光量子放射化分析 - 基礎と応用-

2015/3/17 ELPH研究会「大強度電子ビームとその応用利用」
光量子放射化分析
- 基礎と応用-
首都大学東京大学院理工学研究科
大浦泰嗣
放射化分析
(n, γ), (n, p)
中性子放射化分析, NAA
(γ, n), (γ, p) 光量子放射化分析, PAA
Compound
PGAA
即発ガンマ線
Product
radioac've
β-‐，β+，EC
機器的方法
Instrumental
放射化学的方法
Radiochemical
Target
stable
 
 
 
 
 
 
非破壊
多元素同時
バルク分析
高感度
Daughter
高確度 / 低精度
ひろいダイナミックレンジ
壊変ガンマ線
Ge半導体
検出器
放射化分析 ̶定量法̶
核種(元素)分析法
A = N φσ (1− e
− λt
)
比較法
ax
N xφσ (1− e− λt )ε
Nx
=
=
− λt
ax ' N x ' φσ (1− e )ε N x '
a:計数率，N:核種数，φ:フラックス，σ:断面積
λ:壊変定数，t:照射時間，ε:計数効率
既知量(Nx )の比較標準試料を一緒に照射
NxとNx は同じ元素
比較標準試料を照射しなかった元素の定
量不可
単一コンパレータ法
ax N xφσ x (1− e− λxt )ε x
=
ay N yφσ y (1− e− λyt )ε y
既知量(Ny)のコンパレータを一緒に照射
xとyは異なる元素
1つの元素から，すべての元素を定量
σx/σyをあらかじめ求めておく
y = Ni or Au
放射化分析 ̶照射時間̶
A = N φσ (1− e
− λt
)
飽和係数
短時間照射: 短半減期核種用
長半減期核種をなるべく生成させない
長時間照射: 長半減期核種用
短半減期核種は減衰させる
[例] PAA: 30分，6時間
NAA: 100秒、6時間 (立教炉 100 kW)
10秒、20分 (JRR-4, 3.5 MW)
実験方法@ELPH
Al箔で包んだ試料
(約50mg)
石英管
試料
石英綿
モニタ
照射後
新しいAl箔に包
み替えて、Ge検
出器で測定
φ10 mm
Auモニター
φ10mm x 0.01 mm
Niモニター
φの補正が必要
Pt コンバータ
高エネルギー電子で分解
する試料は注意が必要
電子
生体試料
ろ紙
20 30
〜 MeV
30 MeV 炭素棒の使用
冷却水
冷却水
フラックスの補正
quartz tube
sample
quartz wool
monitor
フラックス
ax N xφ σ (1− e− λt )ε N x
=
=
a!x N !xφ !σ (1− e− λt )ε N !x
必須
定量する元素で行うことが望ましい
厚み[g/cm2]，長さ[cm]でも同様
妨害核反応の補正
19F(γ, n)18F
55Mn(γ, n)54Mn
25Mg(γ, p)24Na
23Na(γ, αn)18F
56Fe(γ, pn)54Mn
23Na(n, γ)24Na
二次中性子
妨害元素の試薬を同時に照射して，寄与を補正
妨害核反応の補正
Q値
55Mn(γ, n)54Mn
19F(γ, n)18F
-‐10
56Fe(γ, pn)54Mn
23Na(γ, αn)18F
-‐20
MeV
制動放射線最大エネルギー
  妨害反応が起こらないエネルギーで照射   E0 = 20 あるいは　25 MeVで照射すると、全般的に妨害反応の寄
与を小さくできる．
PAAでの定量可能元素
1
18
6時間照射を仮定
H
2
Li
Be
Na Mg
3
4
5
Ga
Ge As Se
Br
Kr
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn Sb Te
I
Xe
Ir
Pt
Au Hg
Tl
Pb
At
Rn
Ta
W
Re
Os
Fr
Ra
** Rf
Db Sg
Bh
Hs Mt Ds
**
Ac Th
Pa
Nd Pm Sm Eu
U
高感度 30分以下 Np
P
Zn
* Hf
Pr
Ne
Cu
Ba
Ce
F
Ni
Cs
La
O
Co
Zr Nb Mo Tc
*
N
Ar
Y
C
Cl
Sr
B
S
Cr Mn Fe
He
Si
Rb
17
Al
Ti
16
12
9
Sc
15
11
8
Ca
14
10
7
K
V
6
13
Rg
Po
Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
Gd Tb Dy Ho
Pu Am Cm Bk
中感度 Bi
Cf
低感度 511 keV 化学分離併用
F以外: 半減期 2∼20分
Er Tm Yb
Lu
Es Fm Md No
Lr
誘導放射能
実験計画: 生成放射能の予測をもとに立案(したい)
試料量 / 照射時間 / 被曝
反応断面積(反応収率)が必要
単色光子の断面積
