The k0-Standardization Method

481 Pages·2007·40.13 MB·German

RIJKSUNIVERSITEIT GENT
Faculteit van de Wetenschappen
Instituut voor Nucleaire Wetenschappen
Laboratorium voor Analytische Scheikunde
Bestuurders: Prof. emer. J. HOSTE (tot 1986)
Prof. R. DAMS
THE k -STANDARDIZATIQN METHOD
o
A MOVE TO THE OPTIMIZATION OF NEUTRON ACTiVATION ANALYSIS
FRANS DE CORTE
In English
Nederlandse samenvatting - Resumé en frangais
Proefschrift voorgelegd tot het verkrijgen van de graad van
Geaggregeerde voor het Hoger Onderwijs - 1987
RIJKSUNIVERSITEIT GENT
Faculteit van de Wetenschappen
Instituut voor Nucleaire Wetenschappen
Laboratorium voor Analytische Scheikunde
Bestuurders: Prof. emer. J. HOSTE (tot 1986)
Prof. R. DAMS
THE k "STANDARD!ZATlON METHOD
0
A MOVE TO THE OPTÏMIZATION OF NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS
FRANS DE CORTE
In English
Nederlandse samenvatting - Resumé en francais
Proefschrift voorgelegd tot het verkrijgen van de graad van
Geaggregeerde voor het Hoger Onderwijs - 1987
"Everyone needs standards"
[Advertising slogan seen in London, July 1978, on my way to
the Sth Symposium on the Recent Developments in Activation
Analysis, held in St. Catherines College, Oxford]
Voor Igna
Aan mijn meter, Augusta De Corte
Aan mijn petekind Bart De Corte
s
-v-
DANKWOORD - ACKNOWLEDGEMENTS
Bij de voltooiing van dit; werk gaat mijn dank uit naar een aantal per-
sonen die mij gestimuleerd en geholpen hebben :
At oompletion of this work my gratitude goes to a nwnber of persons who
stimulated and helped me :
- wijlen mijn ouders, die mij steeds iif alle eenvoud gesteund hebben in
mijn universitaire studies ;
- mijn echtgenote Igna, die op het thuisfront onmisbaar was door haar ver-
trouwen en begrip ;
- professor Julien Hoste, wiens wetenschappelijk-hoogstaande en aangename
leiding gedurende mijn ganse loopbaan onontbeerlijk was : een betere pro-
motor had ik mij_ niet kunnen wensen ;
- my Evngarian oolleague Andpas Simonits (KFKI, Budapest) with whom I ooope-
vate now fov nearly 15 yeavs. The oombination of his soientifia skill,
integrity, sense of hvmour and friendship oontinuously aoted as a oatalyst
on me. Kb'szönö'm szépen a segitséget és vendégtdtdst ! ;
- mijn oud-doctoraatstudent Luk Mbens, met wie het boeiend was samen te
werken en nieuwe strategieën uit te denken en te ontwikkelen ;
- Antoine "Toni" De Wispelaere, mijn onmisbare rechterhand, die zich met
onvermoeibare ijver en met grote zorg inzette voor de eindeloze experi-
menten en berekeningen, om niet te spreken van het nog eindelozer invoe-
ren van gegevens in de computerbestanden ;
- my former dootorate students Lin Xile-C (Beijing, China) Slobodan "Jogi"
3
Jovanovió (Titogvad, Yugoslavia) Khadija Sordp-El Ranmami (Rabat Mavoc)
t 3
and Tarek El Nimr (Tanta Egypt) with whom it was interesting and pleasant
3 3
to work togethev. 3K^!$i8i{fc / Hvala pvno ! <~^-\"_^J^ "
- Attila Demeter Andras Simonits' former dootorate student, who performed
3
part of the experimental work at the KFKI, Budapest j
- professor Richard Dams en alle huidige en vroegere vrienden, collega's en
personeelsleden van het INW, die mij door wetenschappelijke discussies of
door een gewoon praatje het werk interessant en aangenaam gemaakt hebben ;
- al de professoren* van de Gentse universiteit, die tot mijn wetenschappe-
lijke vorming hebben bijgedragen ;
- mijn oud-scheikundeleraar Julien Verstraete (KA Aalst), die door zijn en-
thousiaste manier van lesgeven de eerste kiemen van mijn wetenschappelijke
interesse heeft gelegd ;
- professor Kaj Eeydorn, Leif Christensen, Else Damsgaard and ao-^workers
(Ristfj Denmark), whose help and adviaes were indispensable when performing
some experiments over^there. Jeg takker Dem hjertligst for Deres gaest-
frihed og hjaelp !
