El análisis de activación de neutrones ( NAA ) es un proceso nuclear utilizado para determinar las concentraciones de elementos en muchos materiales. NAA permite un muestreo discreto de elementos, ya que no tiene en cuenta la forma química de una muestra y se centra únicamente en los núcleos atómicos. El método se basa en la activación de neutrones y, por tanto, requiere una fuente de neutrones . La muestra es bombardeada con neutrones , lo que hace que sus elementos constituyentes formen isótopos radiactivos. Las emisiones radiactivas y las trayectorias de desintegración radiactiva de cada elemento se han estudiado y determinado desde hace mucho tiempo. Utilizando esta información, es posible estudiar los espectros de las emisiones de la muestra radiactiva y determinar las concentraciones de los distintos elementos que contiene. Una ventaja particular de esta técnica es que no destruye la muestra y, por lo tanto, se ha utilizado para el análisis de obras de arte y artefactos históricos. NAA también se puede utilizar para determinar la actividad de una muestra radiactiva.
Si el NAA se realiza directamente sobre muestras irradiadas, se denomina análisis instrumental de activación de neutrones ( INAA ). En algunos casos, las muestras irradiadas se someten a separación química para eliminar especies que interfieren o concentrar el radioisótopo de interés; esta técnica se conoce como análisis de activación de neutrones radioquímicos ( RNAA ).
NAA puede realizar análisis no destructivos en sólidos, líquidos, suspensiones, lodos y gases con una preparación mínima o nula. Debido a la naturaleza penetrante de los neutrones incidentes y los rayos gamma resultantes, la técnica proporciona un verdadero análisis en masa. Como los diferentes radioisótopos tienen vidas medias diferentes, el recuento se puede retrasar para permitir que las especies que interfieren se desintegren eliminando la interferencia. Hasta la introducción de ICP-AES y PIXE , NAA era el método analítico estándar para realizar análisis de elementos múltiples con límites mínimos de detección en el rango de subppm . [1] La precisión de NAA está en la región del 5% y la precisión relativa suele ser mejor que el 0,1%. [1] Hay dos inconvenientes notables en el uso de NAA; aunque la técnica es esencialmente no destructiva, la muestra irradiada seguirá siendo radiactiva durante muchos años después del análisis inicial, lo que requerirá protocolos de manipulación y eliminación para materiales radiactivos de nivel bajo a medio; además, está disminuyendo el número de reactores nucleares de activación adecuados; Debido a la falta de instalaciones de irradiación, la técnica ha perdido popularidad y se ha vuelto más cara.
El análisis de activación de neutrones es una técnica analítica sensible de elementos múltiples que se utiliza para el análisis cualitativo y cuantitativo de elementos mayores, menores, trazas y raros. La NAA fue descubierta en 1936 por Hevesy y Levi, quienes descubrieron que las muestras que contenían ciertos elementos de tierras raras se volvían altamente radiactivas después de la exposición a una fuente de neutrones. [2] Esta observación llevó al uso de la radiactividad inducida para la identificación de elementos. La NAA se diferencia significativamente de otras técnicas analíticas espectroscópicas en que no se basa en transiciones electrónicas sino en transiciones nucleares. Para realizar un análisis NAA, la muestra se coloca en una instalación de irradiación adecuada y se bombardea con neutrones. Esto crea radioisótopos artificiales de los elementos presentes. Después de la irradiación, los radioisótopos artificiales se desintegran con la emisión de partículas o, más importante aún, rayos gamma , característicos del elemento del que fueron emitidos.
