Fission Track Analysis

Z Enpedie
Přejít na: navigace, hledání

Stopa jaderného záření

Úvod

Porovnání velikosti částic a obohacení uranu (A) a odpovídajících stop (B).

Při průchodu hmotného jaderného záření prostředím v obecném pojetí dochází ke kolizi záření s atomy prostředí. V důsledku srážky částice s atomem dochází ke změně jeho fyzikálních nebo chemických vlastností materiálu. „Poškozené“ atomy lze charakterizovat jako stopy na dráze letu částice, které je možno zviditelnit vhodnými fyzikálními nebo chemickými metodami a následně mikroskopicky dokumentovat. Zdroje záření nabitých částic mohou být jak radioaktivního, tak jiného původu. Detektorem záření se stává prostředí ve kterém se záření absorbuje. Odezva je úměrná počtu dopadlých částic. Detektor nemá spektrometrické vlastnosti.

Aplikace

Významného uplatnění nalezla fission track metoda pro účely:

Apatit, zrno 150 µm, délka stopy do 20 µm.
  • datování geologických vzorků obsahujících radionuklidy emitujících částice alfa (238U, 235U, 232Th). Principiálně metoda vychází z rozpadového zákona (At = A0 × e - λΔt) s konstantou přeměny odpovídající spontánnímu štěpení), avšak místo koncentrace dceřiného izotopů se sleduje počet stop – drah částic. Jako „vzorky“ se využívají krystalické materiály, zrna vyizolovaná z přírodních materiálů apod. Nezbytnou podmínkou je nalézt objekt (zrno), ve kterém proběhla radioaktivní přeměna, vhodným způsobem zviditelnit stopu a stanovit koncentraci mateřského izotopu (U-238, Th-232, Sm-147 případně další)1–3. Příklad vyizolovaného a vyvolaného zrna apatitu (150 µm) je znázorněn na obrázku4.
    Track datovací metoda byla v minulosti v širokém rozsahu aplikována pro datování staří a výzkum povrchu zemské kůry, zejména pak pochopení vývoje horských pásem a pohoří ve vazbě na teplotní procesy, vývoje povodí, určení zdroje či původu sedimentů. Za významné z daného pohledu lze považovat zachování stop při „nízkých“ teplotách vzorků minerálů, přičemž teplotní hranice zachování jsou závislé na typu (složení) minerálů, např. pro apatit se uvádí rozmezí teplot 70–110 °C, pro zirkon 230–250 °C, pro titanit cca 300 °C. Po překročení teplotních hranice stopy degradují a systém se vrací do počátečního stavu s časovým údajem t0=0. To umožnilo charakterizovat nízko-teplotní historii zemské kůry, stáří sedimentů v masivech a další změny ve vazbě k teplotní historii.

  • měření koncentrace částic (alfa, protony, těžké částice, kosmické záření) a monitorování přírodních radionuklidů, zejména radonu. Jako detektory se používají jak speciální komerční folie (CR-37, LR 115 s upravenou vrstvou nitrocelulosy), tak polykarbonátové folie (lexan), slída a další5,6. Pro vyvolání folií se používají roztoky NaOH (KOH) o molaritě 2–6 mol/litr při pracovní teplotě 60–70 °C s dobou do cca 2 hod., případně jiné chemikálie (kyseliny) v závislosti na typ detektoru1. Optimalizace podmínek vyvolávání je nezbytná a jako kriterium se doporučuje volit poměr stop zářiče/stop šumu.

  • stanovení koncentrace přírodního uranu v přírodních materiálech (minerály). Zdrojem částic jsou produkty štěpení uranu-235 tepelnými neutrony (obecně štěpitelného izotopu). K ozařování vzorků se zpravidla provádí v jaderném reaktoru s vysokým stupněm termalizace neutronů. Jako detektory se používají komerčně dostupné folie. Paralelně se vzorkem se ozařuje chemickým složením ekvivalentní referenční materiál (RM) se známým obsahem přírodního uranu. Koncentrace uranu se vyhodnocuje z kalibrační přímky sestrojené z výsledků vyhodnocení RM. Metodika má opodstatnění pro stanovení koncentrace uranu v zrnech minerálů s přírodním zastoupením izotopů, v ostatních případech jsou pro stanovení uranu zpravidla efektivnější jiné metody, např. ICP-MS7.

  • stanovení zastoupení U235 v uranu8,9. Zdrojem záření jsou produkty štěpení uranu-235 tepelnými neutrony. Počet atomů U-235 je úměrný jednak zastoupení izotopu, jednak obsahu uranu ve vzorku. Porovnání dat obohacení uranu, velikosti části a odezvy detektoru je patrno z obrázku. Jako detektory se používají výše uvedené folie. Metoda je prioritně aplikována pro účely prověrky přítomnosti částic (velikosti jednotek mikronů) štěpitelných prvků ve velkém objemu vzorku prach, sediment). Složité fyzikálně-chemické separační postupy (mechanický výběr částic, flotace a další) se používají pro předběžné koncentrování potenciálně uran obsahujících částic. Mikroskopický průkaz uranové částice pak může nasvědčovat na manipulaci s jaderným materiálem (výroba/zcizování/pašování jaderných materiálů, zneužití pro teroristické účely) zpravidla ve vazbě na systém záruk o nešíření jaderních zbraní. Významnost průkazu stoupá s obohacením uranu a mikroskopické hodnocení zpravidla poskytuje vyhovující identifikační výsledky. Identifikovaná částice se následně hodnotí dalšími speciálními metodami (elektronová mikroskopie, hmotnostní spektrometrie, spektrometrie se sekundární ionizací apod.) s cílem získat přesné informace o obohacení uranu. Variantou metody je aplikace pro monitorování vzorků životního prostředí.


Zdroje

1. Fleischer R.L.; Price P. B., and Walker R. M. Nuclear Tracks in Solids (1975). University of California Press, Berkeley.
2. Wagner, G.A., Van den haute, P.: Fission Track-Dating. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, (1992),285 pp.
3. Van den haute, P., De Corte, F.: Advances in fission-track geochronology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, (1998),331 pp.
4. Kao M.-H.: Fission Track Analysis and its Applications. Taipei Astronomical Museum.
5. Enge, W. at al.: Proceedings of the 13th International Conference on Cosmic Rays, Denver, Colorado, Volume 4,p.2848.(Experimental Analysis of Cellulose Nitrate and Lexan-Polycarbonate as Cosmic Ray Particle Detektor).
6. Sidorov M., Ivanov O.: Nuclear track Detektors. Nova Science Publisher Inc., N Y 2010.
7. Lipponen M., Zilliacus R.: STUK-YTO-TR 212 / DEC 2004. Track-Etch Metod for Extracting Uranium Containing Glass Particles from Swipes and their Analysis with ICP-MS. 8. Donohue D. L.: “Strengthen IAEA Safeguards Through Environmental Sampling and Analysis”, J. Alloy. Compd., 271-273, 11 (1998).
9. Betti M., Tamborini G.and Koch L.: “Use of Secondar Ion Mass Spectrometry in Nuclear Forensic Analysis for the Characterization of Plutonium and Highly Enriched Uranium Particles”, Anal. Chem., 71(14), 2616, (1999).