利用成果紹介 「中性子放射化分析」

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1 利用成果紹介 中性子放射化分析 中性子放射化分析はいかに優れた分析法か 首都大学東京大学院理工学研究科 海老原充

2 JRR-3 の改造 中性子ビームラインの新設中性子ビームの利用 中性子散乱中性子ラジオグラフィー中性子誘起即発 γ 線分析 PGA, PGAA, PGNAA JRR-3 を用いる中性子放射化分析 即発 γ 線分析 ( ビーム中性子利用 ) 壊変 γ 線利用分析 ( 炉内中性子利用 )

3 中性子放射化分析 複合核種 即発 γ 線 中性子捕獲生成核種 中性子 標的核種 壊変核種 ( 高励起状態 ) 壊変 γ 線 壊変核種 ( 低励起状態 )

4 Layout of JRR-3 and its neutron beam lines (2004 ~ present) Core Neutron Beam line PGA system with multi Ge detectors GPTAS 4G PONTA 5G PNO 3G TAS-1 2G カナル BIX- Ⅲ 1G-A 4G 3G 2G 1G 5G 9C 6G 炉心 8T 7R 1G-B HRPD 1G 炉室詰替セル室 BIX- Ⅳ C3 C2 C1 T2 T1 LTAS C2-1 AGNES C3-1-1 HER C1-1 MINE C NOP C C2-2 ULS C1-3 RESA T2-1 SANS-J C3-2 CNRF C CHOP C TOF C LAUE C SANS-U C1-2 FONDER T2-2 BIX- Ⅱ T2-3 NSE C2-3-1 MPGA C PGA C TAS-2 T2-4 TOPAN 6G TNRF 7R 炉室 SF プール JAERI UNIV ビームホール HQR T1-1 KSD T1-2 KPD T1-3 PGA T1-4-1 LCE T1-4-1A MPGA T1-4-2 TOF T1-4-3 LAUE T1-4-4 PGA system with a single Ge detectors 0 10m

5 JRR-3 における中性子放射化分析 炉内中性子利用 ( 炉内照射 ) 機器中性子放射化分析 (INAA) 放射化学的中性子放射化分析 (RNAA) 中性子ビーム利用 ( ガイドホール照射 ) 即発 γ 線分析 (PGA) 多重即発 γ 線分析 (MPGA) 青字 : 非破壊分析 ( 化学操作を伴わない ) 赤字 : 破壊分析 ( 化学操作を伴う )

6 中性子放射化分析法 (NAA) の特徴 (1) プローブ粒子 ( 中性子 ) が高い透過性をもつこと. (2) 軽元素を除く多くの元素が比較的大きな熱中性子捕獲断面積をもつこと. (3) 中性子捕獲後の多くの放射性核種が β - 壊変すること. (4) β - 壊変にともなって放出される γ 線 ( 応答シグナル ) が高い透過能をもつこと. (5) 応答シグナルを高い分解能で解析できること. 全試料分析 (bulk analysis) が可能非破壊分析が可能多元素同時分析が可能高確度分析が可能高感度分析が可能

7 即発 γ 線分析法 (PGA) の特徴 (1) プローブ粒子 ( 中性子 ) が高い透過性をもつこと. (2) NAAで定量しにくい元素 ( たとえば軽元素 ) を定量できること. NAAを補完することができること. (3) 放出されるγ 線 ( 即発 γ 線 = 応答シグナル ) が高い透過能をもつこと. (4) 応答シグナルを高い分解能で解析できること. (5) 大型試料の非破壊分析ができること. (6) 残留放射能レベルが低く, 分析後の制約を受けないこと. 全試料分析, 非破壊分析, 多元素同時分析高確度分析, 高感度分析が可能大型試料の分析が可能試料の再利用が可能

8 中性子放射化分析法の種類 非破壊分析 機器中性子放射化分析 (INAA) 即発 γ 線分析 (PGA) 破壊分析 放射化学的中性子放射化分析 (RNAA)

