دانلود مقاله آنالیز فعال سازی نوترونی

word قابل ویرایش
37 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

آنالیز فعال سازی نوترونی

فصل اول
آنالیز فعال سازی نوترونی
۱-۱ تاریخچه روش آنالیز فعال سازی نوترونی (NAA)
نوترون برای اولین بار در سال ۱۹۳۲ توسط چادویک از بمباران برلیوم بوسیله ذرات آلفا، بصورت عملی بدست آمد. البته قبل از کشف چادویک، راترفورد در سال۱۹۲۰ این ذره را بعنوان ترکیبی از الکترون و پروتون و بدون بار الکتریکی فرض کرده و آن را به همین نام شناخته بود.

اولین آزمایش فعالسازی نوترونی در سال۱۹۳۶ توسط جرج هوسی (دانشمند مجارستانی) و شاگردش (هیلد لوی) در کپنهاک دانمارک انجام شد.
چشمه های نوترونی و آشکارسازهای اشعه گاما، دو پایه اصلی روش فعالسازی نوترونی می باشند که هر دو در سالهای اولیه تولدNAA، بسیار محدود و کمتر قابل دسترس بودند و به همین دلیل، تا قبل از تکمیل اولین راکتور گرافیتی در ایالات متحده آمریکا در سال ۱۹۴۲، آنالیز فعالسازی نوترونی کمتر بعنوان روشی با حساسیت بالا به کار گرفته می شد.

اما با ساخت آشکارساز سوسوزن(Tl)NaI در سال۱۹۵۳ و آشکارساز ژرمنیوم لیتیوم (Ge(Li)) در سال۱۹۶۰، انقلابی در کاربرد روشNAA بوجود آمد و این روش، از یک روش آکادمیک آنالیز مواد به یک روش حرفه ای در این عرصه تبدیل شد. پیشرفت کامپیوتر و اتوماسیون در سالهای ۱۹۷۰ و۱۹۸۰ روش فعالسازی نوترونی را به یک روش پیشرفته و با حساسیت بسیار بالا تبدیل کرد، به گونه ای که امروز

ه این روش به یک ابزار حیاتی در زمینه های مختلف علمی و صنعتی تبدیل شده است.
۱-۲ اصول روش آنالیز فعال سازی نوترونی (NAA)
در روش NAA از نوترون بعنوان پرتابه استفاده می کنیم. وقتی یک نوترون با هسته هدف برخورد می کند، بدلیل درگیر نشدن در سد کولمبی می تواند براحتی تا حد برد نیروهای هسته ای به هدف نزدیک شود. درنتیجه، انرژی جنبشی نوترون به شدت کاهش یافته و ممکن است توسط هسته جذب شود. به این فرآیند گیراندازی نوترون (Neutron Capture) می گوییم. حاصل این واکنش یک هسته برانگیخته است.
(۱-۱)[X+n]* هسته برانگیخته X(هسته هدف)
هسته برانگیخته به روشهای مختلفی می تواند واکنش کند، که مهمترین آنها عبارتند از:
۱)پراکندگی کشسان ۲)پراکندگی غیرکشسان ۳)گسیل ذره ۴)تابش فوتون ۵)شکافت

پیروی هسته برانگیخته از هر کدام از این واکنشها، علاوه بر اینکه به انرژی برانگیختگی هسته مرکب وابسته است، وابستگی مستقیمی نیز به سطح مقطع واکنش بین هسته هدف و نوترون فرودی دارد.
معمولترین واکنشی که در روش NAA مورد استفاده قرار می گیرد، گسیل پرتو ) (n, است:
(۱-۲)
آهنگ جذب نوترون در هسته به سه پارامتر وابسته است:
۱) شار نوترون(φ) ۲) تعداد ذرات هدف(N) 3) سطح مقطع گیراندازی نوترون(σ)
تعداد ذرات هدف را می توان از رابطه زیر محاسبه کرد:
(۱-۳)
که در آنNa عدد آووگادرو،Wجرم هسته مجهول،M جرم اتمی آن وθ فراوانی ایزوتوپی آن است.
بنابراین تعداد اتمهای رادیواکتیو شده در هر ثانیه و هر سانتیمتر مکعب از هدف، برابر است با:
(۱-۴)

اما هم در هنگام تولید هسته رادیواکتیو و هم بعد از اتمام زمان پرتودهی، هسته های رادیواکتیو تولید شده، واپاشی می کنند. بنابراین راکتیویته یا همان تعداد هسته های رادیواکتو باقی مانده در نمونه برابر است با:
(۱-۵)

