Analyse d'activation neutronique - Neutron activation analysis

L'analyse par activation neutronique (ANA) est le processus nucléaire utilisé pour déterminer les concentrations d' éléments dans une grande quantité de matériaux. NAA permet un échantillonnage discret des éléments car il ne tient pas compte de la forme chimique d'un échantillon et se concentre uniquement sur son noyau. La méthode est basée sur l' activation neutronique et nécessite donc une source de neutrons . L'échantillon est bombardé de neutrons, provoquant la formation d'isotopes radioactifs par les éléments. Les émissions radioactives et les chemins de désintégration radioactive pour chaque élément sont bien connus. À partir de ces informations, il est possible d'étudier les spectres des émissions de l'échantillon radioactif et de déterminer les concentrations des éléments qu'il contient. Un avantage particulier de cette technique est qu'elle ne détruit pas l'échantillon et qu'elle a donc été utilisée pour l'analyse d'œuvres d'art et d'artefacts historiques. NAA peut également être utilisé pour déterminer l' activité d'un échantillon radioactif.

Si la NAA est effectuée directement sur des échantillons irradiés, elle est appelée analyse par activation neutronique instrumentale (INAA). Dans certains cas, les échantillons irradiés sont soumis à une séparation chimique pour éliminer les espèces interférentes ou pour concentrer le radio-isotope d'intérêt, cette technique est connue sous le nom d' analyse d'activation des neutrons radiochimiques (ARNA).

NAA peut effectuer des analyses non destructives sur les solides, les liquides, les suspensions, les boues et les gaz sans préparation ou avec une préparation minimale. En raison de la nature pénétrante des neutrons incidents et des rayons gamma résultants, la technique fournit une véritable analyse en masse. Comme différents radio-isotopes ont des demi-vies différentes, le comptage peut être retardé pour permettre aux espèces interférentes de se désintégrer, éliminant ainsi les interférences. Jusqu'à l'introduction de l' ICP-AES et du PIXE , la NAA était la méthode analytique standard pour effectuer des analyses multi-éléments avec des limites de détection minimales de l' ordre de moins de ppm . La précision du NAA est de l'ordre de 5% et la précision relative est souvent meilleure que 0,1%. Il y a deux inconvénients notables à l'utilisation de NAA; même si la technique est essentiellement non destructive, l'échantillon irradié restera radioactif pendant de nombreuses années après l'analyse initiale, ce qui nécessitera des protocoles de manipulation et d'élimination des matières radioactives de faible à moyenne niveau; de plus, le nombre de réacteurs nucléaires d'activation appropriés diminue; faute d'installations d'irradiation, la technique a perdu de sa popularité et est devenue plus chère.

Aperçu

L'analyse par activation neutronique est une technique analytique sensible à plusieurs éléments utilisée pour l' analyse qualitative et quantitative des éléments majeurs, mineurs, traces et rares. La NAA a été découverte en 1936 par Hevesy et Levi, qui ont découvert que les échantillons contenant certains éléments de terres rares devenaient hautement radioactifs après exposition à une source de neutrons . Cette observation a conduit à l'utilisation de la radioactivité induite pour l'identification des éléments. La NAA est très différente des autres techniques analytiques spectroscopiques en ce qu'elle est basée non pas sur des transitions électroniques mais sur des transitions nucléaires. Pour effectuer une analyse NAA, l'échantillon est placé dans une installation d'irradiation appropriée et bombardé de neutrons. Cela crée des radio-isotopes artificiels des éléments présents. Suite à l'irradiation, les radio-isotopes artificiels se désintègrent avec émission de particules ou, plus important encore , de rayons gamma , caractéristiques de l'élément à partir duquel ils ont été émis.

