El análisis por activación neutrónica ( NAA ) es un proceso nuclear utilizado para determinar las concentraciones de elementos en muchos materiales. El 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 neutrónica y, por lo tanto, requiere una fuente de neutrones . La muestra se bombardea con neutrones , lo que hace que sus elementos constituyentes formen isótopos radiactivos. Las emisiones radiactivas y las rutas de desintegración radiactiva de cada elemento se han estudiado y determinado durante mucho tiempo. Con esta información, es posible estudiar los espectros de las emisiones de la muestra radiactiva y determinar las concentraciones de los diversos elementos que contiene. Una ventaja particular de esta técnica es que no destruye la muestra, por lo que se ha utilizado para el análisis de obras de arte y artefactos históricos. El NAA también se puede utilizar para determinar la actividad de una muestra radiactiva.
Si el análisis de activación neutrónica se realiza directamente sobre muestras irradiadas, se denomina análisis instrumental por activación neutrónica ( INAA ). En algunos casos, las muestras irradiadas se someten a una separación química para eliminar especies interferentes o para concentrar el radioisótopo de interés; esta técnica se conoce como análisis radioquímico por activación neutrónica ( RNAA ).
La NAA puede realizar análisis no destructivos en sólidos, líquidos, suspensiones, lodos y gases sin preparación o con una preparación mínima. 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 diferentes vidas medias, el conteo se puede retrasar para permitir que las especies interferentes se desintegren eliminando la interferencia. Hasta la introducción de ICP-AES y PIXE , la NAA era el método analítico estándar para realizar análisis de múltiples elementos con límites de detección mínimos en el rango de sub- ppm . [1] La precisión de la NAA está en la región del 5%, y la precisión relativa es a menudo mejor que el 0,1%. [1] Hay dos desventajas notables para 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 requiere protocolos de manipulación y eliminación para material radiactivo de nivel bajo a medio; además, el número de reactores nucleares de activación adecuados está disminuyendo; Debido a la falta de instalaciones de irradiación, la técnica ha perdido popularidad y se ha vuelto más cara.
El análisis por activación neutrónica es una técnica analítica sensible de múltiples elementos que se utiliza tanto para el análisis cualitativo como cuantitativo de elementos mayores, menores, traza y raros. El análisis por activación neutrónica fue descubierto 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 condujo al uso de radiactividad inducida para la identificación de elementos. El análisis por activación neutrónica es significativamente diferente de otras técnicas analíticas espectroscópicas en que no se basa en transiciones electrónicas sino en transiciones nucleares. Para llevar a cabo un análisis por activación neutrónica, 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, lo que es más importante, rayos gamma , que son característicos del elemento del que fueron emitidos.
Para que el procedimiento NAA tenga éxito, la muestra o espécimen debe seleccionarse con cuidado. En muchos casos, los objetos pequeños se pueden irradiar y analizar intactos sin necesidad de tomar muestras. Pero, más comúnmente, se toma una muestra pequeña, generalmente 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 materiales diferentes. Esto revelará cualquier contaminación de la muestra del material de la broca en sí. Luego, la muestra se encapsula en un vial hecho de polietileno lineal de alta pureza o cuarzo . [4] Estos viales de muestra vienen en muchas formas y tamaños para acomodar 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 fisión de 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 un reactor de este tipo es del orden de 10 12 neutrones cm −2 s −1 . [1] El tipo de neutrones generados son de energía cinética (KE) relativamente baja, típicamente menos de 0,5 eV . Estos neutrones se denominan neutrones térmicos. Tras la irradiación, un neutrón térmico interactúa con el núcleo objetivo a través de una colisión no elástica, lo que provoca la captura de neutrones. Esta colisión forma un núcleo compuesto que está en un estado excitado. La energía de excitación dentro del núcleo compuesto se forma a partir de la energía de enlace del neutrón térmico con el núcleo objetivo. Este estado excitado es desfavorable y el núcleo compuesto se desexcitará (transmutará) casi instantáneamente en una configuración más estable a través de la emisión de una partícula inmediata y uno o más fotones gamma inmediatos 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 partículas y uno o más fotones gamma retardados característicos. Este proceso de desintegración se produce a un ritmo mucho más lento que la desexcitación inicial y depende de la semivida única del núcleo radiactivo. Estas semividas únicas dependen de la especie radiactiva en 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]
La activación por neutrones 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 una energía cinética <0,5 eV. Los neutrones de energía cinética media también pueden usarse para la activación, estos neutrones han sido moderados solo parcialmente y tienen una energía cinética de 0,5 eV a 0,5 MeV, y se denominan neutrones epitermales. La activación con neutrones epitermales se conoce como NAA epitermal (ENAA). Los neutrones de alta energía cinética se usan a veces para la activación, estos neutrones no están moderados y consisten en neutrones de fisión primarios. Los neutrones de alta energía cinética o rápidos tienen una energía cinética >0,5 MeV. La activación con neutrones rápidos se denomina NAA rápida (FNAA). Otro parámetro experimental importante es si los productos de desintegración nuclear (rayos gamma o partículas) se miden durante la irradiación de neutrones ( gamma inmediata ) o en algún momento después de la irradiación (gamma retardada, DGNAA). La PGNAA se realiza generalmente utilizando una corriente de neutrones extraída del reactor nuclear a través de un puerto de haz. Los flujos de neutrones de los puertos de 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. La 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 DGNAA; elementos que producen solo isótopos estables ; o elementos con intensidades de rayos gamma de desintegración débiles. La PGNAA se caracteriza por tiempos de irradiación cortos y tiempos de desintegración cortos, a menudo del orden de segundos y minutos. La DGNAA es aplicable a la gran mayoría de elementos que forman radioisótopos artificiales. Los análisis de DG a menudo se realizan 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 las interferencias. La DGNAA se caracteriza por largos tiempos de irradiación y desintegración, a menudo del orden de horas, semanas o más.
