Otimização da análise isotópica de UF6 utilizando-se a técnica de espectrometria de massas por quadrupolo

Optimization of the isotopic analysis of UF6 by quadrupole mass spectrometry

mass spectrometry; isotopic analysis; uranium hexafluoride

NOTA TÉCNICA

Otimização da análise isotópica de UF₆ utilizando-se a técnica de espectrometria de massas por quadrupolo

Optimization of the isotopic analysis of UF₆ by quadrupole mass spectrometry

Peterson Porto^I,*; José Oscar Vega Bustillos^II

^ICentro Tecnológico da Marinha em São Paulo, Centro Experimental Aramar, Estrada Sorocaba – Iperó, km 12,5, 18560-000 Iperó – SP, Brasil

^IIInstituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, Travessa R, 400, Cidade Universitária, 05508-900 São Paulo – SP, Brasil

ABSTRACT

A procedure for determining of the isotope ratio ²³⁵U/²³⁸U in UF₆ samples was established using a quadrupole mass spectrometer with ionization by electron impact. The following items were optimized in the spectrometer: the parameters in the ion source that provided the most intense peak, with good shape, for the most abundant isotope; the resolution that reduced the non linear effects and the number of analytical cycles that reduced the uncertainty in the results. The measurement process was characterized with respect to the effects of mass discrimination, linearity and memory effect.

Keywords: mass spectrometry; isotopic analysis; uranium hexafluoride.

INTRODUÇÃO

Para o controle do processo de enriquecimento em cascatas de enriquecimento isotópico, é essencial a determinação da razão isotópica n(²³⁵U)/n(²³⁸U) no hexafluoreto de urânio (UF₆), utilizado como gás de processo.¹ A técnica adequada a esta determinação é a espectrometria de massas.

Dentre os diversos tipos de espectrômetros de massas, o quadrupolar² foi escolhido pois atende aos requisitos de robustez, confiabilidade a longo prazo, custo, simplicidade de manutenção e precisão necessários a esta tarefa.³

Para que se possa estabelecer um procedimento analítico de rotina é necessário encontrar os parâmetros instrumentais e analíticos ideais para esta tarefa. A determinação destes parâmetros é o objetivo deste trabalho.

A razão isotópica R_m medida pelo espectrômetro de massas não é, em geral, igual à razão isotópica real R da amostra e deve ser corrigida por um fator ⁴ K . Isto é:

As principais causas da diferença entre R e R_m são:^{4- 6} discriminação de massa; não linearidade do sistema de medição; efeito memória e, influência de impurezas.

Estas causas podem se manifestar:⁷ quando da entrada da amostra na fonte de íons; por processos físicos e químicos envolvidos na produção de íons; durante a transmissão dos íons da fonte até o coletor e, nos sistemas de detecção e medição de corrente iônica.

As duas primeiras podem ser corrigidas calibrando-se o espectrômetro com o uso de uma amostra de referência certificada, isto é, uma amostra de UF₆, cuja razão isotópica verdadeira R_c é conhecida, dentro um intervalo de confiança, também conhecido. Determinando-se R_m para a amostra certificada, calcula-se a razão entre o valor certificado e o valor medido, esta razão é conhecida como fator de correção K, isto é:^4,8

onde: K = fator de correção; R_c = razão isotópica certificada do material de referência; R_cm = razão isotópica medida do material de referência.

Este fator de correção engloba todos os fatores discriminados acima e é expresso por:⁶

onde: K_d = fator de correção para a discriminação de massa; K_l = fator de correção para efeitos não lineares; K_m = fator de correção para o efeito memória; K_i = fator de correção para a influência de impurezas.

Para um dado instrumento, a influência dos parâmetros instrumentais nos fatores de correção pode ser mantida constante, se assim o forem a resolução do espectrômetro e os parâmetros elétricos da fonte de íons e do sistema de detecção. O fator de correção dependerá, então, do procedimento analítico: número de ciclos analíticos, tempo de medição de cada isótopo, pressão da amostra e do padrão, razão isotópica da amostra e do padrão.

