análisis por activación neutrónica

El análisis por activación neutrónica ( AAN ) es un proceso nuclear utilizado para determinar las concentraciones de elementos en diversos materiales. El AAN permite el muestreo discreto de elementos, ya que no tiene en cuenta la forma química de la muestra y se centra exclusivamente 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 provoca que sus elementos constituyentes formen isótopos radiactivos. Las emisiones radiactivas y las vías de desintegración radiactiva de cada elemento se han estudiado y determinado exhaustivamente. Con 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, por lo que se ha utilizado para el análisis de obras de arte y artefactos históricos. El AAN también puede utilizarse para determinar la actividad de una muestra radiactiva.

Si el análisis por activación neutrónica (AAN) 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 las especies interferentes o para concentrar el radioisótopo de interés; esta técnica se conoce como análisis radioquímico por activación neutrónica ( RNAA ).

NAA puede realizar análisis no destructivos en sólidos, líquidos, suspensiones, lodos y gases con poca o ninguna preparación. Debido a la naturaleza penetrante de los neutrones incidentes y los rayos gamma resultantes, la técnica proporciona un verdadero análisis global. Como los diferentes radioisótopos tienen diferentes vidas medias, el conteo puede retrasarse para permitir que las especies interferentes se desintegren eliminando la interferencia. Hasta la introducción de ICP-AES y PIXE , NAA era el método analítico estándar para realizar análisis multielementales con límites de detección mínimos en el rango de sub- ppm . ^{[ 1 ]} La exactitud 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 permanecerá radiactiva durante muchos años después del análisis inicial, lo que requiere protocolos de manejo 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 costosa.

El análisis por activación neutrónica (AAN) es una técnica analítica multielemental sensible que se utiliza tanto para el análisis cualitativo como cuantitativo de elementos mayoritarios, minoritarios, traza y raros. El AAN fue descubierto en 1936 por Hevesy y Levi, quienes observaron que las muestras que contenían ciertos elementos de tierras raras se volvían altamente radiactivas tras la exposición a una fuente de neutrones. ^{[ 2 ]} Esta observación condujo al uso de la radiactividad inducida para la identificación de elementos. El AAN se diferencia significativamente de otras técnicas analíticas espectroscópicas en que se basa no en transiciones electrónicas, sino en transiciones nucleares. Para realizar un análisis de AAN, la muestra se coloca en una instalación de irradiación adecuada y se bombardea con neutrones. Esto crea radioisótopos artificiales de los elementos presentes. Tras la irradiación, los radioisótopos artificiales se desintegran emitiendo partículas o, más importante aún, rayos gamma , que son característicos del elemento del que proceden.

Para que el procedimiento NAA sea exitoso, la muestra debe seleccionarse cuidadosamente. En muchos casos, los objetos pequeños pueden irradiarse y analizarse intactos sin necesidad de muestreo. Sin embargo, lo más común es tomar una pequeña muestra, generalmente perforando en un lugar discreto. 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 distintos. Esto revelará cualquier contaminación de la muestra por el material de la broca. La muestra se encapsula en un vial hecho de polietileno lineal de alta pureza o cuarzo . ^{[ 4 ]} Estos viales para muestras vienen en muchas formas y tamaños para adaptarse a muchos tipos de muestras. La muestra y un estándar se empaquetan y se 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 un reactor de este tipo es del orden de ^10¹² neutrones cm⁻² ^s⁻¹ . [ ^{1 ] El} tipo de neutrones generados son de energía cinética (EC) relativamente baja, típicamente inferior a 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, provocando 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 enlace.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 rápida y uno o más fotones gamma rápidos característicos. En la mayoría de los casos, esta configuración más estable produce un núcleo radiactivo. El núcleo radiactivo recién formado se desintegra mediante la emisión de ambas partículas y uno o más fotones gamma retardados característicos. Este proceso de desintegración es 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 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 naturales (NAA) puede variar según diversos parámetros experimentales. La energía cinética de los neutrones utilizados para la irradiación es un parámetro experimental clave. La descripción anterior se refiere a la activación por neutrones lentos, que se moderan completamente dentro del reactor y tienen una energía cinética (KE) inferior a 0,5 eV. También se pueden utilizar neutrones de energía cinética media para la activación; estos neutrones se moderan solo parcialmente y tienen una KE de entre 0,5 eV y 0,5 MeV, y se denominan neutrones epitérmicos. La activación con neutrones epitérmicos se conoce como NAA epitérmica (ENAA). En ocasiones, se utilizan neutrones de alta KE para la activación; estos neutrones no se moderan y consisten en neutrones de fisión primarios. Los neutrones de alta KE o rápidos tienen una KE superior a 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 instantáneo ) o en algún momento posterior a la irradiación (gamma retardado, DGNAA). El PGNAA se realiza generalmente utilizando un flujo de neutrones extraído del reactor nuclear a través de un puerto de haz. Los flujos de neutrones de los puertos de haz son del orden de 10⁶ ^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 debida al bajo flujo. El 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. El PGNAA se caracteriza por tiempos de irradiación y desintegración cortos, a menudo del orden de segundos y minutos. El DGNAA es aplicable a la gran mayoría de los elementos que forman radioisótopos artificiales. Los análisis DG a menudo se realizan durante días, semanas o incluso meses. Esto mejora la sensibilidad para los radionúclidos de larga vida, ya que permite que los radionúclidos de corta vida se desintegren, eliminando así las interferencias. La DGNAA se caracteriza por largos tiempos de irradiación y de desintegración, a menudo del orden de horas, semanas o incluso más.

