MeRSZ online
okoskönyvtár
Több száz tankönyv egy helyen.
Online. Bárhol. Bármikor.
A prompt-gamma aktivációs analízis örökségtudományi alkalmazásai
Szilikát anyagú régészeti leletek és nyersanyagaik eredetének meghatározása
II.1. Az alkalmazott fő kísérleti módszer, a prompt-gamma aktivációs analízis leírása
A disszertáció témáját képező kísérletek többségét a budapesti prompt-gamma aktivációs analitikai (PGAA) berendezésen végeztük. Néhány esetben összehasonlító méréseket végeztünk hordozható XRF készülékkel, illetve hagyományos neutronaktivációval kapott adatokat hasonlítottuk össze a PGAA-mérések adataival. A következő részben ismertetem a prompt-gamma aktivációs analízis elvét, főbb jellemzőit, továbbá a budapesti mérőrendszernek a bemutatott mérések szempontjából lényeges tulajdonságait.
A PGAA-módszer az 1980-as években terjedt el szélesebb körben, amikor a nagyfelbontású gammaspektroszkópiát lehetővé tevő HPGe detektorok, valamint a kutatóreaktoroknál megépített, szupertükröket alkalmazó, nagyintenzitású neutronnyalábot közvetítő neutronvezetők általánossá váltak (Hanna et al. 1981, Lindstrom et al. 1987, Rossbach 1991).
A PGAA-elemzés során a neutronokat befogó atommagok által kibocsátott karakterisztikus ún. prompt- és későgamma-sugárzást detektáljuk. A detektált gammafotonok energiája kvalitatív információt ad a mintában jelenlévő elemekről, míg a gammasugárzás intenzitása, azaz a spektrumban azonosított csúcsok területe, az adott összetevők pontos mennyiségi (kvantitatív) meghatározását teszi lehetővé.
A neutronbefogásos magreakciók gyakorisága:
ahol μ(r) a minta tömegeloszlása, Φ(E,r) a neutronnyaláb fluxusa, ε(E,r) a detektor hatásfoka, az ún. parciális gammakeltési hatáskeresztmetszet, ahol Iγ a γ-foton kibocsátásának a valószínűsége, θ az izotópgyakoriság. Különböző izotópok keverékére:. A képletben a felső’ azt jelzi, hogy a fluxus (Φ) és a detektor hatásfoka (ε) függ a helytől (r), valamint a neutron- illetve gammaenergiától (En, Eγ) is. Az NA és M az Avogadro-számot és a móltömeget jelöli (Révay & Belgya 2004).
A mérés megvalósítása során a mérőberendezést nagy intenzitású kivezetett termikus- vagy hidegneutron-nyalábra telepítik. A neutronforrás lehet kutatóreaktor vagy spallációs neutronforrás. Habár a PGAA-módszernek ugyanaz a magreakció a fizikai alapja, mint a hagyományos neutronaktivációnak (NAA-nak), van néhány lényeges különbség a két módszer között. Mivel a PGAA során a mintát kivezetett nyalábban sugározzák be – szemben az NAA-val, amikor a kis méretű mintát a reaktor aktív zónájába juttatják besugárzás céljából –, ezért a PGAA méréskor szinte semmilyen korlát nincs a vizsgálandó tárgy méretére vonatkozólag, így nagyobb tárgyakból sem szükséges mintát venni a vizsgálathoz. Ez utóbbi tulajdonság különösen fontos, ha értékes tárgyak, pl. régészeti leletek elemzését tervezzük.
Másrészt, mivel – a hélium kivételével – valamennyi kémiai elem atommagja bocsát ki prompt-gamma sugárzást, és a PGAA során a besugárzással egyidőben detektáljuk a prompt-gamma fotonokat, így elvileg minden kémiai elemet képesek vagyunk kimutatni. A gyakorlatban azonban az egyes elemek kimutathatósága széles határok között, több nagyságrenden keresztül változhat. Az egyes elemek kimutathatóságát elsősorban az atommagok neutronbefogási hatáskeresztmetszete szabja meg.
A mérés során az egyes kémiai elemek azonosítása a kibocsátott gammafotonok energiájának pontos meghatározásán alapszik (Coceva et al. 1996). A 2.1. ábrán egy szürke tűzkő minta jellegzetes prompt-gamma spektruma látható. A mérés a budapesti PGAA-berendezéssel, 9,6×107 cm–2 s–1 termikus ekvivalens intenzitású neutronnyalábbal készült.