O número de ciclos analíticos e o tempo de medição, depois de otimizados, se forem mantidos constantes para todas as medições, deixam de influenciar K. As dependências de K com a razão isotópica R e de K com a pressão P no tanque de amostragem devem ser determinadas experimentalmente. A dependência de K com P, associada à discriminação de massas, é importante, porque eventualmente as análises do padrão e da amostra desconhecida não podem ser realizadas na mesma pressão, já a importância da dependência de K com R está na faixa de valores de R que são rotineiramente analisados, entre 0,002 e 0,04.

MATERIAIS E MÉTODOS

Equipamento

Foi utilizado um espectrômetro de massas quadrupolar, modelo IMU200, marca InProcess Instruments (IPI), desenvolvido especificamente para análise isotópica de UF₆. Suas principais características são: o aparelho é dividido em duas partes: sistema de análise e sistema de introdução de amostras. O sistema de introdução de amostras divide-se em duas seções paralelas, que trabalham baseadas no princípio da expansão volumétrica. Cada seção é composta de um tanque de expansão, ligado ao analisador, e de duas entradas independentes de amostra para o tanque.

O sistema de análise é composto do filtro de massas quadrupolar, de uma fonte de íons por impacto eletrônico, envolvida por uma superfície criogênica, na qual os íon entram em fluxo molecular, e de dois detectores de íons: copo de Faraday e multiplicador de elétrons.

O sistema de introdução é bombeado, através de uma armadilha criogênica, por uma bomba difusora auxiliada por uma bomba mecânica, que mantém a pressão na faixa de 10^-7 mbar. Uma bomba iônica mantém a pressão no sistema de análise na faixa de 10^-9 mbar.

Os comandos eletrônicos do analisador e do sistema de vácuo são controlados por um microcomputador, pentium IV, por meio do qual seqüências completas de análise podem ser programadas.

Material de referência isotópico

Foram utilizadas as seguintes amostras de UF₆ com razão isotópica certificada: MRI 0.5; MRI 0.7; MRI 3.5 e MRI 4.5,⁹ cujos valores são dados na Tabela 1, onde a incerteza expandida é resultado do produto da incerteza combinada por um fator de abrangência k = 2 e define um intervalo que se estima tenha um nível de confiança de 95%.

Procedimento

O procedimento seguido pode ser dividido nas seguintes etapas: otimização da fonte de íons; determinação do número ideal de ciclos analíticos; escolha da resolução mais adequada; quantificação do fator de correção para discriminação de massas e a influência da pressão sobre ele; quantificação do fator de correção para efeitos não lineares e sua dependência com a razão isotópica e, quantificação do efeito memória

Em todos os experimentos foram usadas amostras puras de UF₆, portanto, o efeito das impurezas é nulo e K_i = 1, na Equação 3.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Otimização da fonte de íons

O objetivo da otimização dos parâmetros da fonte de íons é alcançar máxima sensibilidade, bom formato de pico e baixa discriminação de massas. A otimização foi feita no pico mais intenso do espectro de massas do UF₆, que ocorre na massa 333 u.m.a. (correspondente ao pico ²³⁸UF₅⁺). Os parâmetros da fonte foram determinados para nove diferentes valores da largura do pico ∆M₁₀ (corresponde à largura do pico medida a 10% de sua altura e é constante ao longo de todo o espectro).

Número ideal de ciclos analíticos

A razão isotópica entre os isótopos ²³⁵U e ²³⁸U é determinada medindo-se as correntes iônicas para os íons ²³⁵UF₅⁺ e ²³⁸UF₅⁺ , que têm m/z iguais a, respectivamente, 330 e 333. Destas correntes medidas deve-se descontar o valor correspondente à linha de base, isto é, a corrente indicada pelo detector quando não é atingido por íon algum. Esta corrente é medida com m/z = 327, em que não ocorre nenhum fragmento de ionização do UF₆. Assim, a razão isotópica medida R_m é:

onde I(m/z) = corrente iônica medida em m/z.