9 中性子放射化分析による成果 (1) ー INAA による成果 ヒ素の国際認証値に疑義 再評価へ 産業技術総合研究所計測標準研究部門三浦勉

10 放射化分析法によるアルセノベタイン標準液認証値の検証 ひ素標準液 ( 全量, 化学形態別 ) As 全量,As(III),As(V), 有機ひ素化合物 機器校正用, 標準液作成用 魚肉, 海藻, 米などの環境試料中のひ素化合物濃度が認証された標準物質 試料分解, 化学分離の妥当性確認 高度な技術が必要な, ひ素化学形態別分析技術の国際的な同等性を確認するために, 国際度量衡委員会物質量諮問委員会が国際比較を実施 CCQM-P96 As and arsenobetaine(ab) content in marine fish (2007) 参加機関 :NIST, KRISS, NIM, BAM,NMIJ 国際比較の結果から アルセノベタイン標準液の認証値に疑義 10 認証時に用いた手法とは原理の異なる内標準併用中性子放射化分析法 ( 炉内照射 ) で全ひ素濃度を測定し 認証値を再評価する 10

11 放射化分析法によるアルセノベタイン標準液認証値の検証 : 結果 560 BCR-626(IRMM) As mg/kg Certified value mg/kg±2.5 mg/kg Bottle No. BCR-626 定量値 :499 mg/kg±55 mg/kg (k=2) 定量値 / 認証値 =1.15(1.09~1.24) 11 認証値より 9 % から 24 % 高い定量値が得られた 認証値の再評価が必要

12 中性子放射化分析による成果 (2) ー INAA による成果 野生生物から有機体ハロゲン検出 愛媛大学農学部河野公栄

13 Total organohalogens (TOX) Unextractable Total organohalogens Organohalogens (UEOX) (TOX) Extractable organohalogens (EOX) Man-made organohalogens (PCBs, DDTs, HCHs, HCB, Chlordane compounds CHLs) EOCl= Known EOCl + Unknown EOCl Total organohalogens (TOX), Extractable Organohalogens (EOX) and Man-Made Organohalogen Compounds Occurred in the Environment.

14 Analytical Procedure Analysis for EOX (EOCl, EOBr and EOI) S-X3 Gel Permeation Column Chromatography High Molecular Weight Fraction Instrumental Neutron Activation Analysis: INAA Sample Extraction Crude Extract Low Molecular Weight Fraction Florisil Dry Column Chromatography Florisil Wet Column Chromatography Non Polar Fraction GC-MS, GC-ECD Analysis for PCBs, DDTs, HCHs and CHLs Polar Fraction

15 中性子放射化分析による成果 (3) ー PGA, MPGA による成果 環境試料中の Cd を非破壊で定量 東京大学大学院総合文化研究科松尾基之

16 MPGA 法の環境試料への適用 河川および干潟底質中に含まれる Cd の鉛直分布 従来の PGA 法 MPGA 法による谷津干潟の 2 次元マトリクス 全体図 拡大図 芝浦運河谷津干潟 Cdのγ 線ペア射影スペクトル ( 矢印の所がCdのピーク ) 日本の土壌の平均濃度 Cd : 0.44 ppm 従来法では谷津干潟は全て検出限界以下 (<0.5ppm) Cd 定量値 0.46±0.14ppm

17 MPGA 法の環境試料への適用雪氷中のダスト粒子に含まれる人為起源物質比の推定 雪氷試料サンプリング地点 ( 07-09) ( 測定例 ) ダスト中のカドミウム 北アルプス (4 カ所 ) 新潟 奥只見 北アルプス 立山連峰室堂地点 ( 標高 2240m) 114 Cd( keV) ~0.04μg/filter ( 雪氷換算で 0.8μg/kg) 分析手法 栃木 群馬 (2 カ所 ) 現在 ダスト粒子組成を確認できた元素 (11 元素 ) Na, Mg, S, Mn, Cr, Si, Ti, Fe, Ni, Cu, Cd ( 今後の課題 ) 求めたいインデックス Sr/Mn, Pb/Zn, Pb/Cd 人為起源物質量の推定に有力 特に Cd が高感度で測定できることが非常に有効 表層雪氷試料採取 (~1kg) 自然融解 0.22μm メンブランフィルターで濾過 * FEP フィルムでフィルターごと被覆 STELLA で MPGA 測定 ( 濾紙分はブランク補正 ) * 透過量は mL φ11.0mm ph, 電気伝導度測定

18 号外 JRR-3 における産学官連携重点研究の実施 多重検出を用いた中性子放射化分析法の高度化とその応用 研究代表者 : 海老原充 ( 首都大学東京大学院理工学研究科 ) 藤暢輔 ( 日本原子力研究開発機構原子力基礎工学研究部門 ) 須志田一義 (( 株 ) 東レリサーチセンター無機分析化学研究部 ) 研究目的 1.JRR-3において多重即発 γ 線分析 (MPGA) 装置を高度化し 元素分析法として評価する. 2. タンデムにおいて多重 γ 線中性子放射化分析 (NAAMG) 装置を高度化し 元素分析法として評価する. 3. 新たにJ-PARC MLF BL04において 中性子核反応測定装置を高度化して MPGA 分析を可能にする. 4.MPGAとNAAMGを組み合わせた高機能分析システムの確立を目指す.

