Már a neutron felfedezése után két évvel - 1934-ben - megfigyelték, hogy a neutronokkal bombázott hidrogén «-sugárzást bocsát ki.^ Vagyis a prompt
gamma aktivációs analízis (PGAA) alapjául szolgáló magfizikai jelenség - a sugárzásos neutronbefogás - felfedezése két évvel megelőzte az előző feje
zetben ism ertetett neutronaktivációs analízis bevezetését. Ennek ellenére a PGAA-módszert az elemanalitikában csak jóval késóljb kezdték el alkalmaz
ni, amit az atommagra vonatkozó ismeretek akkori fejletlensége, valamint a megfelelő neutronforrások és sugárzásmérő detektorok hiánya magyaráz.
A módszer fénykora tulajdonképpen csak most kezdődik, a nagyteljesítmé
nyű atomreaktoroknál létesített intenzív hidegneutron-nyalábok rohamos terjedésének köszönhetően. Érdemes tehát röviden áttekintenünk a PGAA- módszer alapjait, legfontosabb alkalmazási területeit, valamint olyan perspek-3 E Amaldi, O'd. Agostino, E. Fermi, B. Pontecorvo, E. Segré, Recerca Se. 2, 467 (19perspek-34);
D E. Lea, Nature 133, 24 (1934)
tivikus továbbfejlesztési lehetőségeit, amelyek áttörést hozhatnak a tudo
mány és a technika számos fontos területén.
A neutron befogódásakor keletkező köztes atommag a kötési energia meg
növekedése következtében gerjesztett állapotba kerül, majd a tipikusan 7-8 megaelektronvolt energiafelesleget y-sugárzás formájában adja le. Mivel ez a folyamat mintegy 10'^® s alatt végbemegy, a sugárzás azonnali, prompt jellegű, így időben megelőzi az esetleges radioaktív bomlást és az azt kísérő y-sugár- zást. További fontos különbség, hogy a prompt y-sugárzást a köztes atommag - az anyaelem - nívóin végigcsorgó kaszkádok alkotják, a radioaktív bomlást kísérő y-sugárzást viszont a leányelem gerjesztési nívói közötti átmenetek ké
pezik. Mivel a prompt y-sugárzás minden elem esetében fellép, megfigyelése révén olyan elemek is mérhetők, amelyeknél a neutronbefogás kizárólag stabil - esetleg igen hossszú felezési idejű - izotóphoz vezet, azaz az elem nem „akti
válódik", vagy pedig a leányelem rögtön alapállapotában keletkezik, s ezért nem bocsát ki y-sugarakat.
A prompt-gamma aktivációs analízis tehát elvben valamennyi kémiai elem egyidejű kimutatására alkalmas a hidrogéntől az uránig (sőt a transzuráno
kig), és segítségével egyúttal az izotópösszetétel is meghatározható, bár az ér
zékenység esetenként erősen változó. A gyakorlat számára a legfontosabbak a könn3m elemek, különösen a más analitikai módszerekkel nehezen kimutat
ható hidrogén és bőr, szerves anyagokban és élő organizmusokban a szén, a nitrogén, a kén és a foszfor. Jól mérhető a mérgező kadmium és a higany, to
vábbá a geológiában fontos indikátor ritkaföldfémek, amint azt a 2. ábra mu
tatja.