À seqüência de medição destas três correntes dá-se o nome ciclo analítico, que é composto dos seguintes passos: medição da intensidade na linha de base, medição da intensidade do pico 330, medição da intensidade do pico 333. Sendo: resultado da medição – a média aritmética dos valores das n' razões isotópicas determinadas em n ciclos analíticos e, resultado da análise – a média aritmética dos valores da razão isotópica determinados em N medições.

Otimizar o número de ciclos analíticos significa encontrar o número de ciclos n e de medições N acima do qual não haja alteração significativa no valor médio de R_m.

Os valores determinados foram: n = 15 e N entre 6 e 10.

Otimização da resolução

Para determinação da razão isotópica ²³⁵UF₅⁺/²³⁸UF₅⁺ a resolução deve ser alta apenas o suficiente para manter o pico ²³⁵UF₅⁺ livre da influência do pico vizinho ²³⁴UF₅⁺, uma vez que evitar o aumento desnecessário da resolução melhora a sensibilidade, a estabilidade e a forma do pico.¹⁰ A influência do pico vizinho pode ser quantificada calculando-se a sensibilidade à abundância. Sensibilidades à abundância alta resultam em uma maior influência do valor da razão isotópica no resultado da medição, isto é, efeitos não lineares maiores.

Dos quatro fatores que compõem o fator de correção K, dado pela Equação (3), somente dois podem depender da resolução, o fator de discriminação de massas K_d e o fator para efeitos não lineares K_l. O fator para efeito memória, além de não depender da resolução, pode ser igualado a 1, adotando-se um procedimento adequado de lavagem entre análises de amostras com razões isotópicas muito diferentes.

Neste caso o fator de correção fica:

Existem duas alternativas de otimização da resolução: encontrar um valor de resolução que faça K o mais próximo possível da unidade ou encontrar um valor de resolução que faça K_d ou K_l igual à unidade. As relações entre K_d e a resolução e K_l e a resolução são mostradas nas Figuras 1 e 2, respectivamente. A Figura 1 foi obtida a partir de análises da amostra MRI 0.7 e a Figura 2, de análises das amostras MRI 0.7 e MRI 4.5. A resolução nestas Figuras está em unidades arbitrárias, sua relação com ΔM₁₀ é apresentada na Figura 3.

A resolução 70 (∆M₁₀ = 1,81 u.m.a..) parece ser um limiar abaixo do qual ocorrem algumas mudanças de comportamento no sistema. Uma é positiva, a discriminação de massa é mínima e praticamente independente da resolução; as outras negativas, como a forma do pico achatada e os aumentos e quedas abruptos dos efeitos não lineares.

Com respeito às variações na magnitude dos efeitos não lineares, a causa provável é o aumento da sensibilidade à abundância, decorrente da redução da resolução, que aumenta a influência dos picos 329 e 331 no pico 330. Este aumento da sensibilidade à abundância pode ser observado na Figura 4.

Ao contrário da discriminação de massas, sempre presente em maior ou menor grau, Figura 1, os efeitos não lineares são praticamente desprezíveis para certos valores de resolução. Do ponto de vista analítico, entre minimizar o produto K_l.K_d ou fazer K_l = 1, é vantajoso escolher um valor de resolução que elimine os efeitos não lineares, uma vez que evita a necessidade de mais de uma amostra de referência. A influência dos efeitos não lineares é mínima em três regiões (Figura 2): entre as resoluções 40 e 50, próximo à resolução 80 e entre as resoluções 100 e 120. Para evitar a instabilidade e os problemas analíticos decorrentes dos picos achatados, que surgem para resoluções acima de 70, optou-se por trabalhar na faixa entre 40 e 50. A resolução escolhida foi a 45, onde ∆M₁₀ = 1,13 u.m.a..

Fator de correção para discriminação de massas

Para determinar o fator de discriminação de massa e sua relação com a pressão no tanque de amostragem, utilizou-se a amostra de UF₆ com razão isotópica certificada, MRI 0.7.

A razão isotópica desta amostra foi medida em 10 pressões diferentes entre 0,10 e 0,55 mbar, em cada pressão foram realizadas 6 medições.

