Kärnteknisk forensik

Nuclear forensics är undersökningen av kärnmaterial för att hitta bevis för källan, människohandeln och anrikningen av materialet. Materialet kan återvinnas från olika källor, inklusive damm från närheten av en kärnteknisk anläggning, eller från det radioaktiva skräpet efter en kärnvapenexplosion .

Resultat av kriminaltekniska tester används av olika organisationer för att fatta beslut. Informationen kombineras vanligtvis med andra informationskällor som brottsbekämpande och underrättelseinformation .

Historia

De första beslagen av nukleärt eller annat radioaktivt material rapporterades i Schweiz och Italien 1991. Senare inträffade rapporter om incidenter med kärnämne i Tyskland, Tjeckien, Ungern och andra centraleuropeiska länder. Nuclear Forensics blev en ny gren av vetenskaplig forskning med avsikten att inte bara fastställa materialets natur, utan också den avsedda användningen av det beslagtagna materialet såväl som dess ursprung och om de potentiella handelsvägarna. Kärnteknisk forensik förlitar sig på att göra dessa bestämningar genom mätbara parametrar inklusive men inte begränsat till kemiska föroreningar, isotopsammansättning, mikroskopiskt utseende och mikrostruktur. Genom att mäta dessa parametrar kan man dra slutsatser om materialets ursprung. Identifiering av dessa parametrar är ett pågående forskningsområde, men datatolkning är också beroende av tillgången på referensinformation och kunskap om bränslecellsdriften.

De första undersökande radiokemiska mätningarna började i de tidiga dagarna av kärnklyvning. 1944 gjorde det amerikanska flygvapnet de första försöken att upptäcka fissiogen ¹³³ Xe i atmosfären för att indikera produktionen av plutonium genom bestrålning av uran och kemisk upparbetning i ett försök att samla in underrättelser om statusen för det tyska kärnkraftsprogrammet . Ingen ¹³³ Xe upptäcktes dock. Under de följande åren blev det allt mer värdefullt att samla information om det sovjetiska kärnvapenprogrammet , vilket resulterade i utvecklingen av teknologier som kunde samla luftburna partiklar i ett WB-29 väderspaningsplan. Den 3 september 1949 användes dessa partiklar för att fastställa detonationstiden för det första sovjetiska atomprovet, " Joe 1 ". Ytterligare analys avslöjade att denna bomb var en kopia av " Fet Man ", som var bomben som släpptes över Nagasaki 1945. Denna undersökningsmetod kombinerade radiokemi och andra tekniker för att samla in underrättelser om kärntekniska aktiviteter.

De första beslagen av kärnmaterial från människohandel i början av 1990-talet gjorde att den nukleära kriminaltekniska metoden kunde antas av ett bredare forskarsamhälle. När vetenskapliga laboratorier utanför vapen- och underrättelsevärlden intresserade sig för denna metod var det när termen "Nuclear Forensics" myntades. Till skillnad från vanlig forensik fokuserar kärnteknisk forensik huvudsakligen på det nukleära eller radioaktiva materialet och syftar till att ge kunskap om den avsedda användningen av materialen.

1994 fångades 560 gram plutonium och uranoxid på Münchens flygplats i ett flygplan som kom från Moskva. Den exakta sammansättningen var 363 gram plutonium (varav 87 % var Plutonium-239 ) och 122 gram uran. Det framkom senare genom en tysk parlamentarisk utredning att köpet hade arrangerats och finansierats av den tyska federala underrättelsetjänsten .

Kronometri

Att fastställa ett kärnämnes ålder är avgörande för nukleära kriminaltekniska undersökningar. Dejtingtekniker kan användas för att identifiera ett materials källa samt procedurer som utförs på materialet. Detta kan hjälpa till att fastställa informationen om den potentiella deltagaren i "åldern" för materialet av intresse. Nuklider , relaterade genom radioaktiva sönderfallsprocesser, kommer att ha relativa provkoncentrationer som kan förutsägas med hjälp av ekvationer för förälder-dotter-tillväxt och relevanta halveringstider. Eftersom radioaktiva isotoper sönderfaller med en hastighet som bestäms av mängden av isotopen i ett prov och halveringstiden för moderisotopen, kan den relativa mängden av sönderfallsprodukterna jämfört med moderisotoperna användas för att bestämma "ålder". Tunga grundämnesnuklider har ett 4n+2-förhållande, där masstalet dividerat med 4 lämnar en rest av två. Förfallsnätverket börjar med ²³⁸ Pu och fortsätter genom inväxten av långlivade ²³⁴ U, ²³⁰ Th och ²²⁶ Ra. Om någon medlem av 4n+2-sönderfallskedjan renas kommer den omedelbart att börja producera efterkommande arter. Tiden sedan ett prov senast renades kan beräknas från förhållandet mellan två godtyckliga koncentrationer bland de sönderfallande nuklider.