که در آن ، ثابت واپاشی هسته رادیواکتیو،T نیمه عمر هسته رادیواکتیو، ti زمان پرتودهی و td زمان واپاشی می باشد. معادله(۱-۵) اساس کار روش فعالسازی نوترونی است.
حال نمونه را در برابر آشکارساز قرار می دهیم. اکتیویته ای که آشکارساز نشان می دهد را باید در ضریب آشکارساز، ضرب کنیم تا اکتیویته مطلق را بدست آوریم:
(۱-۶) (اکتیویته مطلق)

ضریب آشکارساز از دو پارامتر تشکیل شده است:
(۱-۷)
الف) : راندمان (efficiency) آشکارساز بوده و خود به دو عامل وابسته است:
۱) چگونگی قرار گرفتن نمونه در برابر آشکارساز

۲) راندمان ذاتی ماده تشکیل دهنده آشکارساز
ب) : که از ضرب دو عامل بدست می آید:
۱) احتمال رخ دادن واکنش مورد نظر (بین ذرات ورودی به داخل آشکارساز با مواد تشکیل دهنده آشکارساز) در طراحی آشکارساز
۲) نسبت الکترون خروجی به کل الکترون تولید شده در آشکارساز است.
۱-۳ انواع روش NAA

آنالیز مواد به روش فعال سازی نوترونی را می توان از جنبه های مختلفی دسته بندی کرد.
۱-۳-۱ انواع NAA از لحاظ روش کار
ابتدا تقسیم بندی روشNAAرا از لحاظ نوع عملکرد و روش عملی، بررسی می کنیم. رابطه (۱-۵) اساس کار در روش NAA است و بنابر چگونگی استفاده از آن، آنالیز فعالسازی نوترونی را به۴دسته تقسیم می کنند.

۱) روش مطلق
در این روش تمام داده ها و پارامترهای لازم در معادله(۱-۵) و همچنین پارامترهای مربوط به آشکارساز را اندازه گیری کرده و برای محاسبه هیچکدام از آنها از یک نمونه معلوم بعنوان استاندارد استفاده نمی کنیم. بدلیل دشواری های مربوط به محاسبه داده های هسته ای و راندمان آشکارساز و همچنین محاسبه سطح مقطع واکنش مورد نظر که به شدت به انرژی نوترونهای فرودی وابسته است، این روش کاربرد عملی چندانی ندارد و بیشتر برای Co، Au و Ni که بعنوان دیده بان شار نوترونی کابرد دارند، مورد استفاده قرار می گیرد.

۲) روش نیمه مطلق
در این روش برخی از پارامتر را به کمک استاندارد بدست می آوریم(اما نه همه آنها را). این روش نیز بدلیل مشکلات عملی در محاسبات و اندازه گیری ها، بجز دربرخی موارد خاص، چندان مورد استفاده قرار نمی گیرد.
۳) روش استانداردسازی k0
در این روش از ضریب k0 استفاده می شود. این ضریب، نسبت پارامترهای هسته ای عنصر مورد نظر را به پارامترهای هسته ای یک عنصر مقایسه گر مانند طلا، مشخص می کند. بنابراین با

بدست آوردن اکتیویته رادیوایزوتوپ های داخل نمونه و اکتیویته طلای مقایسه گر و همچنین محاسبه راندمان آشکارساز و شار نوترونی و با استفاده از ضریب k0، می توان غلظت بسیاری از عناصر را با دقت بسیار خوبی محاسبه کرد. البته این روش نیز با وجود اینکه از دو روش قبل بهتر است اما باز هم دشوارهای زیادی در محاسبه شار نوترون و مشخصات آشکارساز وجود دارد که باعث کاربرد کمتر این روش می شود.