- Rinus Verheijke (Philips, Eindhoven), die zich gedurende vele jaren telkens
weer doorheen het in dit werk geproduceerde cijfermateriaal worstelde op
zoek naar onnauwkeurigheden ;
- mijn "buurvrouwtje" Rita Cornelis, met wie ik steeds de wederwaardigheden
in verband met mijn onderzoek kon bespreken ;
-vi-
- many ooileagues from other institutes espeoially from nuolear data eva-
3
luation oenters who weve generously eommuniaating their files - even
3
prior to pübliaation ;
- Marie-Lou Mimghen en Els Van Gijsegem, die met vaardigheid en geduld het
vele tikwerk van respectievelijk de tekst en de tabellen verzorgden ;
- Roger Bleys, die kundig en kunstig het fotografisch gedeelte voor zijn
rekening nam ; §,
- Gerald Beke, Ghislain De Manghelaere, Julien Eechaute, Mare Leys en
Jean Cluydts, die snel en nauwkeurig alle mechanische benodigdheden
vervaardigden ;
- de electronici, in het bijzonder Rudi Dolieslager, die zich inspande
- ook 's avonds en in het weekeinde - om de optimale werking van de tel-
apparatuur te verzekeren ;
- Maurice Goemaes, die zelfs aan de onmogelijkste wensen voor het blazen
van glasmateriaal tegemoet kwam ;
- de piloten en co-piloten van reactor Thetis, de computeroperators en de
laboratoriumbedienden, die allen bijgedragen hebben tot het vlotte verloop
van de experimenten ;
- last hut not least Janet Rossell and her famtly (Nantmor North Wales)
3 3 3
who offered me the opporturiity to study and to write part of this work in
their home -in the movntains inspired by the gorgeous scenery of the
3
Snowdonia area. Rydw i wedi oael amser da dioloh yn fawr !
3
Dit onderzoek kwam tot stand met de financiële steun van het Inter-
universitair Instituut voor Kernwetenschappen en van het Nationaal Fonds
voor Wetenschappelijk Onderzoek, waarvan ik thans mandaathouder ben als
Bevoegdverklaard Navorser. Van 1982 tot 1986 kon ik genieten van een over-
eenkomst voor wetenschappelijke samenwerking tussen het Hungarian Interna-
tional Cultural Institute (HICI) en het Belgisch Nationaal Fonds voor Weten-
schappelijk Onderzoek (NFWO/FNRS). Voor dit alles mijn oprechte erkentelijk-
heid.