Este procedimento foi repetido em 10 dias, para que se pudesse conhecer a reprodutibilidade, tanto dos valores medidos em cada pressão, quanto do comportamento geral da razão isotópica medida com relação à pressão.

Neste experimento K_l = K_m = 1, pois apenas uma amostra foi utilizada, portanto, K = K_d. Assim, a partir dos resultados do experimento e da Equação 2 pôde-se determinar a dependência entre K_d e a pressão (P) no tanque de expansão. O resultado pode ser visto na Figura 5, onde os pontos correspondem aos valores médios das 10 médias diárias e às barras de erro, as incertezas padrão destes valores.

Não se pode afirmar que haja uma pressão ideal para análise; a variabilidade dos valores, tanto de curto quanto de longo prazo, não se mostrou significativamente diferente entre as diversas pressões. Pressões acima de 0,40 mbar não são recomendáveis, porque reduzem o período entre as paradas de manutenção, provocam maior consumo de amostra e a intensidade do sinal decresce mais rapidamente, durante a análise, do que em pressões menores. Se a análise da amostra desconhecida e da amostra de referência puderem ser feitas na mesma pressão, qualquer pressão abaixo de 0,40 mbar dará bom resultado. Entretanto, isto requererá intervenção cuidadosa do operador, para que a pressão, ou intensidade do sinal, seja idêntica nas duas análises. Como o objetivo é um procedimento que possa ser realizado de maneira automática pelo espectrômetro, que não permite um ajuste tão acurado das pressões, o procedimento deve levar em conta que possa existir diferença entre as pressões de análise do padrão e da amostra.

Portanto, deve-se escolher uma região de pressões de trabalho e não apenas uma pressão. Não existe nenhuma região em que K_d se mantenha constante, mas existem duas regiões de comportamento linear, uma, entre as pressões 0,15 e 0,30 mbar; outra, entre as pressões 0,30 e 0,40 mbar. Deste modo, medindo-se a razão isotópica de uma amostra de referência em duas pressões distintas, dentro de uma mesma região linear, pode-se determinar uma função K_d(P) = cP + d. Na Figura 5 são mostradas curvas ajustadas para as duas faixas de pressão (linhas retas contínuas), juntamente com curvas representando os valores ajustados mais ou menos a incerteza do ajuste (linhas tracejadas). Conhecendo-se os parâmetros desta equação pode-se determinar o fator de correção a ser usado para qualquer amostra desconhecida, desde que sua pressão esteja na região de pressões para a qual a equação determinada é válida.

Fator de correção para não linearidade

O fator de correção para não linearidade K_l foi determinado com o uso das quatro amostras certificadas, MRI 0.5; MRI 0.7; MRI 3.5 e MRI 4.5. Durante 10 dias foram realizadas 10 medições diárias de cada uma dessas amostras. Procedimentos de lavagem foram adotados para evitar efeito memória entre as análises de amostras diferentes, de modo que K_m = 1.

Os valores de <R_m> (razão isotópica medida média) foram corrigidos para discriminação de massa com o uso da Equação 2, onde K_d (0,200) = 0,9800 e a incerteza padrão, u(K_d) = 0,0007. Os valores corrigidos <R_m>_corr foram inseridos na Equação 2 e os valores obtidos para K_l = K_l(R) são apresentados na Figura 6.

O valor ideal para o fator de não linearidade é K_l = 1, que significa que não ocorrem efeitos não lineares. Pode-se observar na Figura 6 que, dentro da precisão dos resultados, os efeitos não lineares na faixa de razões isotópicas analisadas podem ser desconsiderados. O valor médio obtido para K_l(K_l = 0,9994 com incerteza padrão u_Kl = 0,0009) é aproximadamente 1.

Apesar de não ser necessária a correção de não linearidade, a sua incerteza deve fazer parte da incerteza do fator de correção K.

