第2章中子活化分析.ppt

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1、1,核分析基础及应用,成都理工大学 李丹,第二章 中子活化分析成都理工大学 核自学院,核分析基础及应用,2,主要内容,概述第一节 中子活化分析原理第二节 快、慢中子活化分析技术第三节 中子活化分析技术的应用第四节 中子瞬发射线活化分析,核分析基础及应用,3,概 述,中子活化分析是一种有效的核分析技术，在微量和痕量元素分析中占有重要的地位。发展：19世纪末、20世纪初，法国物理学家贝克勒耳和居里夫妇发现了放射性，居里夫妇提炼出放射性元素镭；英国科学家卢瑟福等人发现了放射性衰变规律并建立了原子模型。这一切都为活化分析奠定了理论基础。,核分析基础及应用,4,概 述,发展：1932年英国物理学家查德威

2、克发现了中子。这一发现引起了科学家们的极大兴趣，他们用中子来研究各种反应。1936年化学家海维希和列维进行了历史上第一次中子活化分析。他们测定了氧化钆中的镝，定量分析的结果为10-3克/克。1938年美国化学家西博格和利文格德用加速器氘束测定了纯铁中的镓，进行了第一次带电粒子活化分析。,核分析基础及应用,5,概 述,发展：1942年建成了可提供比同位素中子源要高得多的通量的反应堆，1948年出现了NaI 闪烁探测器，在此基础上雷第考脱等人于1951年首次用反应堆进行热中子活化分析法。用活化分析能测定ppm以至ppbXe。此时，中子发生器，多道能谱分析器等供活化分析用的仪器相继问世，使得活化分析

3、成为当时具有最高灵敏度的分析方法。,核分析基础及应用,6,概 述,发展：60年代初期出现了半导体探测器使分辨率提高了好几十倍，锗探测器的应用使一次照射便可同时测定四五十种元素，计算机的应用更把活化分析推向一个新的领域。,核分析基础及应用,7,概 述,从原先的放射化学分离中子活化分析发展到如今的仪器中子活化分析，成为高灵敏度、多元素、非破坏性元素分析的可靠方法。目前慢中子和快中子活化分析，几乎能分析所有核素；分析灵敏度为ppm，甚至可达ppb；一次能同时分析3040个核素；可分析寿命非常短的放射性核素甚至可做中子俘获瞬发射线活化分析；自动化程度很高。,核分析基础及应用,8,概 述,应用作为一种常

4、规的元素定量分析方法，广泛用于生物医学、环境、地质、冶金、半导体工业、考古、刑侦等；作为验证其它分析方法可靠性的一种检测手段，在许多场合用于对比测量。,核分析基础及应用,9,概 述,新进展进一步提高测量精确度、分析效率及提高分析灵敏度、选择性改善辐照设备、谱仪和谱的分解及计算机程序,核分析基础及应用,10,第一节 中子活化分析原理,中子活化分析：用中子辐照样品，使原子核发生核反应，生成具有一定寿命的放射性核素，然后对生成的放射性核素进行鉴别，从而确定样品中的核素成分和含量的一种分析方法。,核分析基础及应用,11,第一节 中子活化分析原理,核分析基础及应用,靶样品在中子束照射下，通过(n,)，(

5、n,)，(n,p)的等反应生成放射性核素，处理照射样品，测量放射性活度和射线能量，可以确定靶样品中某种核素的含量和种类。,irradiation,measurement,12,第一节 中子活化分析原理,（n,)中子活化分析：用中子照射稳定核素，稳定核素吸收中子变成放射性核素，发射射线，测量射线的能量和强度可以得知原来稳定核素的元素名称和含量。“核指纹”：不同放射性同位素的半衰期和发射射线的能量都是不同的，如同人的指纹一样；没有发现两个不同的放射性同位素有相同的半衰期或 射线能量。不同的稳定元素被中子照射，活化生成不同的放射性同位素，其半衰期和 射线能量也是不同的。中子活化分析就是根据获得样品的