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m1400apaaaszarlnym_70/#m1400apaaaszarlnym_70 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m1400apaaaszarlnym_70/#m1400apaaaszarlnym_70)
APA
2.1. ábra. Egy tipikus szürke tűzkő minta PGAA spektruma, a budapesti PGAA berendezésen mérve (Kasztovszky et al. 2022b). A könnyebb ábrázolás végett a teljes, egybefüggő spektrumot két részre osztottuk, az első rész (kék színnel) kb. 50 keV-től 6000 keV-ig, a második rész (piros színnel) 6000 keV-től kb. 11000 keV-ig terjed.
Egy tipikus prompt-gamma spektrum néhányszor 10 keV és 11 MeV közötti energiatartományt fog át. Mivel a legtöbb spektrum több száz csúcsot tartalmaz, az elemazonosításhoz elengedhetetlen az egymáshoz közeli, átlapoló csúcsok szétválasztása a kiértékelés során. A mért prompt- és késő-gamma spektrum kiértékelésére, a spektrumban megjelenő csúcsok illesztésére 2022-ig az MTA Izotópkutató Intézet munkatársai által 1995–98-ban kifejlesztett Hypermet-PC programot használtuk (Philips & Marlow 1976, Révay et al. 2001a, Révay et al. 2005), majd áttértünk a Windows-alapú Hyperlab program használatára. Az egyes kémiai elemek által kibocsátott legerősebb prompt-gamma fotonok fő adatait (energia, relatív intenzitás, parciális gammakeltési hatáskeresztmetszet) Révay Zsolt és munkatársai standardizáló mérések során meghatározták, majd ún. PGAA-könyvtárba rendezték (Révay et al. 2001b).
Bevezetve a Φ0 termikus ekvivalens neutronfluxus fogalmát, valamint vékony és homogén mintát feltételezve, a spektrumban mért, adott kémiai elemre jellemző csúcsterület:
egyenlet, ahol AE egy adott elemhez tartozó, a spektrumban azonosított csúcs területe, m az adott elem tömege, NA az Avogadro-szám, M az adott elem móltömege. Θ az adott elem adott izotópjának izotópgyakorisága, σ0 a neutronbefogási hatáskeresztmetszet, Iγ egy adott magreakció gammahozama, Φ0 a neutronnyaláb termikus ekvivalens fluxusa, ε(Eγ) a HPGe detektor hatásfoka Eγ energián – amelyek az adott mérőrendszerre jellemző paraméterek. A HPGe detektor hatásfokának energiafüggését radioaktív sugárforrások, és inaktív mintán (n,γ) reakció segítségével, kalibráló mérésekkel rendszeresen ellenőrizzük (Molnár et al. 2002). A (2.2) egyenlet a következőképpen is írható:
A fentiekből következik, hogy adott mérési elrendezés (nyalábintenzitás, detektorok) esetén az egyes kémiai elemekre vonatkozó S érzékenységek, illetve a velük fordítottan arányos DL kimutatási határok első közelítésben az atommagok neutronbefogási hatáskeresztmetszetétől függenek. Minél nagyobb a neutronbefogási hatáskeresztmetszet, annál nagyobb a módszer adott elemre vonatkozó érzékenysége (illetve annál kisebb az adott elem kimutatási határa). Ismert, hogy lassúneutronok (termikus- és hidegneutronok) esetén a neutronbefogási hatáskeresztmetszet fordítottan arányos a neutronok kinetikus energiájának a négyzetgyökével (ez az ún. 1/v törvény), így a PGAA-ra alkalmazott neutronjaink energiáját csökkentve – azaz a termikus neutronokat egy ún. hidegneutron-forrással (HNF) lehűtve – a módszer érzékenysége egy nagyságrenddel növelhető. A budapesti PGAA-berendezés érzékenysége a HNF 2000. évi üzembe helyezését követően mintegy 20-szorosára javult, ami az alkalmazott mérések szempontjából a következő új lehetőségeket teremtette meg: 1. Ugyanazon minta összetételének meghatározása rövidebb idő alatt; 2. Kisebb minták elemzésének lehetősége változatlan idő alatt; 3. Nagyobb mérési pontosság elérése változatlan idő alatt.
