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中性子放射化分析（NAA）は、多くの物質中の元素濃度を測定するために用いられる核プロセスです。NAAは試料の化学形態を考慮せず、原子核のみに焦点を当てるため、元素を個別にサンプリングすることが可能です。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。試料に中性子を照射すると、構成元素が放射性同位体を生成します。各元素の放射性放出と放射性崩壊経路は長年にわたり研究され、解明されています。この情報を用いることで、放射性試料の放出スペクトルを解析し、試料中の様々な元素の濃度を決定することができます。この技術の大きな利点は、試料を破壊しないことであり、そのため美術品や歴史的遺物の分析にも用いられてきました。NAAは、放射性試料の放射能を測定するためにも使用できます。
照射済み試料に対して直接中性子放射化分析（ NAA ）を行う場合、それ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、照射済み試料を化学的に分離して、妨害物質を除去したり、目的の放射性同位体を濃縮したりすることがあります。この手法は放射化学的中性子放射化分析（RNAA）として知られています。
NAA は、前処理なしまたは最小限の前処理で、固体、液体、懸濁液、スラリー、ガスの非破壊分析を実行できます。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、干渉する物質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およびPIXEが導入されるまで、NAA はサブppm範囲の最小検出限界で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% より優れていることがよくあります。[ 1 ] NAA の使用には 2 つの注目すべき欠点があります。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プロトコルが必要です。また、適切な放射化炉の数は減少しており、照射施設の不足により、この技術の人気は低下し、コストも高くなっている。
中性子放射化分析は、主要元素、微量元素、痕跡元素、希少元素の定性分析と定量分析の両方に使用される高感度多元素分析技術です。NAAは1936年にHevesyとLeviによって発見されました。彼らは、特定の希土類元素を含むサンプルが中性子源に曝露されると非常に放射能が高くなることを発見しました。 [ 2 ]この観察により、誘導放射能が元素の識別に利用されるようになりました。NAAは、電子遷移ではなく核遷移に基づいているという点で、他の分光分析技術とは大きく異なります。NAA分析を実行するには、試料を適切な照射施設に入れ、中性子を照射します。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、ガンマ線を放出して崩壊します。これらのガンマ線は、放出元の元素に固有のものです。
NAA 手順を成功させるには、試料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および分析できます。しかし、より一般的には、目立たない場所に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 ) で十分なサンプルなので、物体への損傷は最小限に抑えられます。[ 3 ]異なる材料で作られた 2 種類のドリル ビットを使用して 2 つのサンプルを取り出すのが良い方法であることがよくあります。これにより、ドリル ビットの材料自体からサンプルが汚染されているかどうかが明らかになります。次に、サンプルは、高純度線状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 バイアルは、多くの種類の試料に対応するために、さまざまな形状とサイズがあります。次に、サンプルと標準がパッケージ化され、一定の既知の中性子束で適切な原子炉で照射されます。放射化に用いられる典型的な原子炉はウラン核分裂を利用しており、高い中性子束とほとんどの元素に対して利用可能な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10¹²中性子cm⁻² s⁻¹のオーダーです。[ 1 ]生成される中性子は比較的低い運動エネルギー（KE）を持ち、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、励起状態にある複合核が形成されます。複合核内の励起エネルギーは結合エネルギーから生じます。熱中性子と標的原子核との反応。この励起状態は不安定であり、複合原子核は即発粒子と1つ以上の特性即発ガンマ光子の放出によって、ほぼ瞬時に脱励起（核変換）してより安定な状態になる。ほとんどの場合、このより安定な状態から放射性原子核が生成される。新たに生成された放射性原子核は、粒子と1つ以上の特性遅延ガンマ光子の放出によって崩壊する。この崩壊過程は、最初の脱励起よりもはるかに遅い速度で進行し、放射性原子核固有の半減期に依存する。これらの固有の半減期は、特定の放射性物質の種類によって異なり、数分の1秒から数年まで変化する。照射された試料は、特定の崩壊期間放置された後、検出器に入れられ、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る。[ 1 ]
NAAは、多くの実験パラメータによって変化する可能性があります。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となります。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、運動エネルギーは0.5 eV未満です。中速中性子も活性化に使用されることがあり、これらの中性子は部分的にしか減速されておらず、運動エネルギーは0.5 eVから0.5 MeVで、エピサーマル中性子と呼ばれます。エピサーマル中性子による活性化は、エピサーマルNAA（ENAA）として知られています。高運動エネルギー中性子が活性化に使用されることもあり、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。高運動エネルギーまたは高速中性子は、運動エネルギーが0.5 MeVを超えます。