중성자 방사화 분석

중성자 방사화 분석(Neutron activation analysis, NAA) 또는 중성자 방사화합 분석은 많은 재료에서 원소의 농도를 결정하는 데 사용되는 핵 과정이다. NAA는 시료의 화학적 형태를 무시하고 오로지 원자핵에 초점을 맞추기 때문에 원소의 이산적인 샘플링을 허용한다. 이 방법은 중성자 활성화를 기반으로 하므로 중성자원을 필요로 한다. 시료는 중성자로 충격되어 구성 원소가 방사성 동위 원소를 형성하게 된다. 각 원소의 방사성 방출 및 방사성 붕괴 경로는 오랫동안 연구되고 결정되었다. 이 정보를 사용하면 방사성 시료의 방출 스펙트럼을 연구하고 그 안에 있는 다양한 원소의 농도를 결정할 수 있다. 이 기술의 특별한 장점은 시료를 파괴하지 않아 미술품 및 역사적 유물의 분석에 사용되어 왔다는 것이다. NAA는 또한 방사성 시료의 활성을 결정하는 데 사용될 수 있다.

NAA가 조사된 시료에 직접 수행되는 경우 이를 기기 중성자 방사화 분석(INAA)이라고 한다. 어떤 경우에는 조사된 시료가 간섭 물질을 제거하거나 관심 있는 방사성 동위 원소를 농축하기 위해 화학적 분리를 거치는데, 이 기술을 방사화학적 중성자 방사화 분석(RNAA)이라고 한다.

NAA는 고체, 액체, 현탁액, 슬러리, 기체에 대해 준비 없이 또는 최소한의 준비로 비파괴 분석을 수행할 수 있다. 입사 중성자와 결과적인 감마선의 침투성으로 인해 이 기술은 진정한 벌크 분석을 제공한다. 서로 다른 방사성 동위 원소는 서로 다른 반감기를 가지므로, 간섭 물질이 붕괴하여 간섭을 제거할 수 있도록 계수 시간을 지연할 수 있다. ICP-AES 및 PIXE의 도입 전까지 NAA는 ppm 미만 범위에서 최소 검출 한계를 갖는 다중 원소 분석을 수행하는 표준 분석 방법이었다. NAA의 정확도는 5% 범위이며, 상대 정밀도는 종종 0.1%보다 우수하다. NAA 사용에는 두 가지 주목할 만한 단점이 있다. 이 기술은 본질적으로 비파괴적이지만, 조사된 시료는 초기 분석 후에도 수년 동안 방사성을 유지하여 저수준에서 중수준 방사성 물질에 대한 취급 및 폐기 프로토콜이 필요하다. 또한, 적합한 활성화 원자로의 수가 감소하고 있으며, 조사 시설 부족으로 인해 이 기술은 인기가 감소하고 비용이 증가했다.

개요
중성자 방사화 분석은 주요, 미량, 희귀 원소의 정성 및 정량 분석 모두에 사용되는 민감한 다중 원소 분석 기술이다. NAA는 1936년 헤베시와 레비에 의해 발견되었는데, 그들은 특정 희토류 원소를 포함하는 시료가 중성자원에 노출된 후 고도로 방사성이 된다는 것을 발견했다. 이 관찰은 원소 식별을 위해 유도된 방사능을 사용하는 것으로 이어졌다. NAA는 전자 전이가 아닌 핵 전이를 기반으로 한다는 점에서 다른 분광 분석 기술과 상당히 다르다. NAA 분석을 수행하기 위해 시료를 적절한 조사 시설에 넣고 중성자로 충격한다. 이는 존재하는 원소의 인공 방사성 동위 원소를 생성한다. 조사 후, 인공 방사성 동위 원소는 입자 또는 더 중요하게는 감마선을 방출하며 붕괴하는데, 이는 방출된 원소의 특징이다.