Para que el procedimiento NAA sea exitoso, la muestra o muestra debe seleccionarse cuidadosamente. En muchos casos, los objetos pequeños pueden irradiarse y analizarse intactos sin necesidad de tomar muestras. Pero lo más habitual es que se tome una pequeña muestra, normalmente perforando en un lugar poco visible. Aproximadamente 50 mg (una vigésima parte de un gramo ) es una muestra suficiente, por lo que se minimiza el daño al objeto. [3] A menudo es una buena práctica extraer dos muestras utilizando dos brocas diferentes hechas de diferentes materiales. Esto revelará cualquier contaminación de la muestra por el propio material de la broca. Luego, la muestra se encapsula en un vial hecho de polietileno lineal de alta pureza o cuarzo . [4] Estos viales de muestras vienen en muchas formas y tamaños para adaptarse a muchos tipos de muestras. Luego, la muestra y un estándar se empaquetan e irradian en un reactor adecuado a un flujo de neutrones constante y conocido . Un reactor típico utilizado para la activación utiliza la fisión del uranio , lo que proporciona un alto flujo de neutrones y las sensibilidades más altas disponibles para la mayoría de los elementos. El flujo de neutrones de dicho reactor es del orden de 10 12 neutrones cm −2 s −1 . [1] El tipo de neutrones generados son de energía cinética (KE) relativamente baja, normalmente menos de 0,5 eV . Estos neutrones se denominan neutrones térmicos. Tras la irradiación, un neutrón térmico interactúa con el núcleo objetivo mediante una colisión no elástica, lo que provoca la captura de neutrones. Esta colisión forma un núcleo compuesto que se encuentra en un estado excitado. La energía de excitación dentro del núcleo compuesto se forma a partir de la energía de unión del neutrón térmico con el núcleo objetivo. Este estado excitado es desfavorable y el núcleo compuesto se desexcitará (transmutará) casi instantáneamente a una configuración más estable mediante la emisión de una partícula dinámica y uno o más fotones gamma dinámicos característicos. En la mayoría de los casos, esta configuración más estable produce un núcleo radiactivo. El núcleo radiactivo recién formado ahora se desintegra mediante la emisión de ambas partículas y uno o más fotones gamma retardados característicos. Este proceso de desintegración es a un ritmo mucho más lento que la desexcitación inicial y depende de la vida media única del núcleo radiactivo. Estas vidas medias únicas dependen de la especie radiactiva particular y pueden variar desde fracciones de segundo hasta varios años. Una vez irradiada, la muestra se deja durante un período de desintegración específico y luego se coloca en un detector, que medirá la desintegración nuclear según las partículas emitidas o, más comúnmente, los rayos gamma emitidos. [1]
NAA puede variar según una serie de parámetros experimentales. La energía cinética de los neutrones utilizados para la irradiación será un parámetro experimental importante. La descripción anterior es de activación por neutrones lentos; los neutrones lentos están completamente moderados dentro del reactor y tienen KE <0,5 eV. También se pueden usar neutrones KE medios para la activación; estos neutrones han sido moderados solo parcialmente y tienen KE de 0,5 eV a 0,5 MeV, y se denominan neutrones epitermales. La activación con neutrones epitermales se conoce como NAA epitermal (ENAA). A veces se utilizan neutrones con alto KE para la activación; estos neutrones no están moderados y consisten en neutrones de fisión primaria. Los neutrones rápidos o de KE alto tienen un KE >0,5 MeV. La activación con neutrones rápidos se denomina Fast NAA (FNAA). Otro parámetro experimental importante es si los productos de desintegración nuclear (rayos gamma o partículas) se miden durante la irradiación de neutrones ( gamma rápida ) o en algún momento después de la irradiación (gamma retardada, DGNAA). PGNAA generalmente se realiza utilizando una corriente de neutrones extraída del reactor nuclear a través de un puerto de haz. Los flujos de neutrones de los puertos del haz son del orden de 10 6 veces más débiles que dentro de un reactor. Esto se compensa en cierta medida colocando el detector muy cerca de la muestra, lo que reduce la pérdida de sensibilidad debido al bajo flujo. PGNAA se aplica generalmente a elementos con secciones transversales de captura de neutrones extremadamente altas ; elementos que se desintegran demasiado rápido para ser medidos por la DGNAA; elementos que producen sólo isótopos estables ; o elementos con intensidades de rayos gamma de desintegración débil. PGNAA se caracteriza por tiempos de irradiación cortos y tiempos de desintegración cortos, a menudo del orden de segundos y minutos. DGNAA es aplicable a la gran mayoría de elementos que forman radioisótopos artificiales. Los análisis de DG suelen realizarse durante días, semanas o incluso meses. Esto mejora la sensibilidad de los radionucleidos de vida larga, ya que permite que los radionucleidos de vida corta se desintegren, eliminando eficazmente la interferencia. DGNAA se caracteriza por largos tiempos de irradiación y largos tiempos de desintegración, a menudo del orden de horas, semanas o más.
Se pueden utilizar una variedad de fuentes diferentes:
Algunos reactores se utilizan para la irradiación de neutrones de muestras para la producción de radioisótopos con diversos fines. La muestra se puede colocar en un recipiente de irradiación que luego se coloca en el reactor; Si se requieren neutrones epitermales para la irradiación, se puede utilizar cadmio para filtrar los neutrones térmicos.
Se puede utilizar un fusor Farnsworth-Hirsch relativamente simple para generar neutrones para experimentos NAA. Las ventajas de este tipo de aparatos es que son compactos, a menudo del tamaño de una mesa de trabajo, y que pueden encenderse y apagarse simplemente. Una desventaja es que este tipo de fuente no producirá el flujo de neutrones que se puede obtener utilizando un reactor.
Para muchos trabajadores sobre el terreno, un reactor es un artículo demasiado caro; en cambio, es común utilizar una fuente de neutrones que utiliza una combinación de un emisor alfa y berilio. Estas fuentes tienden a ser mucho más débiles que los reactores.