Pour que la procédure NAA réussisse, l'échantillon ou l'échantillon doit être sélectionné avec soin. Dans de nombreux cas, de petits objets peuvent être irradiés et analysés intacts sans avoir besoin d'un échantillonnage. Mais, le plus souvent, un petit échantillon est prélevé, généralement par forage dans un endroit discret. Environ 50 mg (un vingtième de gramme ) est un échantillon suffisant, de sorte que les dommages à l'objet sont minimisés. Il est souvent recommandé de prélever deux échantillons à l'aide de deux forets différents constitués de matériaux différents. Cela révélera toute contamination de l'échantillon par le matériau du trépan lui-même. L'échantillon est ensuite encapsulé dans un flacon en polyéthylène linéaire de haute pureté ou en quartz . Ces flacons d'échantillons se présentent sous de nombreuses formes et tailles pour accueillir de nombreux types d'échantillons. L'échantillon et un étalon sont ensuite conditionnés et irradiés dans un réacteur approprié à un flux de neutrons constant et connu . Un réacteur typique utilisé pour l'activation utilise la fission d' uranium , fournissant un flux de neutrons élevé et les sensibilités disponibles les plus élevées pour la plupart des éléments. Le flux neutronique d'un tel réacteur est de l'ordre de 10 12 neutrons cm -2 s -1 . Le type de neutrons générés est d'une énergie cinétique (KE) relativement faible , généralement inférieure à 0,5 eV . Ces neutrons sont appelés neutrons thermiques. Lors de l'irradiation, un neutron thermique interagit avec le noyau cible via une collision non élastique, provoquant une capture de neutrons. Cette collision forme un noyau composé qui est dans un état excité. L'énergie d'excitation dans le noyau composé est formée à partir de l' énergie de liaison du neutron thermique avec le noyau cible. Cet état excité est défavorable et le noyau composé se désexcite (transmutate) presque instantanément dans une configuration plus stable par l'émission d'une particule rapide et d'un ou plusieurs photons gamma prompt caractéristiques. Dans la plupart des cas, cette configuration plus stable produit un noyau radioactif. Le noyau radioactif nouvellement formé se désintègre maintenant par l'émission des deux particules et d'un ou plusieurs photons gamma retardés caractéristiques. Ce processus de désintégration est beaucoup plus lent que la désexcitation initiale et dépend de la demi-vie unique du noyau radioactif. Ces demi-vies uniques dépendent de l'espèce radioactive particulière et peuvent aller de quelques fractions de seconde à plusieurs années. Une fois irradié, l'échantillon est laissé pour une période de désintégration spécifique, puis placé dans un détecteur, qui mesurera la désintégration nucléaire en fonction soit des particules émises, soit plus communément des rayons gamma émis.

Variations

NAA peut varier selon un certain nombre de paramètres expérimentaux. L'énergie cinétique des neutrons utilisés pour l'irradiation sera un paramètre expérimental majeur. La description ci-dessus concerne l'activation par des neutrons lents, les neutrons lents sont totalement modérés dans le réacteur et ont une KE <0,5 eV. Les neutrons KE moyens peuvent également être utilisés pour l'activation, ces neutrons n'ont été que partiellement modérés et ont une KE de 0,5 eV à 0,5 MeV, et sont appelés neutrons épithermiques. L'activation avec des neutrons épithermiques est connue sous le nom de NAA épithermique (ENAA). Des neutrons à KE élevé sont parfois utilisés pour l'activation, ces neutrons ne sont pas modérés et sont constitués de neutrons de fission primaires. Une KE élevée ou des neutrons rapides ont une KE> 0,5 MeV. L'activation avec des neutrons rapides est appelée Fast NAA (FNAA). Un autre paramètre expérimental majeur est de savoir si les produits de désintégration nucléaire (rayons gamma ou particules) sont mesurés pendant l'irradiation neutronique ( gamma prompt ), ou à un moment donné après l'irradiation (gamma retardé, DGNAA). La PGNAA est généralement réalisée en utilisant un flux de neutrons prélevé sur le réacteur nucléaire via un port de faisceau. Les flux neutroniques des ports du faisceau sont de l'ordre de 10 6 fois plus faibles qu'à l'intérieur d'un réacteur. Ceci est quelque peu compensé en plaçant le détecteur très près de l'échantillon, ce qui réduit la perte de sensibilité due au faible flux. La PGNAA est généralement appliquée à des éléments avec des sections efficaces de capture de neutrons extrêmement élevées ; les éléments qui se désintègrent trop rapidement pour être mesurés par la DGNAA; les éléments qui ne produisent que des isotopes stables ; ou des éléments avec de faibles intensités de rayons gamma de désintégration. La PGNAA est caractérisée par des temps d'irradiation courts et des temps de désintégration courts, souvent de l'ordre de quelques secondes et minutes. La DGNAA est applicable à la grande majorité des éléments qui forment des radio-isotopes artificiels. Les analyses DG sont souvent effectuées sur des jours, des semaines ou même des mois. Cela améliore la sensibilité des radionucléides à vie longue car cela permet aux radionucléides à vie courte de se désintégrer, éliminant ainsi les interférences. La DGNAA se caractérise par de longs temps d'irradiation et de longs temps de désintégration, souvent de l'ordre de quelques heures, semaines ou plus.