IAEA Photonuclear Data Library (TECDOC-1178)
38元素のみ JENDL Photonuclear Data File 2004
36元素のみ，ENDF-6形式
制動放射線 (E0 =20 ∼30 MeV) での収率
まとまったデータがあまりない
光核反応収率
  Segebade et al. (1983)
  Kato et al. (1973)
Yields / mole-‐1R-‐1
T. KATO: QUANTITATIVE EVALUATION
108t
"7
?
10 ?
o
E
:2
iO s
105
To 3 [
0
i
10
I
20
;
30
;
.;0
I
so
;
60
;
70
;
80
I
90
Atomicr~umber
I
100
Z
Fig. 2. The yields of photonuclear reactiom as a function of atomic number with
30 MeV bmmsstrahlung, *yields of m e t a s t a b l e isomers,-+yields for the r e a c tions on target nuclides of neutron or proton magic
contains the y i e l d values for 170 different reactions in 71 elements: 96( 7 . n), 31
( 7 , P), 20 ( 7 , 2n). 13 ( 7, pn), 4 ( 7 , 9 ) and 6 ( 7 , 3 n ) reactions. Several of
the ( 7, 7') reaction products were also measured, but are excluded from the present
誘導放射能比
1時間照射
Ni → 57Niで規格化
(γ, n)反応収率
  Segebade et al. (1983) E0 = 30MeV
放射能比
収率比
Ni
Ni →57Ni 30 MeV : 48 kBq/mg 1時間照射 20 MeV : 6 kBq/mg
@ELPH
58Ni
58Ni →57Ni
30 MeV : ? b/eq.q. 20 MeV : ? b/eq.q.
絶対収率
(γ, n)反応収率
E0 = 30MeV
TMU
Segebade et al. (1983)
● KURRI ●　ELPH
58Ni
58Ni
オーダーはSegebadeらの値と一致．単一コンパレータ法への応用
58Ni(γ, n)57Niの絶対反応収率の測定が必要．
安定したビームが要求される
宇宙地球化学的試料の分析
粉末試料 50∼100 mg
PGA : １∼2時間
INAA : JRR-3 PN3 10秒 → JRR-4 20分
IPAA : 30(20) MeV 30分 → ６時間
H
He
PGAA
INAA
IPAA
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Fr
Ra
Ac
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
Uun
Uuu
Uub
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
Uuq
Uuh
球粒隕石: □で示した35元素が定量可能
非球粒隕石: ○で示した42元素が定量可能
鉄隕石: INAAで13元素(Cr, Fe, Co, Ni, La, Cu, Ga, Ge, As, Rh, W, Ir, Au)が定量可能. さらにPGAAにより
H , Cl, および S が定量可能．
Uuo
宇宙地球化学的試料の分析
検出限界の比較 JB-1(または*Allende)を測定したときのバックグランドの3σで定義
INAA
H
B
Na
Mg
Al
Si
S*
Cl
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni*
Cu
Zn
Ga
As
Se
Br*
%
ppm
%
%
%
%
%
ppm
%
%
ppm
%
ppm
ppm
%
%
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
0.001
0.5
0.02
IPAA
0.003
0.01
0.4
50
0.03
0.3
0.02
0.09
9
2
0.002
0.02
0.1
30
4
4
0.5
0.01
0.4
0.02
4
0.02
10
0.01
0.4
1
20
20
10
PGA
0.02
0.2
0.02
1
0.08
0.2
0.04
20
0.02
0.08
0.01
200
0.01
0.2
30
300
INAA