-vii-
CONTENTS
DANKWOORD - ACKNOWLEDGMENTS v
LIST OF SYMBOLS xiii
INTRODUCTION 1
CHAPTER I : FUNDAMENTALS 5
1. DESCRIPTION OF THE (n.y) REACTION RATE 5
1.1. General formulation 5
1.2. (n,y) Cross-section and neutron flux functions 5
1.3. The H^gdahl convention 8
1.3.1. Choice of convention 8
1.3.2. The effective cadmium eut-off energy 8
1.3.3. Reaction rates and cadmium ratio 11
1.3.4. Mechanism of the convention 13
1.3.5. Neutron self-shielding and Cd-transmission correction 14
factors
2. THE ACTIVATION EQUATION 15
2.1. Direct formation of measured radionuclides ; no burn-up 15
2.2. Buanching activation and mother-daughter decay 17
2.3. Burn-up effects 18
2.3.1. Burn-up of target and/or directly formed nuclide 18
2.3.2. Burn-up of daughter nuclide 20
2.3.3. Burn-up of granddaughter nuclide 21
2.4. Calculation- of neutron self-shielding factors 23
3. (n,Y) ACTIVATION ANALYSIS : PRINCIPLES OF STANDARDIZATION 26
3.1. Relative standardization 27
3.2. Single-comparator (monostandard) standardization 29
3.3. Absolute (parametric) standardization 31
3.4. k„-Standardization 33
3.4.1. Basic concepts 33
3.4.2. Modifications in case of complex activation-decay 35
3.4.3. Parameters of the k^-method 41
3.4.4. Uncertainties, error propagation and mean values 42
REFERENCES 46
-viii-
CHAPTER II : INSTRUMENTATION 49
1. IRRADIATION FACILITIES 49
1.1. Reactor Thetis (INW, Gent/Belgium) 49
1.2. Other reactors 52
1.2.1. Reactor WWR-M (KFKI, Budapest/Hungary) 52
1.2.2. Reactor DR-3 (Ris«5/Denmark) 53
1.2.3. Reactor BR-2 (SCK, Mol/Belgium) 53
2. COUNTING EQUIPMENT 54
2.1. Ge gamma-ray spectrometers at the INW, Gent/Belgrum 54
2.2. Ge gamma-ray spectrometers at the KFKI, Budapest/Hungary 56
and at Ris<^/Denmark
3. COMPUTATIONAL 57
3.1. Hardware 57
3.2. Software 57
REFERENCES 59
CHAPTER III : FULL-ENERGY PEAK DETECTION EFFICIENCY (e ) 61
P
rpf
1. £ IN REFERENCE CONDITIONS 61
P
1.1. Experimental determination 61
1.2. Accuracy and error propagation 64
2. ege° IN PRACTICAL GEOMETRIC CONDITIONS 65
P
2.1. Conversion of e to e6 , including gamma-attenuation 65
2.2. Applicability of the conversion 67
2.3. Accuracy and error propagation 68
2.4. Need for cylindric Ge-detectors with well-defined geometrie 72
parameters
2.5. Isolated correction for gamma-attenuation 72
REFERENCES 73
CHAPTER IV : CORRECTION FOR TRÜE-COINCIDENCE EFFECTS 75
1. FUNDAMENTALS 75
1.1. Survey of analytically relevant true-coincidence effects and 75
corrections
-ix-
1.2. y~Y coincidence summing 80
1.3. y~Y ar*d Y~KX(IC) coincidence loss 81
1.4. Y~KX(EC) coincidence loss 87
2. CORRECTION OF MEASURED PEAK AREA 89
2.1. General formula 89
2.2. Criteria for relevancy of true-coincidence effects 90
2.3. Comment on the importance of y-KK coincidence 93
2.4. Delayed Y~Y emission 95
2.5. Special cases encountered in practice 102
2.6. Coincidence tables 105
2.6.1. User orientated tabulation of coincidences and nuclear 105
data
2.6.2. Exemplary coincidence correction factors 105
3. PRACTICAL ASPECTS 139
3.1. Full-energy peak detection efficiency (e** ) 139
3.2. Total detection efficiency (e^e°)j peak-to-total ratio (P/T) 139
3.3. Uncertainty and error propagation 142
3.4. Computer programs 143
REFERENCES 144
CHAPTER V : THE CONTRIBUTION OF EPITHERMAL ACTIVATION s THE PARAMETERS
a, Ë , f AND Q 145