Processus nucléaires se produisant lorsque le cobalt est irradié avec des neutrons

Sources de neutrons

une gamme de sources différentes peut être utilisée:

Réacteurs

Certains réacteurs sont utilisés pour l'irradiation neutronique d'échantillons destinés à la production de radio-isotopes à diverses fins. L'échantillon peut être placé dans un conteneur d'irradiation qui est ensuite placé dans le réacteur; si des neutrons épithermiques sont nécessaires pour l'irradiation, le cadmium peut être utilisé pour filtrer les neutrons thermiques.

Fuseurs

Un fuseur Farnsworth – Hirsch relativement simple peut être utilisé pour générer des neutrons pour les expériences NAA. L'avantage de ce type d'appareil est qu'il est compact, souvent de la taille d'une paillasse, et qu'il peut simplement être mis hors et sous tension. Un inconvénient est que ce type de source ne produira pas le flux neutronique qui peut être obtenu à l'aide d'un réacteur.

Sources isotopiques

Pour de nombreux travailleurs sur le terrain, un réacteur est un élément trop coûteux, à la place il est courant d'utiliser une source de neutrons qui utilise une combinaison d'un émetteur alpha et de béryllium. Ces sources ont tendance à être beaucoup plus faibles que les réacteurs.

Tubes à décharge de gaz

Ceux-ci peuvent être utilisés pour créer des impulsions de neutrons, ils ont été utilisés pour certains travaux d'activation où la désintégration de l'isotope cible est très rapide. Par exemple dans les puits de pétrole.

Détecteurs

Détecteur à scintillation gamma pour l'analyse d'activation de neutrons avec un analyste du laboratoire médico-légal ATF à Washington, DC (1966)

Il existe un certain nombre de types et de configurations de détecteurs utilisés dans NAA. La plupart sont conçus pour détecter le rayonnement gamma émis . Les types les plus courants de détecteurs gamma rencontrés dans les NAA sont le type à ionisation de gaz , le type à scintillation et le type à semi - conducteur . Parmi ceux-ci, le type à scintillation et semi-conducteur est le plus largement utilisé. Deux configurations de détecteurs sont utilisées, il s'agit du détecteur plan, utilisé pour PGNAA et du détecteur de puits, utilisé pour DGNAA. Le détecteur plan a une grande surface de collecte plate et peut être placé à proximité de l'échantillon. Le détecteur de puits «entoure» l'échantillon avec une grande surface de prélèvement.

Les détecteurs de type à scintillation utilisent un cristal sensible aux rayonnements, le plus souvent de l'iodure de sodium dopé au thallium (NaI (Tl)), qui émet de la lumière lorsqu'il est frappé par des photons gamma. Ces détecteurs ont une excellente sensibilité et stabilité, ainsi qu'une résolution raisonnable.

Les détecteurs à semi-conducteur utilisent le germanium élément semi-conducteur . Le germanium est traité pour former une diode à broche (positive-intrinsèque-négative) et, lorsqu'il est refroidi à ~ 77 K par de l'azote liquide pour réduire le courant d'obscurité et le bruit du détecteur, produit un signal proportionnel à l'énergie photonique du rayonnement entrant. Il existe deux types de détecteurs de germanium, le germanium dérivé de lithium ou Ge (Li) (prononcé «gelée») et le germanium de haute pureté ou HPGe. L'élément semi-conducteur silicium peut également être utilisé mais le germanium est préféré, car son numéro atomique plus élevé le rend plus efficace pour arrêter et détecter les rayons gamma de haute énergie. Les détecteurs Ge (Li) et HPGe ont une excellente sensibilité et résolution, mais les détecteurs Ge (Li) sont instables à température ambiante, le lithium dérivant dans la région intrinsèque ruinant le détecteur. Le développement de germanium de haute pureté non dérivé a surmonté ce problème.