6、“核指纹”特征，判别材料中含有的元素及其含量。,核分析基础及应用,13,第一节 中子活化分析原理,特点：1）高灵敏：ppm（10-6）1 微克/1克 ppb（10-9）10-3 微克/1克 2）多元素：一次同时可分析 30-40 种核素 3）非破坏：利用原样品 ppm parts per million ppb parts per billion ppt parts per trillion,核分析基础及应用,14,第一节 中子活化分析原理,中子活化分析过程：1）样品制备2）中子辐照3）样品冷却冷却12 d，测量元素As、Na、K等；冷却46 d，测量元素La、Sm、Br、U、Ca等；冷却12

7、15 d，测量元素Ba、Cr、Co、Fe、Zn、Ce、Sc、Nd、Sb、Yb、Lu、Hf、Th、Ta、Tb、Eu、Zr、Cs等 4）测量 5）数据处理,核分析基础及应用,15,第一节 中子活化分析原理,（n,)中子活化分析步骤,核分析基础及应用,16,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 样品在一定能量的中子辐照下,通过(n,)、(n,)、(n,P)、(n,2n)等核反应生成放射性核素。样品中放射性活度随时间的变化关系：,核分析基础及应用,三个时间标志。t0辐照时间,t1-t0冷却时间,t2-t1测量时间。,17,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 样品中放射性活度随时间的变化关

8、系：,三段时间内放射性活度的表达式？,核分析基础及应用,18,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 辐照时放射性核素的产额 设样品中的原子总数为Nt；中子能量为E，单能中子通量密度为，且 不随时间变化，不考虑中子通量衰减；为中子与样品中原子核发生反应的截面(活化截面)。样品在中子辐照下放射性核的产生率为：与此同时，已生成的放射性核素发生衰变，衰变率(活度)为：辐照时某一时刻的放射性核数目的变化率为：,核分析基础及应用,19,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 辐照时放射性核素的产额某一时刻的放射性核数目的变化率某时刻的放射性核素,解方程,利用t=0时,N=0,辐照时间t0，t0时

9、刻的放射性核素,t0时刻的放射性活度,饱和因子,核分析基础及应用,20,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 辐照时放射性核素的产额t0时刻的放射性活度,1）当辐射时间为2个半衰期时，放射性活度为最大值的75%；2）当辐射时间为7个半衰期时，放射性活度为最大值的99.2%，只增加22%；3）当辐射时间小于1个半衰期时，放射性活度的增长与时间近似成线性关系；4）当辐射时间足够长时，放射性活度达到饱和值A()。,核分析基础及应用,21,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 冷却时间内的放射性活度停止辐照后，放射性核衰变，冷却到某时刻t未发生衰变的放射性核数为：,某时刻t活度为：,核分析

10、基础及应用,22,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 冷却时间内的放射性活度在冷却时间内，放射性核衰变，冷却到时刻t1未发生衰变的放射性核数为：,活度为：,核分析基础及应用,23,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 测量阶段的放射性计数在测量时间间隔t2-t1内，样品中放射性核衰变的总数：,核分析基础及应用,24,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 测量阶段的放射性计数在测量时间间隔t2-t1内，样品中放射性核衰变的总数：,中子活化生成的放射性核素，可用射线探测器测量它所放出的射线的能量和强度。假定衰变时只有一种衰变方式，且只放出一种能量的射线，探测系统的总绝对效率t

11、为,为探测器对一定能量射线的本征效率,为探测器对样品所张的立体角,t2-t1内记录到得射线总计数：,（1）,核分析基础及应用,25,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 测量阶段的放射性计数由停止辐照后某一时刻t的活度停止辐照后某一测量时间t记录到的射线强度,（2）,核分析基础及应用,26,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 测量阶段的放射性计数当生成的放射性核素还存在着其他衰变方式(例内转换)和发射几组不同能量的射线时，t2-t1内记录到的某一能量的射线的总计数表达式(1)和时刻t测得的某一能量的射线强度表达式(2)应乘上修正因子1/1+和f,（3）,（4）,核发射射线的几率，

