aktivációs analízisről (PGAA) és a vele kapcsolatos hazai kutatásokról lesz szó. E program elindítását többek között Csikai Gyula professzor is melegen támogatta.
Fizikai Szemle nyitólap |
Tartalomjegyzék |
Fizikai Szemle 2000/11. 382.o.
Molnár Gábor
MTA Kémiai Kutatóközpont,
Izotóp- és Felületkémlai Intézet
Neutronok szerepe az analitikában
A neutron elektromosan semleges mikrorészecske, s e tulajdonságának köszönhetően képes mélyen behatolni az anyagba s annak atommagjaival kölcsönhatásba lépni. Tehát ideális nukleáris mikroszonda, amellyel mind az anyag szerkezete, mind kémiai elemösszetétele vizsgálható attól függően, hogy a neutronok szóródását vagy pedig az abszorpcióját használjuk ki. Metodikailag
az előbbi folyamat a neutronszórás és neutrondiffrakció, az utóbbi pedig a neutronaktivációs analízis (NAA) alapját képezi. E cikkben ez utóbbi módszer újszemi válfajáról, a prompt- aktivációs analízisről (PGAA) és a vele kapcsolatos hazai kutatásokról lesz szó. E program elindítását többek között Csikai Gyula professzor is melegen támogatta.
Az anyagba behatoló neutronok az atommagban abszorbeálódnak, ami valamilyen magreakció formájában megy végbe. E folyamatban neutronok vagy töltött részecskék emittálódhatnak, de a végmag a fölös energiát 
-sugárzás formájában is leadhatja. Amennyiben a végmag radioaktív, a bomló izotóp -sugárzását megfigyelve meghatározhatjuk a minta elemösszetételét. Ezt hívjuk aktivációs analízisnek. Igen kis - például termikus - neutronenergián rendszerint csak a sugárzásos befogás, az (n, ) reakció lehetséges. A reakció valószínűsége - a hatáskeresztmetszet - a hullámtulajdonságból kifolyólag a bemenő neutron sebességével fordítottan arányos, tehát a lassú (például termikus) neutronok befogódásán alapuló neutronaktivációs analízis ígéri a legnagyobb elemkimutatási érzékenységet. De mi a helyzet, ha nem keletkezik radioaktív végmag, vagy annak felezési ideje nem megfelelő, vagy esetleg a bomlást nem kíséri a könnyen mérhető és - diszkrét jellege révén - elemazonosításra jól használható -sugárzás? Nos, erre kínál megoldást a prompt- aktivációs analízis módszere.
A PGAA módszer
A neutron befogódásakor keletkező köztes atommag a kötési energia megnövekedése miatt gerjesztett állapotba kerül, majd a tipikusan 7-8 MeV energiafelesleget -sugárzás formájában adja le. Mivel ez mintegy 10-16 s alatt megtörténik, a sugárzás azonnali, prompt jellegű, így időben megelőzi az esetleges radioaktív bomlást és az azt kísérő -sugárzást. További fontos különbség, hogy a prompt -sugárzás a köztes mag - az anyaelem - nívóin végigcsorgó kaszkád, míg a radioaktív bomlást kísérő -sugárzást a leányelem nívói között bekövetkező átmenetek alkotják. Mivel a prompt -sugárzás mindig fellép, megfigyelése révén olyan elemek is mérhetők, melyek esetében a neutronbefogás kizárólag stabil - esetleg igen hosszú felezési idejű - izotópra vezet, vagy pedig a leányelem rögtön alapállapotában keletkezik, s így nem bocsát ki -sugarakat.
A prompt- aktivációs analízis elvben valamennyi kémiai elem egyidejű kimutatására alkalmas a hidrogéntől az uránig (sőt a transzuránokig), segítségével egyúttal az izotópösszetétel is meghatározható, bár az érzékenység amely a neutronbefogási hatáskeresztmetszet függvénye erősen változó. A gyakorlat számára a legfontosabbak a könnyű elemek, különösen a más analitikai módszerekkel nehezen kimutatható hidrogén és bór, a szerves anyagokban és az élő organizmusokban a szén, nitrogén, kén és foszfor. Jól mérhető még a mérgező kadmium és higany, továbbá a geológiában a fontos indikátor ritkaföldfémek. A folyamat nukleáris jellegéből következik, hogy bármilyen fizikai és kémiai formájú anyagra alkalmazható.