19 サブグループとメンバー 1. 宇宙化学的試料への適用とその分析法の評価 ( 海老原 大浦 Siong 田村 日高 渡部 初川 ) 2. 地球科学的試料への適用とその分析法の評価 ( 豊田 篠塚 任 川村 川島 笠原 松本 初川 ) 3. 環境化学試料への適用とその分析法の評価 ( 松尾 小豆川 泉 伊藤 柳橋 藤井 ) 4. 材料科学的試料への適用とその分析法の評価 ( 平井 岡田 鈴木 木村 小泉 ) 5. 標準物質への適用と不確かさ評価 ( 三浦 松江 黒岩 小林 高塚 ) 6. 農産物分析への適用性の検討 ( 木方 大島 藤 村上 櫻井 藤原 須志田 ) 7. 多重即発ガンマ線分析法の開発 ( 藤 大島 村上 小泉 古高 木村 金 初川 )

20 MPGA (Multiple Prompt γ-ray Analysis) PGA combined with Multiple Gamma-ray Detection JRR-3M Guide Hall Reactor Power: 20 MW In 2004 C2-3-2 beam line completed In 2006 neutron bender improved Neutron intensity: n/cm 2 /sec Beam size: 2cmW x 3cmH The MPGA apparatus, STELLA, is composed of eight clover-, and four coaxial-type detectors. The multiply coincident events from the 38 outputs are accumulated with a new DAQ system. Auto sampler changer 150 samples can be changed swiftly. Liq. N 2 supply system Fully automatic liq. N 2 filling is possible. For MPGA apparatus, see also Toh[A106]

21 2 次元スペクトル (kev) Cd 558keV Polymer standard sample IRMM BCR681 Cd 21.7ppm (kev) 651keV JAEA IRMM :Institute for Reference Materials and Measurements

22 カドミウム標準試料測定 Polymer BCR680 Polymer BCR681 Polymer B7 FoodRice 141ppm 30min 22ppm 30min 4.8ppm 120min 1.8ppm 220min 2 次元スペクトル 射影スペクトル Cd Cd Cd Cd フッ素のガンマ線のピークカウントは 2 次元スペクトルのトータル射影スペクトルから得る JAEA

23 中性子放射化分析による成果 (4) ー RNAA による成果 隕石中の超微量元素を正確に定量 首都大学東京大学院理工学研究科海老原充

24 REE abundances for pallasite olivines Masuda (1968) Leachate 10mg の試料に対して % から PPt レベル (10-12 g/g) の濃度まで定量可能 Residue Brenham Dora Esquel Imilac Ce Nd Sm Gd Dy Er Yb La Pr Eu Tb Ho Tm Lu REE abundances for pallasite olivines 放射化分析 最強のレアアース分析法

25 太陽系の元素存在度 そのほとんどが隕石の中性子放射化分析 によって求められている! Orgueil (CI1) 隕石 太陽系の化石 (MHN, Paris)

26 Solar vs. meteorite (CI)

27

28 探査回収試料の全岩化学組成分析の分析操作 ( mg の場合 ) PGA IPAA INAA (with low flux reactor) RNAA RPAA ICP-MS (with high flux reactor)

29 conclusion NAA is great!

30 日本原子力研究所 日本原子力研究開発機構 原子力 : 原子核の変換や核反応に伴って放出される多量のエネルギー 普通 ウランやプルトニウムの核分裂 放射性物質の崩壊 重水素 トリチウムなどの核融合により放出される核エネルギーをいう ( 大辞泉より ) 原子炉のない原子力研究所は 苦みのないビールのよう 次世代原子炉の建設を!

元素分析

元素分析 : このマークが付してある著作物は 第三者が有する著作物ですので 同著作物の再使用 同著作物の二次的著作物の創作等については 著作権者より直接使用許諾を得る必要があります (PET) 1 18 1 18 H 2 13 14 15 16 17 He 1 2 Li Be B C N O F Ne 3 4 5 6 7 8 9 10 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P

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