₀ I huvudsak, om ett kärnmaterial har genomgått en förädlingsprocess för att avlägsna dotterarten, kan tiden som förflutit sedan rening "återräknas" med användning av radiokemiska separationstekniker i samband med analytisk mätning av de befintliga förälder-dotter-förhållandena. Till exempel kan α-sönderfallet av ²³⁹ Pu till ²³⁵ U användas som ett exempel på denna procedur. med antagandet om en perfekt reningstid T kommer det att finnas ett linjärt samband mellan inväxten av ²³⁵ U och tiden som förflutit sedan reningen. Det finns dock olika tillfällen där sambandet inte är lika tydligt. Denna strategi kanske inte gäller när förälder-dotterparet uppnår sekulär jämvikt mycket snabbt eller när halveringstiden för dotternukliden är betydligt kortare än tiden som har förflutit sedan reningen av kärnmaterialet, t.ex. 237 Np ^/ 233 ^Pa . möjlig komplikation är om i miljöprover, icke-ekvivalent metall-/jontransport för föräldrar och dotterarter kan komplicera eller ogiltigförklara användningen av kronometriska mätningar. Särskilda åldersdejtingförhållanden finns, inklusive de vanligen använda ²³⁴ U/ ²³⁰ Th och ²⁴¹ Pu/ ²⁴¹ Am kronometrarna. Under speciella omständigheter kan relationer mellan föräldrar och barnbarn användas för att belysa kärnmaterialens ålder när materialet avsiktligt görs för att se äldre ut genom tillägg av dotternuklider.

Kronometri bygger på idén att sammansättningen av kärnämnet förändras när prover prepareras och analyseras. Denna barriär kan vara betydande för arter som förfaller snabbt eller vars dotterprodukter ger upphov till spektrala interferenser. Förfallet av ²³³ U, till exempel, har vid _1/2 ~1,6x10 ⁵ år vilket är snabbt i jämförelse med många arter och ger ²²⁹ Th, vilket avger en α-partikel som är isoenergetisk, med samma energi, som föräldern. För att undvika detta används nyberedda prover samt kompletterande analysmetoder för säker karaktärisering av kärnmaterial. Kärnprovernas förfall gör snabba analysmetoder mycket önskvärda.

Separationer

Kemiska separationstekniker används ofta inom nukleär forensik som en metod för att minska störningarna och för att underlätta mätningen av lågnivåradionuklider. Rening som sker snabbt när avkomman börjar växa omedelbart efter rening är idealisk.

Anjonbyte

Anjonbytesseparationsmetoder används i stor utsträckning vid rening av aktinider och aktinidbärande material genom användning av hartskolonner. De anjoniska aktinidkomplexen hålls kvar av anjonbytesställen som finns på hartset och neutrala ämnen passerar ohållna genom kolonnen. Sedan kan det kvarhållna ämnet elueras från kolonnen genom omvandling till ett neutralt komplex, typiskt genom att ändra den mobila fasen som passerar genom hartsbädden. Anjonbytesbaserade separationer av aktinider, även om de värderas för sin enkelhet och används ofta, tenderar att vara tidskrävande och automatiseras sällan. De flesta är fortfarande beroende av gravitationen. Att påskynda flödet av den mobila fasen tenderar att introducera problem som föroreningar och äventyra framtida undersökningar. Därför finns det fortfarande ett behov av utveckling av denna teknik för att tillgodose prioriteringarna för den nukleära forensiska forskningen.

Samfällning

Aktinidisolering genom samfällning används ofta för prover med relativt stora volymer för att koncentrera analyter och ta bort interferenser. Aktinidbärare inkluderar järnhydroxider , lantanidfluorider/hydroxider, mangandioxid och några andra arter.

Analys

Ett brett utbud av instrumentella tekniker används inom nukleär forensik. Radiometriska räknetekniker är användbara vid bestämning av sönderfallsprodukter från arter med korta halveringstider. Men för längre halveringstider är oorganisk massspecifikation ett kraftfullt sätt att utföra elementaranalys och bestämma isotopsamband. Mikroskopimetoder kan också vara användbara vid karakterisering av ett kärnämne.

Räkneteknik

Räknetekniker för α,β,γ eller neutroner kan användas som tillvägagångssätt för analys av nukleära kriminaltekniska material som avger sönderfallsarter. De vanligaste av dessa är alfa- och gammaspektroskopi. β-räkning används sällan eftersom de flesta kortlivade β-emittrar också avger karakteristiska γ-strålar och producerar mycket breda räkningstoppar. Neutronräkning påträffas mer sällan i analytiska laboratorier, delvis på grund av skärmningsproblem om sådana neutronemitters skulle införas i en räkneanläggning.