Noha a PGAA inherensen érzékenyebb, mint az NAA hisz az aktivitás állandóan telítésben van - az elérhető neutronintenzitás nagyságrendekkel kisebb, mint amit a reaktor belsejében való besugárzásnál használnak. Ugyanakkor éppen a kis neutronfluxus miatt a minta felaktiválódása elhanyagolható, így a módszer az NAA-val szemben teljesen roncsolásmentes, nem igényel külön mintaelőkészítést sem. A minta egyszerűen a nyalábba helyezhető és mérhető, az eredmény pedig a spektrumból azonnal kiolvasható, ami nagymértékben automatizálhatóvá teszi az analízist. A neutronok és az indukált nagyenergiájú -sugárzás nagy áthatoló képessége miatt még akár néhány gramm tömegű mintánál sincs mátrixhatás, ellentétben például a röntgenfluoreszcencia-analízissel.
A PGAA univerzalitásának “ára", hogy a -sugárzást közvetlenül a neutronnyalábban kell mérni, ami lényegesen kedvezőtlenebb jel-zaj viszonyt eredményez. Továbbá a -spektrum is lényegesen összetettebb a hagyományos neutronaktivációs analízisben megszokottnál, hiszen százával vannak a -átmenetek. Mindez lényegesen bonyolultabb méréstechnikát igényel, amely viszont egy kutatóreaktorbeli magfizikai laboratóriumban elvben rendelkezésre áll.
A hazai hidegneutronos PGAA mérőhely
A PGAA módszert korábban rendszerint csak egy-egy elem kimutatására, radioaktív neutronforrás vagy neutrongenerátor segítségével alkalmazták. Sokelemes, univerzális módszerként csak a 90-es évek elejétől próbálták alkalmazni nagyfluxusú atomreaktoroknál, a neutronvezetők és a hidegneutron-források elterjedésének köszönhetően. A neutronvezető lényege, hogy a nagy hullámhosszú - tehát kisenergiás - neutronok a teljes visszaverődés elvén (a fényhez hasonlóan) nagy távolságra elvihetők, míg a kritikusnál rövidebb hullámhosszú - csupán hátteret okozó neutronok a nyalábból kiszóródnak. Ráadásul a nyaláb a kritikus szög alacsony értéke - egy-két fok - következtében gyakorlatilag teljesen kollimált. A neutronvezető annál effektívebb, minél hidegebbek a neutronok, ezért a reaktorban termelődő neutronokat cseppfolyós hidrogén moderátorral - hidegforrással - tovább lassítják. Külön előny, hogy a befogás valószínűsége hideg neutronokra 2-3-szor nagyobb, ami tovább növeli a kimutatási érzékenységet.
A Budapesti Kutatóreaktor rekonstrukcióját követően, 1995-ben helyeztük üzembe a -spektrométerrel felszerelt első hazai PGAA berendezést, akkor még termikus neutronvezető nyalábon. Most van folyamatban az átállás hidegnyalábra, mivel időközben elkészült a cseppfolyós hidrogén moderátorral működő hidegneutron-forrás. Ezzel a hazai PGAA berendezés felzárkózik a világ élvonalába, az USA-beli National Institute of Science and Technology és a Japan Atomic Energy Research Institute hasonló mérőrendszere mellé. A továbbiakban a hazai PGAA kutatás “hőskoráról", az eddig elért eredményekről adunk rövid ismertetést.
A módszer továbbfejlesztése
A PGAA technikai szempontból szinte megoldhatatlan feladatok elé állítja az analitikus vegyészt. Mivel a neutronbefogást követően minden elem minden izotópja sugároz, elemenként több száz, s így mintánként több ezer -átmenetet tartalmazó spektrummal kell megbirkózni, amely ráadásul az NAA-ban megszokottnál jóval szélesebb - 10 keV-től 10 MeV-ig terjedő - energiatartományt fog át. Az elemek (és egyes izotópjaik) azonosításához a prompt y sugárzások energiáját, míg a mennyiségi meghatározáshoz az intenzitását (pontosabban a parciális -keltési hatáskeresztmetszetét) kell ismerni. A sugárzási energiákat a magspektroszkópusok több évtizedes munkájának köszönhetően jól ismerjük, az intenzitás adatok pontatlanok, vagy sokszor egyenesen hiányoznak. Tehát először ezen a helyzeten kellett segítenünk.