Estos se pueden utilizar para crear pulsos de neutrones y se han utilizado para algunos trabajos de activación en los que la desintegración del isótopo objetivo es muy rápida. Por ejemplo en los pozos petroleros. [5]
Hay varios tipos de detectores y configuraciones utilizados en NAA. La mayoría están diseñados para detectar la radiación gamma emitida . Los tipos más comunes de detectores gamma que se encuentran en NAA son el tipo de ionización de gas , el tipo de centelleo y el tipo semiconductor . De estos, el tipo centelleador y semiconductor son los más utilizados. Se utilizan dos configuraciones de detector: el detector plano, utilizado para PGNAA y el detector de pozo, utilizado para DGNAA. El detector plano tiene una superficie de recogida grande y plana y puede colocarse cerca de la muestra. El detector de pozo 'rodea' la muestra con una gran superficie de recolección.
Los detectores de tipo centelleo utilizan un cristal sensible a la radiación, más comúnmente yoduro de sodio dopado con talio (NaI(Tl)), que emite luz cuando es impactado por fotones gamma. Estos detectores tienen una excelente sensibilidad y estabilidad, y una resolución razonable.
Los detectores de semiconductores utilizan el elemento semiconductor germanio . El germanio se procesa para formar un diodo pin (positivo-intrínseco-negativo) y, cuando se enfría a ~77 K con nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura y el ruido del detector, produce una señal que es proporcional a la energía del fotón de la radiación entrante. Hay dos tipos de detectores de germanio, el germanio derivado de litio o Ge(Li) (pronunciado "gelatina") y el germanio de alta pureza o HPGe. También se puede utilizar el elemento semiconductor silicio , pero se prefiere el germanio, ya que su mayor número atómico lo hace más eficiente para detener y detectar rayos gamma de alta energía. Tanto los detectores de Ge (Li) como los HPGe tienen una sensibilidad y resolución excelentes, pero los detectores de Ge (Li) son inestables a temperatura ambiente y el litio se desplaza hacia la región intrínseca arruinando el detector. El desarrollo de germanio de alta pureza sin deriva ha superado este problema.
Los detectores de partículas también se pueden utilizar para detectar la emisión de partículas alfa (α) y beta (β) que a menudo acompañan a la emisión de un fotón gamma pero que son menos favorables, ya que estas partículas sólo se emiten desde la superficie de la muestra y a menudo son absorbidos o atenuados por los gases atmosféricos que requieren costosas condiciones de vacío para ser detectados eficazmente. Los rayos gamma, sin embargo, no son absorbidos ni atenuados por los gases atmosféricos y también pueden escapar desde lo más profundo de la muestra con una absorción mínima.
NAA puede detectar hasta 74 elementos según el procedimiento experimental, con límites mínimos de detección que oscilan entre 0,1 y 1x10 6 ng g −1 según el elemento que se esté investigando. Los elementos más pesados tienen núcleos más grandes, por lo que tienen una sección transversal de captura de neutrones más grande y es más probable que se activen. Algunos núcleos pueden capturar una cantidad de neutrones y permanecer relativamente estables, sin sufrir transmutación ni desintegración durante muchos meses o incluso años. Otros núcleos se desintegran instantáneamente o forman solo isótopos estables y solo pueden identificarse mediante PGNAA.
El análisis de activación de neutrones tiene una amplia variedad de aplicaciones, incluso en los campos de la arqueología , la ciencia del suelo , la geología , la ciencia forense y la industria de semiconductores . Desde el punto de vista forense, los pelos sometidos a un detallado análisis forense de neutrones para determinar si procedían de los mismos individuos se utilizaron por primera vez en el juicio de John Norman Collins . [6]
Los arqueólogos utilizan NAA para determinar los elementos que componen ciertos artefactos. Esta técnica se utiliza porque no es destructiva y puede relacionar un artefacto con su fuente mediante su firma química. Este método ha demostrado ser muy exitoso para determinar rutas comerciales, particularmente para la obsidiana, con la capacidad de la NAA de distinguir entre composiciones químicas. En los procesos agrícolas, el movimiento de fertilizantes y pesticidas está influenciado por el movimiento superficial y subterráneo a medida que se infiltra en los suministros de agua. Para rastrear la distribución de fertilizantes y pesticidas, se utilizan iones de bromuro en diversas formas como trazadores que se mueven libremente con el flujo de agua y tienen una interacción mínima con el suelo. El análisis de activación de neutrones se utiliza para medir el bromuro, de modo que no sea necesaria la extracción para el análisis. NAA se utiliza en geología para ayudar en la investigación de los procesos que formaron las rocas mediante el análisis de elementos de tierras raras y oligoelementos. También ayuda a localizar depósitos de minerales y rastrear ciertos elementos. El análisis de activación de neutrones también se utiliza para crear estándares en la industria de los semiconductores. Los semiconductores requieren un alto nivel de pureza y la contaminación reduce significativamente la calidad del semiconductor. NAA se utiliza para detectar trazas de impurezas y establecer estándares de contaminación, porque implica un manejo limitado de muestras y una alta sensibilidad. [7]