r Q
1+nt
1. THE l/E EPITHERMAL NEUTRON FLUX DISTRIBUTION AND THE CONCEPT OF E 145
1.1. The need of correction for a non-l/E distribution 145
1+a
1.2. Introduction of the l/E distribution and the effective 146
resonance energy I
1.3. Calculation and compilation of Ë -values; uncertainties and 150
error propagation
1.4. Role of the reference energy in I -calculation 157
1.5. Principles and uncertainties of experimental a-determination 160
1.5.1. "Cd-covered multi-monitor"-inethod 161
1.5.2. "Cd-ratio for multi-monitor"-method 162
1.5.3. "Bare multi-monitor"-method 168
1+Ct —
1.6. Validity of the l/E and E concepts : experimental check 169
1.7. a-Mapping of reactor Thetis 175
1.8. Propagation of the error on a towards other quantities 176
2. EXPERIMENTAL f-DETERMINATION 177
2.1. Cd-ratio method 177
2.2. "Bare bi-isotopic monitor"-method using Zr 179
2.3. Consistency check; validity of the l/E and E concepts 181
2.4. f-Mapping of reactor Thetis 181
2.5. Propagation of the error on f towards other quantities 182
3. EVALUATION OF Q -VALUES 182
Q
3.1. Critical selection of literature data 182
3.2. Experimental determination 183
3.2.1. Cd-ratio method 183
3.2.2. Cd-transmission factor for epithermal neutrons, F-,, 185
1+a -
3.2.3. Consistency check ; validity of the l/E and E 186
concepts
QA QC Qf. AT
3.2.4. G and Q values for * Zr(n,y) Zr and Zr(n,y) Zr 186
e Q
3.3. Compilation of Q„-values 189
3.4. Propagation of the error on 0~ towards other quantities 205
REFERENCES 208
CHAPTER VI : EXPERIMENTAL DETERMINATION OF k -FACT0RS 212
Q
197 198
1. THE COMPARATOR Au(n,y) Au 212
2. EXPERIMENTAL DETAILS 213
2.1. Quality assurance 213
QA QC Qf. Q7
2.2. k -values of Zr(n,Y) Zr and y Zr(n,y) Zr 252
Q
REFERENCES 253
CHAPTER VII : SPECIAL PROBLEMS 254
1. UNCERTAINTIES INDÜCED BY HALF-LIVES 254
1.1. Error propagation 254
97
1.2. Experimental determination of the Zr half-life 256
1.3. Experimental determination of the Sn half-life 257
-xi-
2. PARAMETERS RELATED TO COMPLEX ACTIVATION AND DECAY 260
2.1. Q and E for m- and g-formation 260
n
1T on / \
2.2. Experimental determination of k /k« ; the cases Br 261
n
and 104(m>Rh
2.3. Counting of gamma-rays emitted by both the mother and the 262
daughter isotope ; the case Mo/ TCc
3. PRIMARY INTERFERENCES 265
3.1. Survey of interfering (n,nf) and (n,2n) reactions 265
o o m, 117_ , i.117m„ „ 135_ , , 135m„ „,,
x
3.2. The cases Sn(n,n') Sn and Ba(n,n') TBa 266
3.3. Precautions and corrections 268
90 89
3.4. Corrections based on the Zr(n,2n) Zr monitor . 268
4. (n,Y) REACTIONS WITH WESTCOTT-g(T ) 4 1 270
197 jas n
4.1. The Au(n,y) Au comparator 270
4.2. Problematic cases : estimation of errors 270
5. VARIABILITY OF THE NEUTRON FLUX DURING IRRADIATION 272
5.1. Treatment of the problem 272
5.2. Estimation of errors 272
6. INTERMITTENT IRRADIATION 278
6.1. Relevant equations 278
6.2. Estimation of errors 279
REFERENCES 280
CHAPTER VIII : ACCURACY, TRACEABILITY AND APPLICABILITY 283
1. ACCURACY 283
1.1. Evaluation of the accuracy 283
1.2. Analysis of reference materials 284
2. TRACEABILITY 286
2.1. Definitions and basic considerations 286
2.2. Considerations with respect to the k_-factors 290
2.3. Analysis conversion factors 295
2.3.1. Contribution of epithermal activation 296
2.3.2. True-coincidence 296