Alfa-partikelspektroskopi

Alfa-partikelspektroskopi är en metod för att mäta radionuklider baserat på emission av α-partiklar . De kan mätas med en mängd olika detektorer, inklusive vätskescintillationsräknare, gasjoniseringsdetektorer och jonimplanterade kiselhalvledardetektorer. Typiska alfa-partikelspektrometrar har låg bakgrund och mäter partiklar som sträcker sig från 3 till 10 MeV. Radionuklider som sönderfaller genom α-emission tenderar att skjuta ut α-partiklar med diskreta, karakteristiska energier mellan 4 och 6 MeV. Dessa energier försvagas när de passerar genom provlagren. Att öka avståndet mellan källan och detektorn kan leda till förbättrad upplösning, men minskad partikeldetektering.

Fördelarna med alfa-partikelspektroskopi inkluderar relativt billiga utrustningskostnader, låg bakgrund, hög selektivitet och goda genomströmningsmöjligheter med användning av flerkammarsystem. Det finns också nackdelar med alfapartikelspektroskopi. En nackdel är att det måste finnas betydande provförberedelser för att erhålla användbara spektroskopikällor. Dessutom behövs spektrala interferenser eller artefakter från omfattande beredning före räkning, för att minimera denna hög renhet syror. En annan nackdel är att mätningar kräver en stor mängd material vilket också kan leda till dålig upplösning. Oönskad spektral överlappning och långa analystider är också nackdelar.

Gammaspektroskopi

Gammaspektroskopi ger resultat som är konceptuellt ekvivalenta med alfapartikelspektroskopi, men kan resultera i skarpare toppar på grund av minskad dämpning av energi. Vissa radionuklider producerar diskreta γ-strålar som producerar energi mellan några få KeV till 10 MeV som kan mätas med en gammastrålningsspektrometer . Detta kan åstadkommas utan att förstöra provet. Den vanligaste gammastrålningsdetektorn är en halvledargermaniumdetektor som möjliggör en högre energiupplösning än alfapartikelspektroskopi, dock har gammaspektroskopi bara en effektivitet på några få procent. Gammaspektroskopi är en mindre känslig metod på grund av låg detektoreffektivitet och hög bakgrund. Gammaspektroskopi har dock fördelen av att ha mindre tidskrävande provprocedurer och bärbara detektorer för fältanvändning.

Masspektrometri

Massspecifika tekniker är viktiga i nukleär forensisk analys. Mass spec kan ge elementär och isotopinformation. Mass spec kräver också mindre provmassa i förhållande till räknetekniker. För nukleära kriminaltekniska ändamål är det väsentligt att masspektrometrin erbjuder utmärkt upplösning för att kunna skilja mellan liknande analyter, t.ex. ²³⁵ U och ²³⁶ U. Idealiskt bör massspecifikationen erbjuda utmärkt upplösning/massöverflöd, låg bakgrund och korrekt instrumentell funktion.

Termisk jonisering MS

Vid termisk joniseringsmasspektrometri avsätts små mängder högrenad analyt på ett rent metalltråd. Rhenium eller volfram används vanligtvis. Provet värms upp i ett vakuum av jonkällan genom att applicera en ström till filamenten. En del av analyten joniseras av glödtråden och leds sedan ner i flygröret och separeras baserat på förhållande mellan massa och laddning. Stora nackdelar inkluderar tidskrävande provberedning och ineffektiv analytjonisering.

Multi-kollektor induktivt kopplad plasma-masspektrometri

Detta är en ofta använd teknik inom nukleär forensik. I denna teknik nebuliseras ett renat prov i en spraykammare och sugs sedan in i en plasma. Den höga temperaturen i plasman leder till provdissociation och hög effektivitet av jonisering av analyten. Jonerna kommer sedan in i masspektrometern där de särskiljs baserat på massa baserat på ett dubbelfokuseringssystem. Joner av olika massor detekteras samtidigt av en bank av detektorer liknande de som används i den termiska joniseringsmassspecifikationen. MC-ICP-MS har en snabbare analys eftersom den inte kräver långvarig filamentberedning. För hög kvalitet krävs dock en omfattande provsanering. Argonplasma är också mindre stabil och kräver relativt dyr utrustning samt skickliga operatörer.