Se pueden utilizar distintas fuentes:
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, a su vez, 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 de NAA. Las ventajas de este tipo de aparato es que es compacto, a menudo del tamaño de una mesa de trabajo, y que se puede encender y apagar fácilmente. Una desventaja es que este tipo de fuente no produce el flujo de neutrones que se puede obtener utilizando un reactor.
Para muchos trabajadores de este campo, un reactor es un elemento demasiado caro; en su lugar, es habitual utilizar una fuente de neutrones que utiliza una combinación de un emisor alfa y berilio. Estas fuentes suelen 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 pozos petrolíferos. [5]
Existen varios tipos y configuraciones de detectores que se utilizan en la NAA. La mayoría están diseñados para detectar la radiación gamma emitida . Los tipos más comunes de detectores gamma que se encuentran en la NAA son el tipo de ionización de gas , el tipo de centelleo y el tipo semiconductor . De estos, el tipo de centelleo y semiconductor son los más utilizados. Se utilizan dos configuraciones de detector: el detector planar, utilizado para PGNAA, y el detector de pozo, utilizado para DGNAA. El detector planar tiene una superficie de recolección plana y grande y se puede colocar cerca de la muestra. El detector de pozo "rodea" la muestra con una superficie de recolección grande.
Los detectores de centelleo utilizan un cristal sensible a la radiación, normalmente yoduro de sodio dopado con talio (NaI(Tl)), que emite luz cuando es alcanzado 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 con deriva de litio o Ge(Li) (se pronuncia 'jelly'), 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 de HPGe tienen una excelente sensibilidad y resolución, pero los detectores de Ge(Li) son inestables a temperatura ambiente, ya que el litio se desplaza hacia la región intrínseca y arruina el detector. El desarrollo del 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 suelen acompañar a la emisión de un fotón gamma, pero son menos favorables, ya que estas partículas solo se emiten desde la superficie de la muestra y a menudo son absorbidas o atenuadas por los gases atmosféricos, lo que requiere costosas condiciones de vacío para ser detectadas de manera efectiva. Los rayos gamma, sin embargo, no son absorbidos ni atenuados por los gases atmosféricos y también pueden escapar desde lo profundo de la muestra con una absorción mínima.
El análisis de arsénico-nuclear (NAA) puede detectar hasta 74 elementos, según el procedimiento experimental, con límites de detección mínimos que van desde 0,1 a 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 eficaz de captura de neutrones mayor 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 se pueden identificar mediante PGNAA.
El análisis por activación neutrónica tiene una amplia variedad de aplicaciones, que incluyen los campos de la arqueología , la ciencia del suelo , la geología , la ciencia forense y la industria de los semiconductores . En el ámbito forense, los cabellos sometidos a un análisis neutrónico forense detallado para determinar si provenían de las mismas personas se utilizaron por primera vez en el juicio de John Norman Collins . [6]
Los arqueólogos utilizan el análisis de activación neutrónica para determinar los elementos que componen ciertos artefactos. Esta técnica se utiliza porque no es destructiva y puede relacionar un artefacto con su origen por su firma química. Este método ha demostrado ser muy exitoso para determinar las rutas comerciales, en particular para la obsidiana, con la capacidad del análisis de activación neutrónica para distinguir entre composiciones químicas. En los procesos agrícolas, el movimiento de fertilizantes y pesticidas se ve influenciado por el movimiento de la superficie y el subsuelo a medida que se infiltran 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 mientras tienen una interacción mínima con el suelo. El análisis de activación neutrónica se utiliza para medir el bromuro de modo que no sea necesaria la extracción para el análisis. El análisis de activación neutrónica se utiliza en geología para ayudar a investigar los procesos que formaron las rocas a través del análisis de los elementos de tierras raras y los oligoelementos. También ayuda a localizar depósitos de minerales y rastrear ciertos elementos. El análisis de activación neutrónica también se utiliza para crear estándares en la industria de semiconductores. Los semiconductores requieren un alto nivel de pureza, y la contaminación reduce significativamente la calidad del semiconductor. La NAA se utiliza para detectar impurezas traza y establecer estándares de contaminación, porque implica un manejo limitado de las muestras y una alta sensibilidad. [7]