Noha a PGAA inherensen érzékenyebb,^ mint az NAA, hisz az aktivitás ál
landóan telítésben van, a vizsgálathoz használatos neutronnyalábok intenzi
tása nagyságrendekkel kisebb a reaktor belsejében való besugárzáskor elérhe
tőnél, ami érzékenység tekintetében rendszerint az NAA javára billenti a mér
leget. Ám éppen a kis neutronfluxusnak köszönhetően a minta felaktiválódása elhanyagolható, így a módszer az NAA-val szemben teljesen roncso
lásmentes. A folyamat nukleáris jellegéből következik, hogy az analitikai jel nem függ sem a kémiai, sem a fizikai állapottól, így a PGAA bármilyen anyagra alkalmazható. Nincs szükség hosszadalmas mintaelőkészítésre sem, hisz a minta egyszerűen a nyalábba helyezhető és mérhető. Emellett az eredmény a spektrumból azonnal kiolvasható, tehát az egész mérési folyamat jól automa
tizálható. A neutronok és az indukált nagyenergiájú y-sugárzás nagy áthatoló
képességének köszönhetően még nag)^ömegű mintánál sincs mátrixhatás (vagy az egyszerűen korrigálható), ellentétben például a röntgenfluoreszcen- cia-analízissel.
4 T. L. Isenhour, G. H. M orrison, Anal. Chem. 38, 162 (1966)
A PGAA-módszer univerzalitásának ára, hogy a y-sugárzást közvetlenül a neutronnyalábban kell mérni, s hogy a y-spektrum is lényegesen összetettebb a hagyományos neutronaktivációs analízisben megszokottnál, ami lényegesen bonyolultabb méréstechnikát igényel. Noha a nagy energiafelbontású félveze
tő y-detektorok megjelenése a hatvanas években már lehetővé tette a PGAA- módszer bevezetését, az akkoriban elérhető - elsősorban radioaktivitáson alapuló - neutronforrások nem tudták produkálni a megfelelő intenzitást és a kellően alacsony sugárzási hátteret.
Az áttörést az a felismerés hozta, hogy a nagy hullámhosszúságú - tehát kisenergiájú - neutronok a fényhez hasonlóan a teljes visszaverődés elvén nagy távolságra elvezethetők, míg a kritikusnál rövidebb hullámhosszúságúak a nyalábból kiszóródnak. így a neutronokat termelő atomreaktor aktív zónájá
tól biztonságos távolságban - akár 100 m-re - nagyfluxusú, alacsony hátterű besugárzó nyaláb hozható létre. Ráadásul ez a nyaláb a kritikus szög igen ala
csony - egy-két fokos - értékének köszönhetően gyakorlatilag kollimált. A neutronvezetőBiTínál effektívebb, minél hidegebbek a neutronok, ezért a reak
torban termelődő termikus neutronokat cseppfolyós hidrogén moderátorral - h id eg fo rrá ssa l - tovább lassítják. Külön előny, hogy a befogódás valószínű
sége a neutron sebességével fordított arányban nő, ami a szobahőmérsékletű - termikus - neutronokkal összehasonlítva további, mintegy háromszoros ér
zékenységnövekedést eredményez.
Az első neutronvezető-nyalábokon végzett úttörő PGAA-kísérletek (O rsay: 1968, G ren oble: 1973) után azonban hosszú szünet következett. V é
gül a nagyméretű, nagj^isztaságú germánium detektorok megjelenése hozta meg az áttörést. Az első modern y-detektoros PGAA-mérést hidegneutron nyalábon a KFA Jülich reaktoránál végezték el, 1986-ban.^ Ezután a hidegfor
rások terjedésének köszönhetően sorra létesültek PGAA-mérőhelyek szerte a világon.® Hazánkban a Budapesti Kutatóreaktor rekonstrukcióját követően, 1995-ben helyeztük üzembe termikus neutronvezetőre telepített PGAA- be
rendezésünket,’' amely a hidegneutron-forrás idei átadásával neutronfluxus tekintetében is felveszi a versen}^ az USA és Japán csúcsberendezésesivel.
A technikai lehetőségek azonban mindezzel még korántsem merültek ki.