NAA 절차가 성공하려면 시료 또는 샘플을 신중하게 선택해야 한다. 많은 경우 작은 물체는 샘플링 없이도 손상되지 않은 상태로 조사 및 분석될 수 있다. 그러나 더 일반적으로는 눈에 띄지 않는 곳에 드릴로 작은 샘플을 채취한다. 약 50mg(1/20 그램)이면 충분한 샘플이므로 물체 손상이 최소화된다. 서로 다른 재료로 만들어진 두 개의 드릴 비트를 사용하여 두 개의 샘플을 채취하는 것이 좋은 방법이다. 이렇게 하면 드릴 비트 재료 자체로 인한 샘플 오염을 알 수 있다. 샘플은 고순도 선형 폴리에틸렌 또는 석영으로 만들어진 바이알에 캡슐화된다. 이 샘플 바이알은 다양한 시료 유형에 맞춰 다양한 모양과 크기로 제공된다. 샘플과 표준은 포장되어 일정한 알려진 중성자 선속으로 적절한 원자로에서 조사된다. 활성화에 사용되는 일반적인 원자로는 우라늄 핵분열을 사용하여 높은 중성자 선속과 대부분의 원소에 대해 가장 높은 민감도를 제공한다. 이러한 원자로의 중성자 선속은 1012 neutrons cm−2 s−1 정도이다. 생성되는 중성자 유형은 상대적으로 낮은 운동 에너지(KE)를 가지며, 일반적으로 0.5 eV 미만이다. 이러한 중성자를 열중성자라고 한다. 조사 시 열중성자는 비탄성 충돌을 통해 표적 핵과 상호 작용하여 중성자 포획을 유발한다. 이 충돌은 여기 상태에 있는 복합핵을 형성한다. 복합핵 내의 여기 에너지는 열중성자와 표적 핵의 결합 에너지로부터 형성된다. 이 여기 상태는 불안정하며, 복합핵은 거의 즉시 프롬프트 입자와 하나 이상의 특성 프롬프트 감마 광자를 방출하여 더 안정한 구성으로 탈여기(변환)된다. 대부분의 경우 이 더 안정한 구성은 방사성 핵을 생성한다. 새로 형성된 방사성 핵은 이제 입자와 하나 이상의 특성 지연 감마 광자를 모두 방출하여 붕괴한다. 이 붕괴 과정은 초기 탈여기보다 훨씬 느리며 방사성 핵의 고유한 반감기에 따라 달라진다. 이러한 고유한 반감기는 특정 방사성 종에 따라 다르며, 몇 분의 1초에서 몇 년까지 다양할 수 있다. 일단 조사되면 샘플은 특정 붕괴 기간 동안 방치된 다음, 방출된 입자 또는 더 일반적으로 방출된 감마선에 따라 핵 붕괴를 측정하는 검출기에 배치된다.

변형
NAA는 여러 실험 매개변수에 따라 달라질 수 있다. 조사에 사용되는 중성자의 운동 에너지는 주요 실험 매개변수가 된다. 위의 설명은 느린 중성자에 의한 활성화에 대한 것으로, 느린 중성자는 원자로 내에서 완전히 감속되어 운동 에너지가 0.5 eV 미만이다. 중간 운동 에너지 중성자도 활성화에 사용될 수 있는데, 이 중성자들은 부분적으로만 감속되었고 운동 에너지가 0.5 eV에서 0.5 MeV이며, 에피열 중성자라고 불린다. 에피열 중성자를 이용한 활성화는 에피열 NAA(ENAA)로 알려져 있다. 높은 운동 에너지 중성자도 가끔 활성화에 사용되는데, 이 중성자들은 감속되지 않았고 일차 핵분열 중성자로 구성된다. 높은 운동 에너지 또는 빠른 중성자는 운동 에너지가 0.5 MeV보다 크다. 빠른 중성자를 이용한 활성화는 빠른 NAA(FNAA)로 불린다.
또 다른 주요 실험 매개변수는 중성자 조사 중(즉발 감마) 또는 조사 후 일정 시간 후(지연 감마, DGNAA)에 핵 붕괴 생성물(감마선 또는 입자)이 측정되는지 여부이다. PGNAA는 일반적으로 빔 포트를 통해 원자로에서 빼낸 중성자 흐름을 사용하여 수행된다. 빔 포트에서 나오는 중성자 선속은 원자로 내부보다 106배 정도 약하다. 이는 검출기를 시료에 매우 가깝게 배치하여 낮은 선속으로 인한 감도 손실을 줄임으로써 어느 정도 보상된다. PGNAA는 일반적으로 중성자 포획 단면적이 극히 높은 원소, DGNAA로 측정하기에는 너무 빠르게 붕괴하는 원소, 안정 동위 원소만 생성하는 원소, 또는 약한 붕괴 감마선 강도를 갖는 원소에 적용된다. PGNAA는 짧은 조사 시간과 짧은 붕괴 시간(종종 몇 초에서 몇 분 정도)으로 특징지어진다.
DGNAA는 인공 방사성 동위 원소를 형성하는 대다수의 원소에 적용 가능하다. DG 분석은 종종 며칠, 몇 주 또는 심지어 몇 달에 걸쳐 수행된다. 이는 단수명 방사성 동위 원소가 붕괴하도록 허용하여 효과적으로 간섭을 제거함으로써 장수명 방사성 핵종에 대한 민감도를 향상시킨다. DGNAA는 긴 조사 시간과 긴 붕괴 시간(종종 몇 시간, 몇 주 이상)으로 특징지어진다.