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）が中性子照射中に測定されるか（即発ガンマ線）、照射後しばらくしてから測定されるか（遅発ガンマ線、DGNAA）です。PGNAAは一般的に、ビームポートを介して原子炉から取り出された中性子流を使用して行われます。ビームポートからの中性子束は、原子炉内部よりも10⁶倍ほど弱いです。これは、検出器を試料のすぐ近くに配置することで、低中性子束による感度低下を軽減し、ある程度補償されます。PGNAAは一般的に、中性子捕獲断面積が非常に大きい元素、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す。多くの場合、数秒から数分程度です。DGNAAは、人工放射性同位体を形成する元素の大部分に適用できます。DG分析は、数日、数週間、あるいは数ヶ月にわたって行われることがよくあります。これにより、半減期の短い放射性核種が崩壊するのを許容し、干渉を効果的に排除することで、半減期の長い放射性核種に対する感度が向上します。DGNAAは、照射時間と崩壊時間が長く、多くの場合、数時間、数週間、あるいはそれ以上かかるのが特徴です。
さまざまな情報源を利用できます。
一部の原子炉は、さまざまな目的で放射性同位元素を製造するための試料の中性子照射に使用されます。試料は照射容器に入れられ、その後原子炉内に設置されます。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除去することができます。
比較的シンプルなファーンズワース・ハーシュ型フューザーは、中性子放射化分析（NAA）実験用のニュートロン生成に利用できる。この種の装置の利点は、小型で卓上サイズであること、そして簡単にオンオフできることである。欠点は、このタイプの光源では原子炉を用いた場合のようなニュートロン束を生成できないことである。
この分野の多くの作業員にとって、原子炉は高価すぎるため、代わりにアルファ線放出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ある。これらの中性子源は、原子炉に比べてはるかに弱い傾向がある。
これらは中性子パルスを生成するために使用でき、標的同位体の崩壊が非常に速い放射化作業に使用されています。たとえば、油井などです。[ 5 ]
中性子放射化分析（NAA）では、様々な種類の検出器と構成が用いられています。そのほとんどは、放出されるガンマ線を検出するように設計されています。NAAでよく見られるガンマ線検出器の種類は、ガス電離型、シンチレーション型、半導体型です。このうち、シンチレーション型と半導体型が最も広く用いられています。検出器の構成には、平面型検出器（PGNAA用）とウェル型検出器（DGNAA用）の2種類があります。平面型検出器は、平坦で広い集光面積を持ち、試料の近くに配置できます。ウェル型検出器は、広い集光面積で試料を「囲む」ように配置されます。
シンチレーション型検出器は、放射線に敏感な結晶（最も一般的にはタリウム添加ヨウ化ナトリウム（NaI(Tl)））を使用しており、ガンマ線光子が当たると発光します。これらの検出器は、優れた感度と安定性を持ち、妥当な分解能を備えています。
半導体検出器は半導体元素ゲルマニウムを利用します。ゲルマニウムは加工されてPIN（正-真性-負）ダイオードを形成し、暗電流と検出器ノイズを低減するために液体窒素で約77 Kまで冷却されると、入射放射線の光子エネルギーに比例する信号を生成します。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（Ge(Li)、発音は「ジェリー」）と高純度ゲルマニウム（HPGe）の2種類があります。半導体元素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および検出するのに効率的であるため、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分解能を備えていますが、Ge(Li)検出器は室温で不安定で、リチウムが真性領域にドリフトして検出器を損傷します。ドリフトのない高純度ゲルマニウムの開発により、この問題は克服されました。
粒子検出器は、ガンマ光子の放出に伴って放出されることが多いアルファ（α）粒子やベータ（β）粒子の検出にも使用できますが、これらの粒子は試料の表面からしか放出されず、大気中のガスによって吸収または減衰されることが多いため、検出には高価な真空状態が必要となるなど、あまり好ましい方法ではありません。一方、ガンマ線は大気中のガスによって吸収または減衰されることはなく、試料の深部からでも最小限の吸収で放出されます。
NAAは、実験手順に応じて最大74種類の元素を検出でき、検出限界は調査対象の元素によって0.1～100万ng/gの範囲です。重い元素ほど原子核が大きいため、中性子捕獲断面積が大きく、放射化されやすくなります。一部の原子核は多数の中性子を捕獲しても比較的安定しており、数ヶ月、あるいは数年にわたって核変換や崩壊を起こしません。一方、瞬時に崩壊したり、安定同位体のみを生成したりする原子核は、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、さまざまな分野で応用されています。法医学的には、毛髪が同一人物由来かどうかを判断するために詳細な法医学的中性子分析を受けたのは、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特定するために中性子放射化分析（NAA）を使用します。この技術は非破壊的であり、化学的特徴によって遺物とその起源を関連付けることができるため使用されます。NAAは化学組成を区別できるため、特に黒曜石の交易路の特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、肥料や農薬の移動は、水源に浸透する際の地表および地下の移動によって影響を受けます。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。臭化物は水の流れとともに自由に移動し、土壌との相互作用は最小限です。中性子放射化分析は臭化物を測定するために使用されるため、分析のために抽出する必要はありません。NAAは、希土類元素や微量元素の分析を通じて岩石を形成したプロセスを研究するために地質学で使用されます。また、鉱床の位置特定や特定の元素の追跡にも役立ちます。中性子放射化分析は、半導体業界で標準を作成するためにも使用されます。半導体には高い純度が求められ、汚染があると半導体の品質が著しく低下します。NAAは、サンプル処理が少なく感度が高いため、微量不純物の検出や汚染基準の設定に用いられます。 [ 7 ]