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Ba
La
Ce
Sm
Eu
Gd
Ho
Tm
Yb
Lu
Hf
Ta
W
Os*
Ir*
Au*
Th
U
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
0.5
1
0.09
0.03
1
0.5
0.02
0.3
0.06
0.2
0.08
3
0.4
0.001
0.01
0.4
0.2
IPAA
1
40
0.4
20
5
80
PGA
5
赤: 他の方法に比べ10倍以上良い青: 他の方法に比べて良いが10倍まで満たない
0.2
0.2
隕石の分析
PGA, INAA, IPAA
神戸隕石 (1999年)
狭山隕石 (1986年)
Si- and CI-normalized abundance
10
KobeE
Kobe C-3mix-3
Sayama
CM
1
0.1
Zr Sc Ti Sm Yb Sr V Mg Os Ni Fe As Mn K Cl Br Zn
Al Ca La Eu Lu Y Si Cr Ir Co Au Ga Na Rb B Se S
高
神戸隕石: hbp://www.kahaku.go.jp/research/db/science_engineering/inseki/koube_inseki.html
凝縮温度
低
Gd2O3中のKのRPAA
KASKA実験
原子炉ニュートリノを利用したニュート
リノ振動現象の解明を目的とする実験
νe
天然放射性核種・・・238U、232Th、40K
放射壊変によってニュートリノを放出
するので，ニュートリノ検出の妨害と
なる
e+
P
γ
n Gd
液体シンチレータ
Gd2O3中の
UとTh: ICP-MS法 [0.08 ppb，0.12 ppb]
K: ?? 1 ppm以下が必要 RPAAで確認する
Gd2O3中のKのRPAA
 中性子放射化分析 41K(n,
γ)42K (T1/ 2 = 12 h) 158Gd(n, γ)159Gd (T1/2=18h) 化学分離必要
157Gd: σth = 255,000 b
中性子自己吸収の補正必要
155
Gd: σth = 61,000 b
  光量子放射化分析 39K(γ, n)38K (T1/2 = 7.6 m )
160Gd(γ,
n)159Gd (T1/2=18h)
光量子の自己吸収無し
迅速化学分離必要
Gd2O3中のKのRPAA ̶方法̶
試料: 高純度Gd2O3 (99.999%) 600 mg
照射: 東北大学核理研電子ライナック E0 =25 MeV，10分間
Gd2O3 * K+ 10 mg 0.2 μm　ﬁlter 1:1 HNO3 5 ml ppt. H2O 15 ml NH3 aq. 3 ml ppt. ﬁl. γ-‐ray measurement sup. * for 5 min 化学収率: 60% (再放射化法)
Gd2O3中のKのRPAA ̶結果̶
A031.chn
600
照射　23分後
測定時間　300秒
Counts / 0.7 keV
500
400
300
200
100
0
0
500
1000
1500
Energy / keV
2000
2500
Gd2O3中のKのRPAA ̶結果̶
A031.chn
10
照射　23分後
測定時間　300秒
600
38
8
照射　23分後
測定時間　300秒
Counts / 0.7 keV
500
Counts / 0.7 keV
A031.chn
400
300
K (T
1/2
= 7.6 m)
6
4
2
200
0
2150
2155
2160
2165
2170
Energy / keV
2175
2180
100
0
0
500
1000
1500
Energy / keV
2000
2500
Gd2O3中のKのRPAA̶結果̶
RPAA
 
 
 
RPAAとRNAAより，Gd2O3中のK濃度の
上限値として0.1ppmを得た． KASKA実験において要求されるK濃
度(1ppm以下)満たしていることが
確認された．吸収断面積が大きい試料の分析に
は，PAAが有効である． RNAA
試料
高純度Gd2O3 (99.999%) 100 mg
比較標準: K濃度100 ppmのGd2O3
照射
JRR-4 簡易照射筒 [2.4 1012 cm-2s-1，Cd比 =
20]
6時間
自己吸収
誘導放射能は約1/10
まとめ
  NAAでは困難な元素の定量が可能．
  NAAのように反応断面積が著しく大きい特定の核種は存在し
ない．自己遮へいが生じたり，特定の強い放射能が生じるこ
とは少ない．
  照射エネルギーの調節可能 ̶ 妨害核反応の寄与を小さくで
きる．
  もう少し電子ビームの強度が大きいとよい．

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