Avaliação do efeito memória

O efeito memória é causado pela reação de troca isotópica entre o UF₆ gasoso e o UF₄ previamente formado nas paredes da fonte de íons ou do tanque de expansão. A influência do efeito memória foi medida usando-se duas amostras diferentes de UF₆ com razão isotópica certificada, MRI 0.5 (amostra A) e MRI 4.5 (amostra B). O efeito memória é avaliado pelo fator de memória M definido na Equação 6.

O fator de memória M_f da fonte de íons foi medido introduzindo-se cada uma das amostras, A e B, em um dos tanques do espectrômetro e medindo-se alternadamente, 8 vezes, a razão isotópica de cada amostra. O resultado encontrado foi M_f= 1,000 com desvio padrão s_f= 0,001.

O fator de memória M_t do tanque de expansão foi medido introduzindo-se, alternadamente, 5 vezes, cada uma das amostras, A e B, em um mesmo tanque do espectrômetro e medindo-se sua razão isotópica. O resultado encontrado foi M_t = 1,003 com desvio padrão s_t = 0,003.

Portanto, nenhum efeito memória foi detectado na fonte de íons. Os tanques de amostragem apresentam efeito memória, embora pequeno, mas em análises em que maior precisão seja requerida, é necessária a lavagem do tanque com o gás a ser analisado.

CONCLUSÕES

As análises isotópicas devem ser feitas com 6 a 10 medições sucessivas da razão isotópica, com 15 ciclos analíticos em cada medição.

Embora minimize a discriminação de massa, ∆M₁₀ =1,81 u.m.a. não é a largura ideal de pico para as análises, porque não minimiza os efeitos não lineares. A largura ideal de pico é ∆M₁₀ = 1,13 u.m.a., visto que neutraliza os efeitos não lineares.

Não existe uma pressão ideal para análise, mas a faixa mais adequada vai de 0,15 a 0,40 mbar; abaixo de 0,15 mbar o ajuste de pressão torna-se muito trabalhoso e acima de 0,40 mbar a contaminação da fonte torna a necessidade de manutenção mais freqüente.

A dependência entre a razão isotópica medida e a pressão mostrou-se linear em duas faixas de pressão: a primeira, entre 0,15 e 0,30 mbar e a segunda, entre 0,30 e 0,40 mbar. Conseqüentemente, nestas faixas de pressão, existe uma relação linear entre o fator de correção para discriminação de massa K_de a pressão.

Entre 0,15 e 0,40 mbar qualquer pressão é adequada, desde que as análises da amostra de referência e da amostra desconhecida sejam realizadas à mesma pressão.

O procedimento totalmente automático não permite um ajuste tão rigoroso das pressões. Neste caso, a amostra de referência deve ser analisada em pelo menos duas pressões diferentes dentro de uma das faixas de linearidade, para a determinação de uma função K_d(P), válida para a faixa de pressões. Os valores obtidos nas análises da razão isotópica de amostras desconhecidas serão corrigidos pelo K_d(P) correspondente à pressão em que a análise foi executada.

Os efeitos não lineares, na faixa de razões isotópicas analisada, podem ser desconsiderados K_l = 1, entretanto, sua incerteza deve ser computada na incerteza de uma determinação de razão isotópica. Esta linearidade do sistema permite que todas as amostras de rotina sejam corrigidas por uma mesma amostra de referência, independentemente de sua razão isotópica real, desde que suas razões isotópicas estejam dentro da faixa de razões analisada neste experimento.

O efeito memória na fonte de íons, dentro da faixa de razões isotópicas analisada, pôde ser considerado nulo.

O efeito memória devido às linhas de introdução e ao tanque de expansão, embora baixo, foi uma ordem de grandeza superior ao da fonte, mas pode ser eliminado seguindo-se um procedimento de lavagem dos tanques, toda vez que amostras de razões isotópicas diferentes forem analisadas, sucessivamente, no mesmo tanque.

Recebido em 24/11/06; aceito em 14/11/07; publicado na web em 31/7/08

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  10 Out 2008
• Data do Fascículo
  2008

Histórico

• Recebido
  24 Nov 2006
• Aceito
  14 Nov 2007