Ha például a neutronvezető egy olyan mikrokapilláris, amelynek szemközti fa
lai elég közel - mikrométernyi távolságra - vannak egymástól, a kapilláris a fén3Tvezető száloptikához hasonlóan meggörbíthető anélkül, hogy a teljes ref
lexió feltétele megszűnne. Több ezer mikrokapillárist tartalmazó üvegszálak
5 R. M. Lindstrom, R. Zeisler, M. Rossbach, J. Radioanal. Nucl. Chem. 112, 321 (1987) 6 NIST, USA: 1993; JAERI, Japán: 1993; U. Texas, USA: 1996; PSI, Svájc: 1997,
7 G. L. Molnár, T. Belgya, L. Dabolczi, B. Fazekas, Z. Révay, Á. Veres, I. Bikit, Z. Kis, J.
Östör, J. Radioanal. Nucl. Chem. 215, 111 (1997) / " s e 'N
ronlencse® készíthető, eg
3
rik első polikapilláris neutronlencse amely tizedmilliméter átmérőjű pontra képes fó
kuszálni a neutronnyalá
bot, miközben a koncent
rálódás eredményeként a fókuszpontban a fluxus csaknem két nagyság
renddel megnő. Ily módon lehetővé válik igen kis minták mérése, avagy a mintafelület effektív pász- tázása. Egyelőre két labo
ratórium (NIST, PSI) ren
delkezik ilyen eszközzel, ám alkalmazásuk még szá
mos nehézségbe ütközik.
A PGAA a fentiekből következően igen széles körben használható elem- analitikai módszer, külö
nösen ha gyors, roncso- lásmentes, a minta teljes
térfogatára kiterjedő panorámaanalízisre van szükség. Potenciáhs alkalmazá
si köre szinte végtelen: A-tól Z-ig, vagyis az archeológiától a zoológiáig terjed.
Nem lehet célunk, hogy itt mindezt bemutassuk, ezért néhány olyan példát ra
gadunk ki, amelyek a módszer egy-egy különleges adottságát aknázzák ki.
A ro n c so lá sm en te s elemzés a régészetben alapvető fontosságú, hisz a rendszerint pótolhatatlan leleteket nem szabad sem kémiailag, sem fizikailag megbontani. A fő összetevők analízise például bronz- vagy nemesfémtárgyak, fémszobrok, pénzek esetében leleplezheti a hamisítást, míg a nyomelemtar
talom a tárgy eredetére, készítési módjára utalhat. A csiszolt kőeszközök vizs
gálata az obszidián vagy más alapanyag beszerzési helyét segíthet felderíteni, s még sorolhatnánk tovább a példákat. Tehát várható, hogy az archeometria, amely eddig csak igen korlátozott elemanalitikai arzenálra támaszkodhatott, a PGAA egyik legkomolyabb felhasználója lesz.
Forrás: X-Ray Optical Systems
8 M. A. Kumakhov, V. A. Sharov, Nature 357, 390 (1992);
H. Chen, R. G. Downing, D. F. R. Miidner, W . M. Gibson, M. A. Kumakhov, I. Yu.
Ponomarev, M. V. Gubarev, Nature 357, 391 (1992)
Kénszennyezés kimutatása C60 fullerénben
1000 2000 3000 4000
Energia (keV)
5000 6000
A nagy tisztaságú anyagok n y om elem -szen n y ezőin ek feltárására számos felületi és térfogati módszer ismert, utóbbira példa az NAA. Ezekkel az eljárá
sokkal a PGAA rendszerint sikerrel versenyezhet, ha roncsolásmentes mó
don kell könnyű elemeket - például hidrogént vagy bórt - mérni. Egy másik kedvező eset, amikor könn3m elemekből felépülő mátrixban kell szennyező
vagy adalékelemeket kimutatni. Ilyenkor a mátrix elemeire vonatkoztatott kis érzékenység kimondottan előnyös, hisz a mátrixból eredő gyenge y-sugárzás nem zavarja a nyomelemek kimutatását (ugyanakkor maga a mátrixösszetétel is mérhető). Ilyen anyagok lehetnek a szilíciumalapú félvezetők, vagy például a 4. ábrán bemutatott Cgo fullerén, mely utóbbiban sikerült kimutatnunk az elő
állítás során klathrát formájában beépült ként.