Korábbi magspektroszkópusi tapasztalatainkra alapozva, nagytisztaságú elemi céltárgyak mérésével megalkottuk (a He kivételével) az összes természetes elemre kiterjedő prompt- spektroszkópiai könyvtárat, amely pontosságában nagyságrenddel felülmúlja a nemzetközi magfizikai adatbázist. Az intenzitások megbízható normálására kidolgozott belső standard módszerünk lehetővé tette, hogy a kvantitatív elemmeghatározásban elérjük az NAA k0-módszerének pontosságát. Mivel a prompt -sugárzás megfigyelése révén nem pusztán a kémiai elemet, hanem annak megfelelő izotópját azonosítjuk, a PGAA módszerrel egyben a kérdéses elem domináns izotópjainak előfordulási arányát is meghatározhatjuk. Jellemző példa az 235U izotópdúsulásának mérése, amelyet szintén sikerült megvalósítanunk.
A PGAA első hazai alkalmazásai
Az elmúlt 2-3 évben a PGAA módszert számos területen alkalmaztuk mind főelemek, mind nyomelemek roncsolásmentes meghatározására, elsősorban szilárd halmazállapotú mintákon. Eddig elsősorban az alábbi területek tudományos és műszaki problémáinak megoldásához tudtunk sikerrel hozzájárulni:
Az alábbiakban ezekből csak néhány példát ismertetünk, de több is megtalálható a Budapesti Kutatóreaktor Műszerközpont évkönyveiben.
Környezetvédelmi feltáró mérésekhez végeztünk előkísérleteket balatoni iszapüledék mintákon a Közép-dunántúli Környezetvédelmi Felügyelőséggel együttműködve. Bár több szennyező nehézfémet sikerült kimutatnunk (Cr, Ni stb.), az esetek többségében a környezetvédelmi normáknak megfelelő érzékenységet a hidegforrással tudjuk majd elérni.
A katalizátorok összetételét, nyomszennyezőt vizsgáltuk működésük jobb megértése és az előállítás kontrollja céljából. A környezeti szennyezők effektív lebontására alkalmas új katalizátoranyagok kifejlesztésével kapcsolatban a KK-IKI és a Veszprémi Egyetem folytat kutatásokat.
Egyes amorf fémötvözetek hidrogéntároló képességének vizsgálatához a PGAA módszert az NMR spekrtroszkópiával kombináltuk a KFKI Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézettel együttműködésben. Így sikerült megkülönböztetni a mobil és a remanens hidrogént. E kutatások perspektívája a hidrogén üzemanyagcellák hatásfokának növelése.
A régészet számára a PGAA szinte az egyetlen roncsolásmentes térfogati analízis módszer. Magyarország és a Kárpát-medence történetével kapcsolatosak a régészeti leletek (fém- és kőeszközök, pénzérmék stb.) eredetvizsgálatát segítő analitikai méréseink a Magyar Nemzeti Múzeummal, az MTA Régészeti Intézettel, az ELTE Régészettudományi Intézetével, az ELTE Geológiai Tanszékcsoporttal és a Bécsi Egyetemmel közösen.
A PGAA módszerrel kombinált stabilizotópos nyomjelzés bevezetése igen perspektivikus egyes ipari folyamatok ellenőrzésére. A GE Lighting Tungsram Rt. számára végzett vizsgálatok során gadolínium és bór stabil jelzőanyaggal az üvegolvasztó kemencék keveredési viszonyait sikerült feltérképeznünk anélkül, hogy a gyártási folyamatot megzavartuk volna.
Számos vizsgálat során merült fel az oxigén és az ólom pontosabb meghatározásának igénye. E két elem domináns izotópja mágikus mag lévén a termikus neutronbefogás valószínűsége kicsi. Ezért gyorsneutronos aktivációs analitikai mérésekkel - neutrongenerátor alkalmazásával - szeretnénk kiegészíteni hidegneutronos PGAA laboratóriumunk lehetőségeit. Ebben Csikai Gyula professzor úttörő munkásságára támaszkodunk.
Kapcsolat a magfizikával
Végezetül hangsúlyozni szeretnénk, hogy az analitikai célok érdekében megszerzett magspektroszkópiai ismeretekből a magfizika is profitál. A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség vezérletével elkezdődött az adatok visszatáplálása a nemzetközi magfizikai adatbázisba. Így munkánk majd az atommagok gerjesztett állapotainak jobb megismerését is szolgálja.