・ヒルシュ核融合炉は、 NAA 実験用の中性子を生成するために使用できます。この種の装置の利点は、コンパクトで、多くの場合はベンチトップサイズであり、電源のオン/オフを簡単に切り替えることができることです。欠点は、このタイプの発生源では、原子炉を使用して得られる中性子束を生成できないことです。

この分野の多くの作業員にとって、原子炉は高価すぎるアイテムです。代わりに、アルファ線放射体とベリリウムを組み合わせた中性子源を使用するのが一般的です。これらの中性子源は、原子炉よりもはるかに弱い傾向があります。

これらは中性子パルスを生成するために使用することができ、標的同位体の崩壊が非常に速いいくつかの活性化作業に使用されています。たとえば、油井などです。^[5]

NAA で使用される検出器には、さまざまなタイプと構成があります。そのほとんどは、放出されたガンマ線を検出するように設計されています。NAA で使用されるガンマ線検出器の最も一般的なタイプは、ガスイオン化タイプ、シンチレーションタイプ、半導体タイプです。これらのうち、シンチレーションタイプと半導体タイプが最も広く使用されています。使用される検出器構成は 2 つあり、PGNAA に使用される平面検出器と DGNAA に使用されるウェル検出器です。平面検出器は、平坦で大きな収集表面積を持ち、サンプルの近くに配置できます。ウェル検出器は、大きな収集表面積でサンプルを「取り囲みます」。

シンチレーション型検出器は、ガンマ光子が当たると光を発する放射線感受性結晶（最も一般的なものはタリウム添加ヨウ化ナトリウム（NaI(Tl)））を使用します。これらの検出器は、優れた感度と安定性、および妥当な解像度を備えています。

半導体検出器は、半導体元素のゲルマニウムを利用しています。ゲルマニウムはpin（正-真性-負）ダイオードを形成するように処理され、暗電流と検出器ノイズを減らすために液体窒素で約77 Kに冷却されると、入射する放射線の光子エネルギーに比例した信号を生成します。ゲルマニウム検出器には、リチウムドリフトゲルマニウムまたはGe（Li）（「ジェリー」と発音）と高純度ゲルマニウムまたはHPGeの2種類があります。半導体元素のシリコンも使用できますが、ゲルマニウムの方が原子番号が大きいため、高エネルギーガンマ線を阻止して検出する効率が高いため、ゲルマニウムが好まれます。Ge（Li）検出器とHPGe検出器はどちらも優れた感度と解像度を備えていますが、Ge（Li）検出器は室温では不安定で、リチウムが真性領域にドリフトして検出器を台無しにします。この問題は、ドリフトのない高純度ゲルマニウムの開発によって克服されました。

粒子検出器は、ガンマ光子の放出に伴って発生することが多いアルファ(α) 粒子とベータ(β) 粒子の放出を検出するためにも使用できますが、これらの粒子はサンプルの表面からのみ放出され、大気ガスによって吸収または減衰されることが多く、効果的に検出するには高価な真空条件が必要になるため、あまり好ましくありません。ただし、ガンマ線は大気ガスによって吸収または減衰されず、サンプルの深部から最小限の吸収で逃げることもできます。

NAA は、実験手順に応じて最大 74 の元素を検出できます。最小検出限界は、調査対象の元素に応じて 0.1 ～ 1x10 ⁶ ng g ⁻¹の範囲です。重い元素は原子核が大きいため、中性子捕獲断面積が大きく、活性化される可能性が高くなります。一部の原子核は、多数の中性子を捕獲して比較的安定した状態を保ち、数か月または数年にわたって核変換や崩壊を起こさないことがあります。その他の原子核は瞬時に崩壊するか、安定同位体のみを形成し、PGNAA によってのみ識別できます。

中性子放射化分析は、考古学、土壌科学、地質学、法医学、半導体産業など、幅広い分野で応用されています。法医学的には、毛髪を詳細な法医学的中性子分析にかけて、同一人物のものであるかどうかを判断する方法が、ジョン・ノーマン・コリンズの裁判で初めて使用されました。^[6]

考古学者は、特定の遺物を構成する元素を決定するために NAA を使用します。この技術が使用されるのは、非破壊的であり、化学的特徴によって遺物とその出所を関連付けることができるためです。この方法は、特に黒曜石の場合、化学組成を区別する NAA の能力により、貿易ルートの決定に非常に効果的であることが証明されています。農業プロセスでは、肥料や農薬の動きは、水源に浸透する際の表面および地下の動きの影響を受けます。肥料や農薬の分布を追跡するために、さまざまな形態の臭化物イオンがトレーサーとして使用されます。トレーサーは水の流れとともに自由に移動しながら、土壌との相互作用を最小限に抑えます。臭化物を測定するには中性子放射化分析が使用され、分析のために抽出する必要はありません。NAA は、希土類元素と微量元素の分析を通じて岩石の形成過程の研究を支援するために地質学で使用されます。また、鉱床の位置を特定し、特定の元素を追跡するのにも役立ちます。中性子放射化分析は半導体産業の標準を作成するためにも使用されています。半導体には高い純度が求められ、汚染は半導体の品質を著しく低下させます。NAAはサンプルの取り扱いが制限され、感度が高いため、微量不純物を検出し、汚染基準を確立するために使用されます。 ^[7]

• オークリッジ国立研究所の高中性子束同位体原子炉(HFIR) には NAA 機能があります。
• 中性子束
• 中性子榴弾砲