A PGAA-val mérhető kémiai elemekre jellemző érzékenységek a 2.2. ábrán láthatók, az egyes érzékenységi tartományok más-más színnel jelölve. A legnagyobb neutronbefogási hatáskeresztmetszettel rendelkező elemek, mint a B, Cd, Hg, Nd, Sm, Gd és Eu esetében 1‒10 ppm, vagy akár 1 ppm alatti kis koncentráció értékek kimutathatók. A többi kémiai elem kimutatási határa 10-3 és 10-1 m% között változik. A C, N, O, F, Sn, Pb és Bi a legrosszabbul mérhető elemek (Yonezawa 1993). Ha a PGAA módszer alkalmazhatóságát vizsgáljuk az örökségtudományban, akkor meg kell jegyeznünk, hogy a nem szerves régészeti leletek jelentős része természetes eredetű nyersanyagokból készült kőeszköz, kerámia, ásványi festék vagy üveg, amelyek összetétele hasonló az ásványokéhoz, kőzetekéhez, továbbá a fémek is földkérgi (érces) eredetűek. Ily módon, az általunk vizsgált örökségtudományi minták majdnem mindig tartalmaznak bórt és ritkaföldfémeket, amelyek mennyisége szerencsés esetben ujjlenyomat-szerűen jellemző a nyersanyag eredetére (Szakmány & Kasztovszky 2004). Fontos még megjegyezni, hogy a hidrogént és klórt igen jól tudjuk mérni PGAA-val, néhányszor 10 ppm mennyiségben kimutathatók. A H és Cl információt nyújthat egy műtárgy anyagának a korrózió és a környezeti hatások következtében bekövetkező állapotromlásáról (Kasztovszky et al. 2022a).
Harvard
(): . : .
: /hivatkozas/m1400apaaaszarlnym_79/#m1400apaaaszarlnym_79 ()
Chicago
. . . : .
(: /hivatkozas/m1400apaaaszarlnym_79/#m1400apaaaszarlnym_79)
APA
2.2. ábra. A kémiai elemek kimutathatósága a budapesti PGAA-berendezésen, közelítő kimutatási határok. Piros: 0,3‒1 ppm, sárga: 1‒10 ppm, zöld: 10‒100 ppm, kék: 100‒1000 ppm, szürke: >1000 ppm (Révay Zs. nyomán, Kasztovszky et al. 2022b)
A (2.2) egyenlet alapján egy adott elem mennyisége a mintában közvetlenül kiszámítható a PGAA spektrumban mért csúcsterületekből. Az ún. prompt-k0-módszert (komparátor módszer, Révay, Zs. 2009a) alkalmazva azonban standardizáló mérésekből minden kémiai elem minden prompt-gamma vonalára kiszámítható a
állandó, amely állandókat felhasználva, két tetszőleges összetevő kémiai elem tömegének aránya:
ahol X és Y két tetszőleges elemet, C az ún. komparátor elemet jelöli. A legtöbb PGAA-laboratóriumban a hidrogént vagy a klórt használják komparátorként. A k0-faktorokat meghatározzák minden kémiai elem valamennyi (a gyakorlatban az első 25 legerősebb, vagy a min. 1% relatív intenzitású) vonalára, és ún. PGAA-könyvtárakba rendezik. A komparátor módszer alkalmazásával elkerülhető az (2.2) egyenletben szereplő számos paraméter direkt mérése, így az abszolút kalibrációt nem szükséges elvégezni minden egyes ismeretlen minta méréséhez.
Mivel a legtöbb geológiai mintában a fő geokémiai összetevőket hagyományosan oxidos formában adják meg, ugyanakkor az oxigén egyike a periódusos rendszer PGAA-val legrosszabbul mérhető elemeinek, az oxidok mennyiségét az egyes elemek oxidációs számai alapján számíthatjuk ki az elemi koncentrációkból. Változó vegyértékű elemek esetén szabadon megválaszthatjuk az oxidációs számot (pl. a teljes vastartalmat konvenció szerint Fe2O3 formában adjuk meg). A fenti, k0-módszeren alapuló koncentrációszámítást, valamint a főösszetevők oxidjai koncentrációjának kiszámítását a budapesti PGAA-laborban a ProSpeRo programmal végezzük (Révay 2009a).
A világon mintegy 20 kutatóintézet működik, ahol elvi lehetőség van PGAA-mérésekre, de közülük csak néhányban tartozik a mindennapi kutatások eszköztárába a prompt-gamma aktivációs analízis. A napjainkban rutinszerű PGAA-méréseket végző laboratóriumok az Egyesült Államokban (NIST – Maryland, illetve Texas), a németországi Garchingban (FRMII), illetve Budapesten (Budapest Neutron Centre – BNC) találhatók. Ezek közül a Budapest Neutron Centrum PGAA-laboratóriuma az egyetlen, ahol már több mint 20 éve az örökségtudomány jelenti a PGAA és más nukleáris analitikai, valamint képalkotó módszerek fő alkalmazási területét.