12、为内转换系数,放射性核素发射某一能量射线的强度比(分支比),核分析基础及应用,27,第一节 中子活化分析原理,一、活化分析公式 测量阶段的放射性计数,（3）,（4）,样品的重量W来表示待测元素的含量；M待测元素的原子量；NA阿伏伽德罗常数；待测元素的丰度,样品中原子总数,中子活化分析中的基本公式,当辐照和放射性测量的一些参数，以及有关的核数据等已知时，可从基本公式计算出样品中待测元素的浓度,核分析基础及应用,28,第一节 中子活化分析原理,二、中子能量、通量和反应截面 前面基本公式的推导都是基于这样的假设:入射到样品上的中子通量密度和核反应截面都是单能中子的通量密度和截面值当辐照源的中子能量不

13、是单能时，必须考虑中子通量密度分布和中子活化截面随能量的变化。放射性核的产生率：,(E)单位能量间隔内的中子通量密度,对于中子阈能反应，能量小于Eth时(E)=0,上式改写为：,在活化分析的定量计算时，应根据具体的辐照中子源条件，对不同的中子能区采用相应能量下的中子通量密度和截面值,核分析基础及应用,29,第一节 中子活化分析原理,二、中子能量、通量和反应截面 反应堆中子的能量、通量和反应截面,理想的慢化条件下,慢化区无限大,慢化剂不吸收中子,慢化材料的原子是自由粒子,核分析基础及应用,30,第一节 中子活化分析原理,反应堆中子的能量、通量和反应截面（1）热区,中子速度是慢化剂处于热平衡时的速

14、度，其分布为麦克斯韦分布。在20时的最可几速度V0为2200m/s，相应的中子能量0.025eV，这种中子称为热中子。镉截止能量ECd=0.55eV。Cd对热中子的吸收截面很大,能量小于ECd的中子通过Cd片时被吸收,只有能量较高中子才能穿过。E ECd,镉下中子；E ECd,镉上中子。,核分析基础及应用,31,第一节 中子活化分析原理,反应堆中子的能量、通量和反应截面（1）热区(n,)热区中子活化时，每个样品原子的放射性产生率：,n(V)单位速度间隔内中子密度,热中子的密度：,通量密度,活化截面,速度为v的中子的活化截面(v)，热区中子与原子核作用的总截面遵循1/v定律，0热中子活化截面，v

15、0最可几速度,0=n0v0热中子通量密度,核分析基础及应用,32,第一节 中子活化分析原理,反应堆中子的能量、通量和反应截面（2）中能区镉上中子(或超热中子)为中能区中子。理想慢化介质下，超热中子能量分布为1/E分布，即,图1.2,e单位对数能量间隔内的超热中子通量密度,中能中子与原子核作用的总截面存在许多共振峰，故中能区也称共振区。,布赖特-维格纳共振截面,1/v截面曲线1/v（v）的尾部,核分析基础及应用,33,第一节 中子活化分析原理,反应堆中子的能量、通量和反应截面（2）中能区热区+中能区，统称慢区。用慢区中子做活化分析时，每个样品原子通过(n,)反应生成为放射性核的产生率：,图1.2

16、,vCd对应于ECd时的中子速度,镉下中子对活化的贡献,镉上中子的贡献,核分析基础及应用,34,第一节 中子活化分析原理,反应堆中子的能量、通量和反应截面（2）中能区放射性核的产生率：,th=v0nth为镉下热中子通量密度，nth为镉下热中子密度,代入,共振积分截面,核分析基础及应用,35,第一节 中子活化分析原理,反应堆中子的能量、通量和反应截面（2）中能区放射性核的产生率：,如辐照时样品包上Cd片后，镉下中子对活化没有贡献，第一项就为零。,核分析基础及应用,36,第一节 中子活化分析原理,反应堆中子的能量、通量和反应截面（3）快区反应堆中快区中子的能谱为裂变能谱。这能区的中子通量密度弱，只