۴) روش نسبی
در عمل بیشتر از روش نسبی برای تعیین عناصر در نمونه استفاده می کنیم. در این روش، نمونه و استاندارد، در یک کپسول قرار می گیرند، بنابراین با مقایسه اکتیویته مربوط به آنها بسیاری از محاسبات حذف می شوند:
(۱-۷)
غلظت وزنی عنصر مجهول در نمونه را می توانیم از رابطه زیر بدست آوریم:
(۱-۸)
که در آن G جرم کل نمونه و D غلظت جرمی است.
بنابراین می توان معادله اساسی روش NAA نسبی را بصورت زیر بیان کرد:
(۱-۹)
باوجود اینکه غلظت نسبی دیمانسیون ندارد، اما آن را بر اساس یا بیان می کنند. البته در برخی موارد تا غلظت های (چند نانو گرم در یک گرم از نمونه) نیز در این روش قابل محاسبه است.
۱-۳-۲ انواع NAA از لحاظ نوع نوترونهای بمباران کننده
حال می خواهیم تقسیم بندی روشNAA را از لحاظ طیف انرژی نوترونهای بمباران کننده، بررسی کنیم. برای این منظور ابتدا باید نوترونها را دسته بندی کنیم. بطور کلی طیف نوترونی را به ۳ دسته زیر تقسیم می کنند:

الف) نوترونهای حرارتی(Thermal neutron)
این دسته شامل نوترونهای کم انرژی (زیر ۵/۰) است. طیف نوترونهای حرارتی در دمای اتاق با انرژی ۰۲۵/۰ و سرعتی در حدود ۲۲۰۰، براساس توزیع ماکسول- بولتزمن توصیف می شود. در بیشتر نقاط پرتودهنده یک راکتور، در حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد کل نوترونها را نوترون های حرارتی تشکیل می دهند.

ب) نوترونهای فوق حرارتی(Epithermal neutron)
نوترونهایی با انرژی بین ۵/۰ تا ۵/۰ در این دسته قرار می گیرند. این نوترونها دارای انرژی متوسط هستند و بطور معمول در یک راکتور، در حدود ۲% کل نوترونها را شامل می شوند.
ج) نوترونهای سریع(Fast neutron)
این دسته از نوترونها دارای انرژی بیش از ۵/۰ می باشند. متوسط انرژی نوترونهای سریع ۲ است. نوترونهای سریع در واکنشهای به ندرت شرکت می کنند، اما در واکنشهایی که در آنها یک ذره هسته ای گسیل می شود، به خوبی شرکت می کنند (مثل واکنشهای ، یا ). ممکن است دریک نقطه پرتودهنده از یک راکتور، حدود ۵% شار شامل نوترونهای سریع باشد

.
برای هر یک از برهمکنشهای بین نوترون-هسته، انرژی آستانه ای وجود دارد که این انرژی برای واکنش ،حدود ۱۰ یا بیشتر و برای واکنشهای گسیل ذرات باردار مثل و ، در حدود ۱ تا ۵ است. برای نوترونهایی با انرژی پایین تر، محتمل ترین واکنش است. در انرژی های حرارتی سطح مقطع واکنش برای اکثر عناصر بالا بوده و بصورت تابعی از عکس سرعت نوترون تغییر می کند.

بنابر دسته بندی نوترونها، روش آنالیز فعالسازی نوترونی را به ۳ دسته تقسیم می کنیم:
۱) آنالیز فعالسازی نوترونی سریع(Fast NAA)

در این روش، نمونه را توسط نوترونهای سریع بمباران می کنیم. باتوجه به سرعت بالای نوترونهای سریع، در اکثر موارد قبل از اینکه هسته هدف نوترون را ببیند، نوترون سریع از کنار آن عبور می کند. بجز در عناصر سبک (با عدد اتمی کمتر از۲۳و۲۴)، سطح مقطع برخورد نوترونهای سریع با هسته های هدف پایین است و به همین دلیل درصد کمی از آزمایشهای فعالسازی نوترونی، از نوع سریع اند.

۲) آنالیز فعالسازی نوترونی فوق حرارتی(Epithermal NAA)
در این روش از نوترونهای فوق حرارتی استفاده می کنیم. در عمل این روش کاربردهای بسیار کمی دارد.
۳) آنالیز فعالسازی نوترونی حرارتی(Thermal NAA)
باتوجه به سطح مقطع زیاد نوترونهای حرارتی با اکثر عناصر دارند، معمولا از آنها برای روش آنالیز فعال سازی استفاده می شود. به همین دلیل هر جا ازNAAصحبت می کنیم، منظور استفاده از نوترونهای حرارتی است.