center|섬네일|500px|코발트가 중성자로 조사될 때 발생하는 핵 과정

중성자원
다양한 종류의 중성자원이 사용될 수 있다.
 원자로
 자발 핵분열을 통해 중성자를 방출하는 캘리포늄과 같은 악티늄족 원소
 라듐 또는 아메리슘과 같은 알파선원과 베릴륨 혼합; 이는 (α,12C+n) 반응으로 중성자를 생성한다.
 기체 방전관에서의 D-T 핵융합 반응

원자로
일부 원자로는 다양한 목적의 방사성 동위 원소 생산을 위한 시료의 중성자 조사에 사용된다. 시료는 조사 용기에 담겨 원자로에 배치될 수 있다. 에피열 중성자가 조사에 필요한 경우 카드 뮴을 사용하여 열중성자를 걸러낼 수 있다.

푸서(Fusors)
상대적으로 간단한 판스워스-허시 푸서는 NAA 실험을 위한 중성자를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 종류의 장비의 장점은 작고 종종 탁상형이며 단순히 켜고 끌 수 있다는 것이다. 단점은 이러한 유형의 소스가 원자로를 사용하여 얻을 수 있는 중성자 선속을 생성하지 못한다는 것이다.

동위 원소 선원
현장의 많은 연구자들에게 원자로는 너무 비싼 품목이다. 대신, 알파 방출체와 베릴륨의 조합을 사용하는 중성자 선원을 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 선원들은 원자로보다 훨씬 약한 경향이 있다.

기체 방전관
이것들은 중성자 펄스를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 표적 동위 원소의 붕괴가 매우 빠른 일부 활성화 작업에 사용되었다. 예를 들어 유정에서 사용된다.

검출기
섬네일|right|200px|워싱턴 D.C.의 ATF 법의학 연구소 분석관과 함께한 중성자 방사화 분석용 감마선 섬광 검출기 (1966년)
NAA에는 여러 가지 검출기 유형과 구성이 사용된다. 대부분은 방출된 감마선을 감지하도록 설계되었다. NAA에서 가장 흔하게 접하는 감마선 검출기 유형은 기체 이온화형, 섬광형, 반도체형이다. 이 중에서 섬광형과 반도체형이 가장 널리 사용된다. 두 가지 검출기 구성이 사용되는데, PGNAA에 사용되는 평면 검출기와 DGNAA에 사용되는 웰(well) 검출기이다. 평면 검출기는 평평하고 넓은 집광 면적을 가지며 시료에 가깝게 배치할 수 있다. 웰 검출기는 넓은 집광 면적으로 시료를 '둘러싼다'.

섬광형 검출기는 감마선 광자와 충돌할 때 빛을 방출하는 방사선 민감 결정, 가장 일반적으로 탈륨 도핑 요오드화나트륨(NaI(Tl))을 사용한다. 이 검출기들은 뛰어난 감도와 안정성, 그리고 합리적인 분해능을 가지고 있다.