17、占总通量密度的百分之几。,(n,p)、(n,)、(n,2n)、(n,n)、(n,)反应活化样品。(n,)反应截面很小，(n,p)、(n,)等反应是阈能反应，反应截面比热中子活化截面小很多，所以快中子对活化的贡献较小。,核分析基础及应用,37,第一节 中子活化分析原理,加速器中子的能量、通量和反应截面加速器上带电粒子核反应产生的中子是快中子，在一定的中子发射方向可以获得单能的快中子，中子的通量密度比反应堆中热中子通量密度弱得多。加速器中子的活化分析中以14MeV快中子的活化分析最为重要。辐照时，样品原子的放射性产生率,14MeV中子的反应截面14MeV中子的通量密度,核分析基础及应用,38,第一

18、节 中子活化分析原理,三、标准化方法 做中子活化分析时，为求得样品中元素的浓度，需确定测量的标准化方法，即采用绝对测量方法还是相对测量方法。绝对测量法要求活化时的中子通量分布、截面、探测效率、放射性核的有关核参数等都为已知，然后再按公式计算元素浓度。相对测量法是将待分析样品与已知浓度的标准样品作比较测量，从而求得元素浓度。,核分析基础及应用,39,第一节 中子活化分析原理,三、标准化方法 相对测量法原理：将待分析样品与相同材料但含量已知的标准样品在相同的中子能量和通量条件下辐照，并在相同的测量条件下测量它们的放射性，比较它们的放射性活度就可以求得待分析样品中元素含量。,核分析基础及应用,40,

19、第一节 中子活化分析原理,相对测量法某时刻记录到的射线强度,核分析基础及应用,对待分析样品：,对标准样品：,待分析样品的元素含量：,41,第一节 中子活化分析原理,相对测量法某时间间隔内记录到的射线总计数,核分析基础及应用,对待分析样品：,对标准样品：,待分析样品的元素含量：,42,第一节 中子活化分析原理,相对测量法优点：不必知道辐照时的中子通量密度绝对值和探测器绝对效率。要求待测样品和标准样品所受到的辐照中子通量密度相同为避免中子自屏蔽和射线自吸收修正，要求对每一种待测样品中每一种待测元素，有与待测样品组成成分和形状相同的标准样品相对测量法的测量准确度较高，主要取决于标准样品的准确度。,核

20、分析基础及应用,43,第一节 中子活化分析原理,绝对测量法要求知道中子通量密度绝对值和探测器绝对效率，以及有关的核参数的精确数值，才能计算出元素含量。中子通量密度通过中子通量监测器样品的活化分析确定。常用样品元素：Au、Zn、Fe、Cu、Ni等。要求参数准确度好，但某些参数准（活化截面、核发射射线的分支比参数）确度不高，绝对测量法的准确度往往比相对测量法差。为避免在绝对测量法中使用不精确的核数据给分析结果带来误差，提出了单标准法（或称单比较器法）。,核分析基础及应用,44,第一节 中子活化分析原理,单标准法在做多元素活化分析时，单标准法比相对测量法优越，特别适用于只想知道元素浓度相对变化情况的

21、那些分析中。此方法比较容易实现自动化。测量准确度与相对法的准确度接近，测量精确度较好。,核分析基础及应用,45,第二节 快、慢中子活化分析技术,按中子能量范围的不同，中子活化分析可分为：慢中子活化分析和快中子活化分析。慢中子活化是通过(n,)俘获反应生成放射性核素。大多数核的慢中子活化截面很大，故分析灵敏度高。快中子活化是通过(n,)、(n,)、(n,2n)和(n,n)阈能反应生成放射性核素。快中子的活化截面比慢中子的活化截面小，但对轻元素分析具有较高的分析灵敏度。快、慢中子活化分析技术包括：辐照源的选择、样品制备和处理、干扰反应影响的考虑、放射性测量和数据处理等实验方法和技术。,核分析基础及

22、应用,46,第二节 快、慢中子活化分析技术,一、常用的中子核反应热中子核反应,核分析基础及应用,47,第二节 快、慢中子活化分析技术,一、常用的中子核反应14MeV快中子核反应,核分析基础及应用,48,第二节 快、慢中子活化分析技术,二、中子活化分析设备中子活化分析设备主要有：辐照中子源、样品传送设备及必要的放射化学分离设备、射线能量和强度测量设备，以及数据记录和处理设备。辐照源1）反应堆中子源(Nuclear reactor)四个基本部分构成：活性区（堆芯）、反射层、屏蔽层和控制系统。在活性区和反射层中都设有许多辐照孔道，用来放置接受中子照射的样品,核分析基础及应用,49,第二节 快、慢中子

23、活化分析技术,1）反应堆中子源,核分析基础及应用,50,第二节 快、慢中子活化分析技术,1）反应堆中子源,核分析基础及应用,51,第二节 快、慢中子活化分析技术,1）反应堆中子源热中子通量密度高达10121015中子/cm2.s，可做高灵敏度痕量元素分析。每一辐照孔道中，沿反应堆纵向和横向的中子通量密度分布是不均匀的，各孔道之间的中子通量密度分布情况也不相同。活化分析前，应对每一个孔道中的中子通量密度及其分布进行实验测定。对不同反应堆，在辐照样品所占有的空间范围内，中子通量密度的不均匀性一般为26%。,核分析基础及应用,52,第二节 快、慢中子活化分析技术,1）反应堆中子源堆中子活化分析的特点

24、：1）分析灵敏度高。对于一般地质类样品，大部分元素的分析检出限可达10-7 gg-1，经过前处理的样品检出限更低。非常擅长分析痕量元素和一些超痕量元素。2）分析的精确度好。样品经活化后，受外界影响小，采用相对法测量的线性好。3）不破坏样品。一般地质类样品无需化学处理，样品经研磨、制备后，即可入堆辐照，直接测量。4）分析的用样量小。用样量一般在10100mg范围内。5）可同时进行多元素的定性、定量分析，分析效率较高。,核分析基础及应用,53,第二节 快、慢中子活化分析技术,1）反应堆中子源堆中子活化分析的特点：,核分析基础及应用,地质样品中部分元素中子活化分析检出限,54,第二节 快、慢中子活化

25、分析技术,2）加速器中子源(Accelerator based nuclear reaction)主要由离子源、加速系统和靶三部分组成。根据加速系统产生高压电场的方式或粒子加速方式的不同，目前用作中子源的加速器主要有：高压倍加器（或中子发生器）、静电加速器（包括串列式）、回旋加速器和直线加速器。,核分析基础及应用,55,第二节 快、慢中子活化分析技术,2）加速器中子源,核分析基础及应用,56,第二节 快、慢中子活化分析技术,2）加速器中子源产生中子的核反应有(d,n)、(p,n)、(,n)、(,n)。1.(p,n)中子源:7Li(p,n)7Be;3H(p,n)3He 2.(d,n)中子源:2H

26、(d,n)3He;3H(d,n)4He T(d,n)4He反应是最常用的核反应，用100200keV高压倍加器做成中子发生器能获得产额为109中子/cm2.s，比D(d,n)3He反应的中子产额高100倍。中子发生器价格便宜，操作方便、易于推广使用，甚至可以做成小型中子管用于地质勘探。,核分析基础及应用,57,第二节 快、慢中子活化分析技术,辐照源3）同位素中子源（Radioisotope）同位素中子源是由放射性同位素放出的粒子或射线与轻核反应产生中子，例如210Po-Be，241Am-Be(,n)反应中子源，124Sb-Be(,n)反应中子源。自发裂变中子源(Spontaneous fiss

27、ion)：252Cf优缺点：同位素中子源的热中子通量比反应堆中的低得多，与中子发生器上慢化后的热中子通量大小差不多。,核分析基础及应用,58,第二节 快、慢中子活化分析技术,样品传送装置样品装在特殊的容器（称跑兔）内，通过气动传送装置将它们迅速准确地送到辐照位置，辐照完后再由这传送装置将样品快速送到测量部位。避免了高辐照剂量对人体的危害，同时能满足做短寿命核素活化分析的需要。,核分析基础及应用,59,第二节 快、慢中子活化分析技术,样品传送装置,核分析基础及应用,气动传输辐照装置（跑兔）示意图,60,第二节 快、慢中子活化分析技术,样品传送装置,核分析基础及应用,气动传输管道传送样品的简单示意