۱-۳-۳ انواع NAA از نظر زمان بندی
روش آنالیز فعال سازی نوترونی را می توان براساس زمان اندازه گیری اشعه گاما، به دو دسته تقسیم کرد:

نمودار شماتیک روش فعال سازی نوترونی
۱) آنالیز فعالسازی نوترونی اشعه گامای آنی(Prompt Gamma NAA)
در این روش اشعه گامای آنی مورد مطالعه و اندازه گیری قرار می گیرد. این روش کاربردهای محدودی دارد و معمولا برای تشخیص مواد منفجره (براساس تشخیص درصد نیتروژن) مورد استفاده قرار می گیرد.

۲) آنالیز فعالسازی نوترونی اشعه گامای تاخیری(Delayed Gamma NAA)
در این روش، گاماهای تاخیری را آشکارسازی می کنیم. در اکثر موارد پس از فعالسازی، نمونه بطور همزمان دارای هسته های رادیواکتیو با طول عمر پایین و بالا می باشد. یکی از مهمترین مزایایی روش DGNAA در این نکته نهفته است که می توان با منتظر شدن برای واپاشی هسته های رادیواکتیو با طول عمر پایین، این تداخل را تا حد زیادی کاهش داد و حساسیت را بهبود بخشید. معمولا هرجا از آنالیز فعالسازی نوترونی سخن به میان می آوریم، منظورDGNAA است.

۱-۳-۴ انواع NAA از لحاظ امکانات و وسایل آنالیز
در یک دسته بندی مرسوم دیگر، NAA را به دو دسته تقسیم می کنند:
۱) آنالیز فعال سازی نوترونی رادیوشیمیایی(Radiochemical NAA)
در برخی موارد عناصر مزاحمی در ترکیبات نمونه وجود دارند که در طیف سنجی، ایجاد مزاحمت می کنند. به همین منظور در روش رادیوشیمیایی، قبل از پرتودهی به کمک روشهای شیمیایی این عناصر مزاحم را از نمونه حذف کرده و بعبارت بهتر ایزوتوپهای خاصی را غلیظ می کنیم. البته این روش با توجه به زحمت و هزینه های بالا، خیلی کم مورد استفاده قرار می گیرد.
۲) آنالیز فعال سازی نوترونی دستگاهی(Instrumental NAA)

اگر در آن از روشهای اتوماتیک و سیستمهای کامپیوتری استفاده می کنیم و می توانیم بیش از ۳۰ عنصر را بطور همزمان آنالیز کنیم. این روش، یکی از پیشرفتها و برتری های مهم روش NAA نسبت به دیگر روشهای آنالیز مواد محسوب می باشد. زیرا علاوه بر دقت و سرعت بالا در آن، کار با این روش بسیار ساده است.

۱-۴ چشمه های نوترونی
نوترون بعنوان پرتابه نقش کلیدی در آنالیز فعالسازی نوترونی ایفا می کند. بنابراین یکی از موارد بسیار مهم در روش NAA، منبع تولید نوترون است. چشمه های نوترون را می توان به سه دسته کلی زیر تقسیم کرد.
۱) رادیوایزوتوپ ۲) دستگاه مولد نوترون ۳) راکتور هسته ای
۱-۴-۱ چشمه رادیوایزوتوپی

می توان با بمباران کردن یک عنصر مناسب، رادیوایزوتوپی ساخت که از خود نوترون گسیل می کند. واکنشهای تولید نوترون را می توان بصورت زیر دسته بندی کرد.
۱) واکنش های که از ابتدایی ترین راه های تولید نوترون بوده و چادویک در کشف نوترون و پس از آن هوسی در آنالیز نوترونی از آن استفاده کردند. معادله کلی این واکنش به صورت زیر است:
(۱-۱۰)
این واکن

ش براساس علامتQ، می تواند گرمازا(۰<Q) و گرماگیر(۰>Q) باشد.
(۱-۱۱) :واکنش گرمازا
(۱-۱۲) :واکنش گرماگیر
۲) واکنش های که اکثر آنها گرمازا بوده و معادله کلی آنها بصورت زیر است:
(۱-۱۳)
۳) واکنش های که تمام این نوع واکنشها گرماگیر اند و انرژی آستانه آنها حداقل ۷۸۲/۰ است. شمای کلی این واکنش به صورت زیر است:
(۱-۱۴)
۴) واکنش های ، که با آنها می توان تقریبا نوترون های تک انرژی تولید کرد. معادله کلی روش فوتونوترون نیز بصورت زیر است:
(۱-۱۵)
یک منبع دیگر تولید نوترون، ایزوتوپ هایی هستند که از طریق شکافت خود به خود، نوترون تولید می کنند. معروف ترین و پرمصرف ترین این نوع از چشمه های نوترونی، کالیفرنیم۲۵۲ Cf)252( است. زیرا در میان هسته های سنگین، بیشترین شکافت خود به خودی را دارد و به همین دلیل بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. کالیفرنیم۲۵۲ Cf)252( در راکتورهای هسته ای تولید می شود. نیمه عمر چشمه های در مقایسه با چشمهCf)252(نسبتا طولانی تر می باشد. چشمه کالیفرنیم Cf)252( دارای نیمه عمر ۶۵/۲ سال است در حالی که نیمه عمر چشمه امرسیوم-برلیومAm-