반도체 검출기는 반도체 원소인 저마늄을 활용한다. 저마늄은 p-i-n (양-고유-음) 다이오드를 형성하도록 가공되며, 액체 질소로 약 77 K까지 냉각하여 암전류와 검출기 노이즈를 줄이면 입사 복사의 광자 에너지에 비례하는 신호를 생성한다. 저마늄 검출기에는 리튬 표류 저마늄(Ge(Li), '젤리'로 발음됨)과 고순도 저마늄(HPGe)의 두 가지 유형이 있다.
반도체 원소인 규소도 사용될 수 있지만, 저마늄이 원자 번호가 높아 고에너지 감마선을 멈추고 감지하는 데 더 효율적이기 때문에 선호된다. Ge(Li) 및 HPGe 검출기 모두 뛰어난 감도와 분해능을 가지고 있지만, Ge(Li) 검출기는 실온에서 불안정하여 리튬이 고유 영역으로 표류하여 검출기를 손상시킨다. 표류되지 않은 고순도 저마늄의 개발로 이 문제가 해결되었다.

입자 검출기는 알파(α) 및 베타(β) 입자 방출을 감지하는 데 사용될 수도 있지만, 이러한 입자는 샘플 표면에서만 방출되며 대기 가스에 흡수되거나 감쇠되는 경우가 많아 효과적으로 감지하려면 값비싼 진공 조건이 필요하므로 덜 선호된다. 그러나 감마선은 대기 가스에 흡수되거나 감쇠되지 않으며, 샘플 깊숙한 곳에서도 최소한의 흡수로 빠져나올 수 있다.

분석 능력
NAA는 실험 절차에 따라 최대 74개 원소를 검출할 수 있으며, 최소 검출 한계는 조사 중인 원소에 따라 0.1에서 100만 ng/g까지 다양하다. 더 무거운 원소는 핵이 더 크기 때문에 중성자 포획 단면적이 더 크고 활성화될 가능성이 더 높다. 일부 핵은 여러 중성자를 포획하고 상대적으로 안정하게 유지되어 수개월 또는 심지어 수년 동안 변환되거나 붕괴되지 않는다. 다른 핵은 즉시 붕괴하거나 안정 동위 원소만 형성하며 PGNAA를 통해서만 식별할 수 있다.

응용 분야

중성자 방사화 분석은 고고학, 토양학, 지질학, 법의학 및 반도체 산업 분야를 포함한 다양한 응용 분야를 가지고 있다. 법의학적으로, 동일한 개인으로부터 유래했는지 여부를 판단하기 위해 상세한 법의학 중성자 분석을 거친 머리카락은 존 노먼 콜린스 재판에서 처음 사용되었다.

고고학자들은 NAA를 사용하여 특정 유물을 구성하는 원소를 결정한다. 이 기술은 비파괴적이며 유물의 화학적 특징으로 인해 유물을 출처와 연결할 수 있기 때문에 사용된다. 이 방법은 특히 흑요석의 경우 NAA가 화학적 조성을 구별하는 능력으로 무역 경로를 결정하는 데 매우 성공적임이 입증되었다. 농업 과정에서 비료와 살충제의 이동은 표면 및 지하 이동에 의해 영향을 받아 수자원으로 침투한다. 비료와 살충제의 분포를 추적하기 위해 다양한 형태의 브롬화물 이온이 물의 흐름과 자유롭게 이동하면서 토양과의 상호 작용이 최소화되는 추적자로 사용된다. 중성자 방사화 분석은 브롬화물을 측정하는 데 사용되므로 분석을 위해 추출이 필요하지 않다. NAA는 지질학에서 희토류 원소 및 미량 원소 분석을 통해 암석을 형성한 과정을 연구하는 데 도움을 준다. 또한 광상 위치를 파악하고 특정 원소를 추적하는 데도 도움이 된다. 중성자 방사화 분석은 반도체 산업에서 표준을 만드는 데도 사용된다. 반도체는 높은 수준의 순도를 요구하며, 오염은 반도체의 품질을 크게 떨어뜨린다. NAA는 제한된 샘플 처리와 높은 감도를 포함하기 때문에 미량 불순물을 감지하고 오염 표준을 설정하는 데 사용된다.

 같이 보기 
 하이 플럭스 동위 원소 원자로(HFIR) 오크 리지 국립 연구소는 NAA 기능을 보유하고 있다.
 중성자 선속
 중성자 곡사포

 각주 

분류:분석화학
분류:과학 기술