Tartalomjegyzék
- A prompt-gamma aktivációs analízis örökségtudományi alkalmazásai
- Impresszum
- I. fejezet
- II. fejezet
- II.1. Az alkalmazott fő kísérleti módszer, a prompt-gamma aktivációs analízis leírása
- A budapesti prompt-gamma aktivációs analitikai berendezés
- A PGAA-módszer validálása néhány, az örökségtudományban gyakran előforduló anyagfajtára
- Az archeometriában leggyakrabban alkalmazott egyéb analitikai módszerek áttekintése
- Főkomponens-analízis (PCA): Az archeometriában leggyakrabban alkalmazott sokváltozós statisztikai módszer
- A budapesti prompt-gamma aktivációs analitikai berendezés
- II.1. Az alkalmazott fő kísérleti módszer, a prompt-gamma aktivációs analízis leírása
- III. fejezet
- III.1. Pattintott kőeszközök nyersanyageredetének vizsgálata prompt-gamma aktivációs analízis segítségével
- A fő pattintott kőeszköz nyersanyagtípusok elkülönítése
- Obszidiánok provenienciavizsgálata prompt-gamma aktivációs analízissel, röntgenfluoreszcencia-analízissel és neutronaktivációs analízissel
- A PGAA alkalmazhatósága obszidiánok provenienciavizsgálatára
- Obszidián régészeti leletek provenienciavizsgálatának eredményei
- A fő pattintott kőeszköz nyersanyagtípusok elkülönítése
- III.1. Pattintott kőeszközök nyersanyageredetének vizsgálata prompt-gamma aktivációs analízis segítségével
- IV. fejezet
- V. fejezet
- VI. fejezet
- VII. fejezet
- Irodalomjegyzék
- Köszönetnyilvánítás
Kiadó: Akadémiai Kiadó
Online megjelenés éve: 2026
ISBN: 978 963 664 202 0
Az örökségtudomány (angolul „heritage science”) fő célkitűzése, a tárgyi emlékeink elemzése és megőrzése a jövő nemzedékek számára, napjainkban kiemelt helyen szerepel Európa és az egész világ tudományos feladatai között. A prompt-gamma aktivációs analízis (PGAA) az alkalmazott neutronnyaláb nagy áthatoló képessége következtében a tárgyak átlagos tömbi összetételéről szolgáltat adatokat. A PGAA-val elvileg minden kémiai elem kimutatható, elemenként eltérő érzékenységgel. A módszer kiválóan alkalmas értékes, egyedi minták, pótolhatatlan kulturális és természeti kincseink, például régészeti leletek roncsolásmentes örökségtudományi (archeometriai) vizsgálatára, elsősorban a leletek nyersanyagainak eredetmeghatározásában. Kutatásaink a PGAA alkalmazhatóságára irányultak, főként szilikát anyagú régészeti leletek (kőeszközök, féldrágakövek, üvegek) archeometriai vizsgálataiban. Együttműködésben hazai múzeumokkal, egyetemekkel, Magyarországon elsőként végeztünk szisztematikus PGAA-méréseket különböző kőzetekből (obszidián, kovakőzetek, metamorf kőzetek), lápisz lazuliból, üvegből, valamint réz- és ezüstötvözetekből, kerámiából, készült régészeti tárgyak nagyszámú sorozatain. Munkatársaimmal összesen több mint 6000 archeometriai tárgyú PGAA-elemzést végeztünk, az egyes anyagfajtákra jelentős PGAA-adatbázisokat hoztunk létre, amelyekre számos jelenlegi hazai és nemzetközi régészeti kutatási projekt támaszkodik. Az elmúlt 25 évben a budapesti PGAA-laboratórium mind a hazai, mind a nemzetközi tudományos életben elismertségre tett szert az archeometriai kutatások terén. Számos hazai és nemzetközi örökségtudományi tárgyú projektben vettünk részt. Tudomásunk szerint a budapesti az egyetlen, PGAA-t hosszú távú örökségtudományi kutatásokban alkalmazó laboratórium a világon.
gomb segítségével választhatsz, hogy fejezetről fejezetre lapozva vagy inkább folyamatosan görgetve olvasnád-e a könyvet.