Be)241(432 سال و چشمه پلوتونیم-برلیومPu-Be)238(89 سال است.
اما چشمه کالیفرنیم در مقایسه با چشمه ، شامل مقدار اندکی ماده فعال است، بنابراین می توان چشمه کالیفرنیمی را در ابعاد خیلی کوچک ساخت. از طرفی باتوجه به گستره طیف انرژی نوترون حاصل از منبع کالیفرنیم، حفاظت از بلور آشکارساز در برابر نوترونهای کم انرژی تر چشمه کالیفرنیم در مقایسه با چشمه ساده تر می باشد. بعلاوه طیف انرژی نوترونی چشمه کالیفرنیمی دائمی بوده و شار ثابتی دارد. بنابراین، چشمه کالیفرنیم نسبت به چشمه ، بیشتر مورد توجه مراکز پژوهشی، دانشگاهی و پزشکی قرار گرفته است.

منبع کالیفرنیم یا هر منبع ایزوتوپی دیگر، در تمام زاویه فضایی(π۴)تابش می کند که باعث کاهش شار نوترونی می شود. البته می توان با افزایش اندازه نمونه و زیاد کردن مدت پرتو افکنی، عیب کمبود شار این منبع را تا حد زیادی بر طرف کرد، اما این کار باعث بالا رفتن خطا می شود. از دیگر معایب منبع کالیفرنیمی، هزینه های محافظتی و نیاز به یک وسیله نقلیه ویژه برای حمل و نقل چشمه یا نمونه می باشد، زیرا این نوع از ایزوتوپ های خود به خودی، دائم پرتودهی می کنند.

۱-۴-۲ دستگاه مولد نوترون
واکنش همجوشی اساس کار دستگاه های مولد نوترون است. معمولا در این روش دوتریم را یونیزه کرده و آن را در یک میدان الکتریکی شتاب می دهند. سپس آنرا با یک تریتیم یا دوتریم دیگر برخورد داده تا واکنش همجوشی رخ دهد.
(۱-۱۶)

این نوع واکنشها معمولا، نوترونهای تک انرژی تولید می کنند. انرژی نوترونهای حاصل از واکنش(D,T) در حدود ۱۴و بیشینه شار نوترون قابل تولید با آن ۱۰۸ است. همچنین انرژی نوترونهای حاصل از واکنش(D,D) در حدود ۵/۲و بیشینه شار نوترون قابل تولید توسط آن ۱۰۵ است. از دستگاه مولد نوترون می توان (با استفاده از کندکننده) نوترونهای حرارتی بدست آورد، اما معمولا از دستگاه های همجوشی برای کاربردهایی که احتیاج به نوترون های سریع دارد، استفاده می کنند.
۱-۴-۳ راکتورهای هسته ای
راکتورهای هسته ای را می توان بعنوان مناسب ترین چشمه نوترونی، نام برد. شار نوترونی در یک راکتور علاوه بر پایدارای، بسیار زیادتر از بقیه چشمه های نوترونی است. معمولا در یک راکتور، شار نوترونی با حرکت از نوترونهای حرارتی به سمت نوترونهای پر انرژی، به سرعت کاهش می یابد. اما این توزیع از یک راکتور به راکتور دیگر متفاوت است. شکل زیر یک نمونه از طیف نوترونی در یک راکتور را نشان می دهد.

۱-۵ آشکارساز اشعه گاما
دو مشخصه اصلی یک آشکارساز عبارت است از:
۱) راندمان که نسبت تعداد ذرات آشکار شده، به تعداد ذرات وارد شده به آشکارساز را مشخص می کند.
۲) قدرت تفکیک که توانایی آشکارساز در تشخیص ذرات با انرژی های نزدیک به هم را نشان می دهد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 37 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد