Quantifyng Rare Earth Element Content in High Concentrated Samples by ko-NAA

Les terres rares (REEs) sont représentés par les éléments de la série des lanthanides incluant le scandium et yttrium. Actuellement, une grande attention est donnée aux REEs à cause de leur application dans plusieurs domaines de pointe. Dans ce contexte il y a un besoin accru pour des techniques analytiques capables de caractériser une gamme large de concentrations, en commençant avec les minéraux de faible concentration, jusqu'à leur raffinage; donc ayant des hautes concentrations en REEs. Cet étude se propose d'évaluer la performance de la méthode d'analyse par activation neutronique k0 (k0-NAA) appliquée dans le Laboratoire d'analyse par activation neutronique de Polytechnique Montréal pour la détermination avec précision des REE dans des matrices minérales de haute concentration. Les principaux facteurs qui influencent la méthode ont été investigués, en incluant les données nucléaires, la température dans les sites d'irradiation, les interférences nucléaires et spectrales, l'atténuation mutuelle des rayons gamma ainsi que l'autoprotection contre les neutrons. Afin de réaliser cet objectif, des échantillons mono-élément préparé avec des solutions standard certifiées et des oxydes standard certifiés ont été irradiés, comptés et analysés. Finalement, les protocoles d'analyse ont été optimisés en termes d'irradiation, décroissance et comptage afin de réduire le temps total d'analyse. Les incertitudes introduites par les facteurs mentionnés plus haut ont été évaluées. La capacité globale de la méthode améliorée k0-NAA pour les REEs a été mise en œuvre avec un matériel standard certifié du Projet canadien pour la certification des matériaux de référence (REE-2) avec des concentrations de 7.2 mg kg-1 pour Yb jusqu'à 9610 mg kg-1 pour Ce. Les concentrations des REEs ont été mesurées avec des incertitudes plus faibles que 7% (à 95% intervalle de confiance) et ont été consistantes avec les concentrations spécifiées dans la certification du REE-2.

Abstract

The rare earth elements (REE) are comprised of lanthanide series, from lanthanum to lutetium plus scandium and yttrium. Due to the rising applications of REEs in different fields of technology a lot of attention has been drawn to the extraction of these elements. Therefore, a reliable and accurate characterization technique is required to determine variable levels of REEs starting from mineral matrices all the way to processed samples. The aim of this work is to evaluate the capability of k0-neutron activation analysis (k0-NAA) implemented at Polytechnique Montreal for accurate determination of rare earth elements in high concentrated mineral matrices. Individual factors affecting the measurements including nuclear data used for the calculations, neutron temperature effects, nuclear interferences, spectral interferences, gamma-ray self-attenuation and neutron self-shielding were investigated. Mono rare earth element standard solutions and rare earth oxides were used to investigate these phenomena separately. Several improvements were applied to the current method. Analysis protocols were optimized in terms of irradiation, decay and counting times to obtain accurate results in shorter turnaround times, and uncertainty contributions from aforementioned factors were evaluated. To validate the overall capability of the improved k0-NAA method for REE, a certified reference material (CRM) from Canadian Certified Reference Materials Project (REE-2) with REE content ranging from 7.2 mg kg-1 for Yb to 9610 mg kg-1 for Ce was used. The REE concentration was determined with uncertainty below 7% (at 95% confidence level) and proved to be consistent with the CRM certified concentrations.