Se puede utilizar una variedad de fuentes diferentes:

• Un reactor nuclear
• Un actinoide como el californio que emite neutrones mediante fisión espontánea.
• Una fuente alfa como el radio o el americio , mezclada con berilio ; esto genera neutrones mediante una reacción (α, ^{12 C+n).}
• Una reacción de fusión DT en un tubo de descarga de gas

En la NAA se utilizan diversos tipos y configuraciones de detectores. La mayoría están diseñados para detectar la radiación gamma emitida . Los tipos más comunes de detectores gamma en la NAA son los de ionización de gas , los de centelleo y los de semiconductor . De estos, los de centelleo y semiconductor son los más utilizados. Se emplean dos configuraciones de detector: el detector planar, utilizado para la PGNAA, y el detector de pozo, utilizado para la DGNAA. El detector planar tiene una superficie de recolección plana y amplia, y puede colocarse cerca de la muestra. El detector de pozo rodea la muestra con una gran superficie de recolección.

Los detectores de centelleo utilizan un cristal sensible a la radiación, generalmente yoduro de sodio dopado con talio (NaI(Tl)), que emite luz al ser impactado por fotones gamma. Estos detectores poseen una excelente sensibilidad y estabilidad, así como una resolución razonable.

Los detectores semiconductores utilizan el germanio . Este elemento semiconductor se procesa para formar un diodo PIN (positivo-intrínseco-negativo) y, al enfriarse a unos 77 K con nitrógeno líquido para reducir la corriente oscura y el ruido del detector, produce una señal proporcional a la energía del fotón de la radiación incidente. Existen dos tipos de detectores de germanio: el germanio con litio incorporado o Ge(Li) (pronunciado «geli») y el germanio de alta pureza o HPGe. Si bien también se puede utilizar silicio , 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 Ge(Li) como los HPGe presentan una excelente sensibilidad y resolución, pero los detectores Ge(Li) son inestables a temperatura ambiente, ya que el litio se desplaza hacia la región intrínseca , dañando el detector. El desarrollo de germanio de alta pureza sin litio incorporado ha solucionado este problema.

Los detectores de partículas también pueden utilizarse para detectar la emisión de partículas alfa (α) y beta (β), que suelen acompañar a la emisión de un fotón gamma. Sin embargo, su detección resulta menos favorable, ya que estas partículas se emiten únicamente desde la superficie de la muestra y a menudo son absorbidas o atenuadas por los gases atmosféricos, lo que requiere condiciones de vacío costosas para su detección efectiva. Los rayos gamma, en cambio, no son absorbidos ni atenuados por los gases atmosféricos y pueden escapar desde el interior de la muestra con una absorción mínima.

La NAA puede detectar hasta 74 elementos, dependiendo del procedimiento experimental, con límites de detección mínimos que oscilan entre 0,1 y 1 millón de ng/g, según el elemento analizado. Los elementos más pesados ​​tienen núcleos más grandes, por lo que presentan una mayor sección transversal de captura de neutrones y son más propensos a activarse. Algunos núcleos pueden capturar varios neutrones y permanecer relativamente estables, sin sufrir transmutación ni desintegración durante muchos meses o incluso años. Otros núcleos se desintegran instantáneamente o forman únicamente isótopos estables y solo pueden identificarse mediante PGNAA.

El análisis por activación neutrónica tiene una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo campos como la arqueología , la ciencia del suelo , la geología , la ciencia forense y la industria de los semiconductores . En el ámbito forense, el análisis detallado de cabellos mediante neutrones para determinar si pertenecían a la misma persona se utilizó por primera vez en el juicio de John Norman Collins . ^{[ 6 ]}

Los arqueólogos utilizan el análisis por activación neutrónica (AAN) para determinar los elementos que componen ciertos artefactos. Esta técnica se emplea por ser no destructiva y por permitir relacionar un artefacto con su origen mediante su huella química. Este método ha demostrado ser muy eficaz para determinar rutas comerciales, especialmente para la obsidiana, gracias a la capacidad del AAN para distinguir entre composiciones químicas. En los procesos agrícolas, el movimiento de fertilizantes y pesticidas se ve influenciado por el movimiento superficial y subsuperficial 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 del agua, con una interacción mínima con el suelo. El análisis por activación neutrónica se utiliza para medir el bromuro, por lo que no es necesaria su extracción para el análisis. El AAN 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 minerales y a rastrear ciertos elementos. El análisis por activación neutrónica también se utiliza para establecer estándares en la industria de los semiconductores. Los semiconductores requieren un alto nivel de pureza, y la contaminación reduce significativamente su calidad. El análisis por activación neutrónica (NAA) se utiliza para detectar impurezas traza y establecer estándares de contaminación, debido a que requiere una manipulación mínima de la muestra y presenta una alta sensibilidad. ^{[ 7 ]}

• El reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) de los Laboratorios Nacionales de Oak Ridge tiene capacidad para realizar análisis de activación neutrónica (NAA).
• flujo de neutrones
• obús de neutrones