Технология PGNAA и PFTNA

Мгновенная гамма-нейтронная активация (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA) и импульсная активация быстрыми и тепловыми нейтронами (Pulsed Fast Thermal Neutron Activation, PFTNA) являются бесконтактными и неразрушающими методами, используемыми аналитических онлайн-системах для определения элементного (химического) состава сырьевых материалов. Обе техники известны под общим названием «Нейтронный активационный анализ» и действуют на основе бомбардировки материала нейтронами.

Нейтроны взаимодействуют с атомами исследуемого материала, те, в свою очередь, испускают вторичные γ-кванты, интенсивность потока которых затем измеряется. По аналогии с методом рентгеновской флуоресценции (XRF), атом, возвращаясь в стабильное состояние, испускает γ-кванты с энергией, характеристической для конкретного элемента. 

Принцип PGNAA и PFTNA

Мгновенная гамма-нейтронная активация и импульсная активация быстрыми и тепловыми нейтронами основаны на субатомной реакции между низкоэнергетическими нейтронами ядра атома. Ядро атома взаимодействует с тепловым нейтроном (<0.025 eV), когда тот оказывается вблизи ядра или сталкивается с ним. Энергия нейтрона передается ядру и оно временно переходит в возбужденное состояние. Данная энергия практически мгновенно высвобождается в форме γ-кванта. Данный γ-квант обладает определённой энергией, которая однозначно соответствует природе испустившего его атома. По существу, такой γ-квант является ID соответствующего элемента. Поток γ-квантов детектируется и образовавшийся спектр расшифровывается с определением элементного состава проанализированного материала.

Онлайн анализаторы на основе методов PGNAA и PFTNA детектируют γ-излучение с помощью сцинтилляционных детекторов. Такие детекторы включают кристаллы высокой чистоты, которые производят поток фотонов, энергия которых пропорциональна энергии поглощаемого кристаллом потока γ-квантов. Совмещенный с кристаллом фотоумножитель преобразует световые импульсы в электрический сигнал, пропорциональный энергии фотонов. Итоговый энергетический спектр, образуемый в результате обработки и усиления электрических импульсов, отражает информацию о наличии и концентрации определенных элементов в проанализированном материале.

Каждый элемент имеет различную склонность к взаимодействию с нейтронами; те, что обладают высокой склонностью, могут быть измерены количественно. Также для обеспечения соответствующего взаимодействия с нейтронами необходима достаточная  концентрация искомого элемента. Предел обнаружения элемента зависит от количества анализируемого материала, концентрации в нём данного элемента и склонности элемента к взаимодействию с нейтронами.

Источник нейтронов

Источником нейтроны в данном аналитическом методе являются либо изотоп калифорния-252 (252Cf) либо нейтронный генератор.

Радиоактивный изотоп калифорния-252 (252Cf) испускает нейтроны в результате спонтанного деления. Средняя энергия нейтронов 252Cf равна 2.6 МэВ (наиболее вероятная 0.7 МэВ).

В генераторе нейтроны производятся электрически в компактном линейном ускорителе, с использованием изотопов водорода: дейтерия (2H) и трития (3H). Испускаемые ускорителем ионы образуют нейтроны в результате высокоэнергетических взаимодействий с мишенью. Такие нейтроны обладают относительно высокой энергией, 14 МэВ, и называются «быстрыми» нейтронами. Также, вместо постоянной эмиссии нейтронов, как в случае использования калифорния-252, линейный ускоритель работает в пульсирующем режиме. Поскольку для выполнения анализа необходимы «тепловые» нейтроны, энергия нейтронов, как от радиоизотопа, так и от генератора, должна быть уменьшена. Замедление нейтронов происходит с помощью специальных материалов, используемых в конструкции анализатора, в результате чего большая часть исходного потока преобразуется в «тепловые» нейтроны.При использовании нейтронов, полученных с помощью генератора, метод носит название PFTNA:

Нейтронный генератор работает в «пульсирующем» режиме и может при необходимости отключаться.  

CB OMNI FUSION является единственным PGNAA-анализатором на рынке, который может использовать в качестве источника нейтронов как радиоактивный изотоп, так и генератор, причем переоборудование анализатора с одного источника на другой может быть выполнена в «полевых» условиях.

Анализаторы на основе метода мгновенной гамма-нейтронной активации располагаются прямо на конвейере и работают с полным объемом материала, выдавая результаты на ежеминутной основе. Рентгеновские и лазерные поточные анализаторы взаимодействуют только с поверхностным слоем и не обеспечивают необходимой представительности анализа. В случае PGNAA также исключены ошибки, связанные с отбором и подготовкой проб, которые для лабораторных методов составляют до 96% от общей погрешности анализа.