Sekundär-jon MS

SIMS är en mikroanalytisk teknik värdefull för tredimensionell analys av ett material elementär sammansättning och isotopförhållanden. Denna metod kan användas för karakterisering av bulkmaterial med en detektionsgräns i det låga intervallet för miljarddelar (10 ⁻⁹ eller ng/g). Partiklar så små som några hundra nanometer kan detekteras. Jonproduktion i denna teknik är beroende av bombardering av fasta prover med en fokuserad stråle av primära joner. De förstoftade sekundära jonerna riktas mot masspektrometrisystemet som ska mätas. De sekundära jonerna är ett resultat av kinetisk energiöverföring från de primära jonerna. Dessa primära joner tränger in i det fasta provet till ett visst djup. Denna metod kan användas för att detektera vilket element som helst, men förstoftningsprocessen är mycket matrisberoende och jonutbytena varierar.

Denna metod är särskilt användbar, eftersom den kan vara helt automatiserad för att hitta uranpartiklar i ett prov på många miljoner partiklar på några timmar. Partiklar av intresse kan sedan avbildas och analyseras vidare med mycket hög isotopprecision .

Ytterligare nukleära kriminaltekniska metoder

Flera ytterligare tillvägagångssätt kan användas vid förhör av beslagtaget kärnmaterial. I motsats till tidigare nämnda analystekniker har dessa tillvägagångssätt fått relativt låg uppmärksamhet de senaste åren när det gäller nya framsteg, och kräver vanligtvis större mängder prov.

Svepelektronmikroskop

Svepelektronmikroskopet kan ge bilder av ett föremåls yta i hög förstoring med en upplösning i storleksordningen nanometer. En fokuserad stråle av energiska elektroner skannas över provet och elektroner som en bakåtspridning eller emitterad från provytan detekteras. Bilder konstrueras genom att mäta fluktuationerna av elektroner från provstrålens skanningsposition. Dessa data är användbara för att avgöra vilken process som kan ha använts i materialproduktionen och för att skilja mellan material av olika ursprung. Mätning av tillbakaspridda elektroner belyser det genomsnittliga atomnumret för det område som skannas. De emitterade eller sekundära elektronerna ger topologisk information. Detta är en relativt enkel teknik, men prover måste vara mottagliga för att vara under vakuum och kan kräva förbehandling.

Röntgenfluorescens

Röntgenfluorescens erbjuder snabb och oförstörande bestämning av grundämnessammansättningen av ett kärnmaterial baserat på detektering av karakteristiska röntgenstrålar . Direkt provbestrålning möjliggör minimal provberedning och bärbar instrumentering för fältplacering. Detektionsgränsen är 10 ppm . Detta är långt över masspektrometri. Denna teknik tenderar att hindras av matriseffekter, som måste korrigeras för.

Neutronaktiveringsanalys

Neutronaktiveringsanalys är en kraftfull oförstörande metod för att analysera element med medelhögt till högt atomnummer. Denna metod kombinerar excitation genom kärnreaktion och strålräkningstekniker för att detektera olika material. Mätningen av karakteristisk strålning, efter att bombardementet fullbordats, är indikativt för de element av intresse. Ekvationen för produktionsprodukten ges av: $A+n\to B^{*}+\gamma$ där $A$ är startanalyten, ${\ displaystyle n}$ är den inkommande neutronen, $B^{*}$ är den exciterade produkten och $\gamma$ är den detekterade strålningen som resulterar från deexciteringen av produktarten.

Fördelarna med denna teknik inkluderar multielementanalys, utmärkt känslighet och hög selektivitet och inga tidskrävande separationsprocedurer. En nackdel är kravet på en kärnreaktor för provberedning.

Röntgenabsorptionsspektroskopi

Röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) har visats som en teknik för nukleära kriminaltekniska undersökningar som involverar uranspeciering. Både den lägre energinära kanten (XANES) och den högre energifinstrukturen ( EXAFS) analytiska metoder kan vara användbara för denna typ av karakterisering. Typiskt används XANES för att bestämma oxidationstillståndet för den absorberande uranatomen, medan EXAFS kan användas för att bestämma dess lokala atommiljö. Denna spektroskopiska metod, i kombination med röntgendiffraktion (XRD), skulle vara till störst nytta för komplexa nukleära kriminaltekniska undersökningar som involverar arter av olika oxidationstillstånd.

Objektiv färganalys

Objektiv färganalys kan utföras med hjälp av digitala bilder tagna med digitalkamera, antingen i fält eller i ett laboratorium. Denna metod utvecklades för att ersätta subjektiv färgrapportering, såsom observationer från ögonen, med kvantitativa RGB- och HSV-värden. Metoden har tidigare visats på termisk behandling av uranylperoxidpulver, som ger distinkta gula till bruna nyanser. Därför noteras denna metod som särskilt användbar för att bestämma termisk bearbetningshistoria, särskilt när färgförändringar inträffar i uranföreningar av olika oxidationstillstånd.