Les détecteurs de particules peuvent également être utilisés pour détecter l'émission de particules alpha (α) et bêta (β) qui accompagnent souvent l'émission d'un photon gamma mais sont moins favorables, car ces particules ne sont émises qu'à partir de la surface de l'échantillon et sont souvent absorbé ou atténué par les gaz atmosphériques nécessitant des conditions de vide coûteuses pour être détecté efficacement. Les rayons gamma, cependant, ne sont pas absorbés ou atténués par les gaz atmosphériques et peuvent également s'échapper du plus profond de l'échantillon avec une absorption minimale.

Capacités analytiques

NAA peut détecter jusqu'à 74 éléments en fonction de la procédure expérimentale, avec des limites de détection minimales allant de 0,1 à 1x10 6 ng g -1 en fonction de l'élément à l'étude. Les éléments plus lourds ont des noyaux plus gros, ils ont donc une plus grande section efficace de capture de neutrons et sont plus susceptibles d'être activés. Certains noyaux peuvent capturer un certain nombre de neutrons et rester relativement stables, ne subissant pas de transmutation ou de désintégration pendant de nombreux mois, voire des années. D'autres noyaux se désintègrent instantanément ou ne forment que des isotopes stables et ne peuvent être identifiés que par PGNAA.

Limites de détection estimées pour INAA utilisant des rayons gamma de désintégration (en supposant une irradiation dans un flux de neutrons de réacteur de 1x10 13 n cm -2 s -1 )
Sensibilité (picogrammes) Éléments
1 Dy, Eu
1–10 Dans, Lu, Mn
10 à 100 Au, Ho, Ir, Re, Sm, W
100 à 1 000 Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, Cs, Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb, Sc, Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb
1 000–10 4 Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr, Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni, Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te, Zn, Zr
10 4 –10 5 Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si, Sn, Ti, Tl, Xe, Y
10 5 –10 6 F, Fe, Nb, Ne
10 7 Pb, S

Applications

L'analyse d'activation des neutrons a une grande variété d'applications, y compris dans les domaines de l' archéologie , des sciences du sol , de la géologie , de la médecine légale et de l' industrie des semi - conducteurs . Sur le plan médico-légal, les cheveux soumis à une analyse médico-légale détaillée des neutrons pour déterminer s'ils provenaient des mêmes individus ont été utilisés pour la première fois dans le procès de John Norman Collins .

Les archéologues utilisent NAA pour déterminer les éléments qui composent certains artefacts. Cette technique est utilisée car elle est non destructive et elle peut relier un artefact à sa source par sa signature chimique. Cette méthode s'est avérée très efficace pour déterminer les routes commerciales, en particulier pour l'obsidienne, avec la capacité de NAA de distinguer les compositions chimiques. Dans les processus agricoles, le mouvement des engrais et des pesticides est influencé par le mouvement de la surface et du sous-sol lorsqu'il s'infiltre dans les réserves d'eau. Afin de suivre la distribution des engrais et des pesticides, les ions bromure sous diverses formes sont utilisés comme traceurs qui se déplacent librement avec l'écoulement de l'eau tout en ayant une interaction minimale avec le sol. L'analyse par activation neutronique est utilisée pour mesurer le bromure de sorte que l'extraction n'est pas nécessaire pour l'analyse. NAA est utilisé en géologie pour aider à la recherche des processus qui ont formé les roches grâce à l'analyse des éléments de terres rares et des oligo-éléments. Il aide également à localiser les gisements de minerai et à suivre certains éléments. L'analyse d'activation neutronique est également utilisée pour créer des normes dans l'industrie des semi-conducteurs. Les semi-conducteurs nécessitent un niveau de pureté élevé, la contamination réduisant considérablement la qualité du semi-conducteur. La NAA est utilisée pour détecter les traces d'impuretés et établir des normes de contamination, car elle implique une manipulation limitée des échantillons et une sensibilité élevée.

Voir également

Références

  1. ^ A b c d Pollard, AM, Heron, C., 1996, Chemistry archéologique . Cambridge, Société royale de chimie.
  2. ^ a b Vue d'ensemble de NAA
  3. ^ [1] Archivé le 6 avril 2005 à la Wayback Machine
  4. ^ "Analyse d'Activation Neutron, Services Nucléaires, NRP" . Archivé de l'original le 2013-01-28 . Récupéré le 13 avril 2006 .
  5. ^ Résultats de la recherche - Glossaire des champs pétrolifères Schlumberger
  6. ^ Keyes, Edward (1976). Les meurtres du Michigan . Reader's Digest Press. ISBN   978-0-472-03446-8 .
  7. ^ Applications de NAA