Végezetül két olyan fontos területet említünk meg, melyek számára a prompt-gamma technika továbbfejlesztése új perspektívát nyithat.
Az orvostudomány egyik legnagyobb kihívása a daganatos betegségek elle
ni küzdelem. A bőr 10-es izotópja neutronbesugárzás hatására alfa-sugarakat bocsát ki és a lítium 7-es izotópjává alakul át. Az így keltett alfa-sugárzás ron
csoló hatásán alapul a bór neutronbefogásos rákterápia (BNCT). A '^Li végmag az esetek 94% -ában gerjesztett állapotban keletkezik, ezért a kibocsátott prompt y-sugárzás felhasználható a folyamat nyomon követésére. Eddig a PGAA-módszert csak a tumorba juttatott bőr koncentrációjának mérésére
használták, de elvben lehetséges a tom og ráfiás lekép ez és, s ezzel a leadott su
gárdózis térbeli eloszlásának meghatározása is.
Az elem összetételen túl s z e r k e z e ti in form áció is nyerhető a prompt y-su- garak révén, ha visszalökődésmentes rezonancia-abszorpciót - M össbauer- effektust - tudunk létrehozni. M ár a hatvanas években sikerült Mössbauer- effektust kimutatni a ^^®Gd 89 keV és a ^®*Gd 80 keV energiájú prompt y-su- gárzásával,® de a technikai nehézségek miatt elmaradt a folytatás. A mai hi- degneutron-nyalábok intenzitása viszont lehetővé tenné, hogy a Mössbauer- magok, s így az e módszerrel vizsgálható jelenségek körét jelentősen kibővít- sük.
9 J. Fink, P. Kienle, Phys. Lett. 17, 326 (1965)
'■ ( X M '
* l Ä Ä 0 i ; ^ | p
■" ■ ':^^f,ríi<'';?t ’-í jfo V f , '? » c ^’A-' r.«-V*« ü r-í* ^í>sK:V>- V" m irn m tk «■- {^' t>f) i<- " r 'A ï à i ^f^di i 7^ *it#rí j|irr* %'■■' f e ljía f r i ^ n f í ' n ')sv ^ ¿ J ß ;'
I ím W ^ | | -« ^ o .v í:j üísni'#j,i4,tS/- .'
f i t - T ' " í
. , t > m
,( 4 m i ' L ‘ ' % | ç i - i t ‘ ^ - - 4 í * l «
I ' J % i É ' ■•' ' •‘^ ^ l Ä i l f M f •
f Ví»v4"i-J » ^ ^ 4 1 ' Xi ■;'•■
* I '<■ .4 í ^-“ ' ■
’ *< ' - í l ' v W *
l ’ ' .
i i ' i ^ % íííIíít| *íS a %
11 t f mC '
? *t~^ I ü l
i ' ' , ' '• '
■■. i.t -'.■ ■ , 1 ^
ÍhV - V
' . / ^ ' i, ■
’ ,’ />. •: í
'^pr, ■
_______ ^ ^ á ' '
' v , , „ : l
|ájíSífi|l|Ss¿^|^#^V0»ti7/& V ' «* i
; * 4W 1 j^ ^ i S ■*- &
|| iî^.*,ÆÏ5#Ki|!,!S/A r .^# H'í'V ||«Siíl«> pnüvM üí Í^fejtóf.~.V##,A'S^|í/eV^^>4í^4|A ÏÎ í.^iiáít'i ¿ i iff í ^ a Í ^ - ^ - Í p i >
V ' ■■. ^1
' P C / 4 M 4 '
. : , ',.'■ '-j . ■• ■■ . i,.--. .■ ' ■.■ .-. ••;■,,i-j.. •■ i-.»-<--i^..^,.’í''
' ■ ■ - - f i :i P S ^ M Í í
. r . : .
Ï - Â ^ P *
í / m * s ú MM S ^ m
KLENCSÁR ZOLTÁ N -VA N KÓ GYÖRGY-VÉRTES ATTILA