28、图1、2.送气管；3、4.排气管；5、6、7、8.气阀；9.样品传输管；10.辐照孔道；11.样品盒；12.填充物；13.样品（片状）；14.样品固定装置,61,第二节 快、慢中子活化分析技术,样品传送装置由于样品包装容器辐照时可能产生放射性，且长期辐照后材料会因辐射而损伤包装材料和跑兔选用：纯度高、活化截面小和耐辐照的材料，如二氧化硅、聚乙烯等。为避免辐照时由于吸收射线和其他辐射产生的热量，传送管道是需冷却的，样品等也应尽量保持良好的热传导。,核分析基础及应用,62,第二节 快、慢中子活化分析技术,样品传送装置跑兔满足短寿命核素活化分析的需要：测量的核素为短寿核素，冷却时间不能过长，因此每次

29、只辐照一份样品或标样，一组试样及标样是逐个辐照，依次测量的。辐照时间一般为数十秒到数十分钟，冷却时间一般为几分钟。由于每份样品（包括标样）的辐照时间和冷却时间互不相同，计算过程中要引入辐照时间和冷却时间的修正。对于一般地质样品，能够分析的元素有Al、Ba、Br、Ca、Cl、Cu、Dy、Ge、I、In、K、Mg、Mn、Na、Ni、S、Si、Sr、Th、Ti、Tl、U、V。,核分析基础及应用,63,第二节 快、慢中子活化分析技术,射线探测器活化后放射性核素发射的射线能量和强度，用常规的核粒子探测器测量。,核分析基础及应用,粘土页岩样品中子活化能谱图,64,第二节 快、慢中子活化分析技术,射线探测器

30、以前用NaI(Tl)探测器，后多用Ge(Li)或高纯Ge探测器测量射线，配以多道脉冲幅度分析器和计算机数据处理系统，可以进行自动化分析。Ge(Li)探测器特点：能量分辨率好，探测效率低。,核分析基础及应用,65,第二节 快、慢中子活化分析技术,射线探测器,核分析基础及应用,66,第二节 快、慢中子活化分析技术,射线探测器两个基本概念1）仪器中子活化分析：使用高分辨率谱仪和解谱程序省去样品活化后的放射化学分离步骤，实现对样品进行非破坏性、多元素分析。称这种分析方法为仪器中子活化分析（记为INAA）2）放射化学中子活化分析：在某些情况中，为提高分析灵敏度和元素鉴别能力，必要的放射化学分离步骤是需要

31、的。这时样品结构被破坏，称这种分析方法为放射化学中子活化分析（记为RNAA）为避免或减少化学分离步骤，有时可采用符合测量、康普顿补偿等计数装置和技术。,核分析基础及应用,67,第二节 快、慢中子活化分析技术,三、样品制备样品制备的重要性：分析结果的可靠性和准确性。需考虑哪些因素？1）样品的大小、状态2）样品的包装3）样品的采集4）制备和辐照过程中的沾污、挥发、吸附等例：从分析灵敏度考虑，样品应大些，但太大影响中子通量密度分布和引起射线的自吸收。几克重量的样品将会造成中子自屏蔽效应。,核分析基础及应用,68,第二节 快、慢中子活化分析技术,三、样品制备各种样品如何制备？1）固体样品，切割成合适大

32、小的薄片即可。2）粉末样品，可密封在一个容器内，或压成薄片，用纯Al箔或清洁的滤纸包装。作标准样品时，粉末应充分混合均匀。3）液体、气体样品，可密封在石英安或聚乙烯容器内。4）生物样品，可通过冷冻干燥、粉碎后压成片状，采样时可使用石英刀或Ti刀以减少污染。5）气溶胶样品，可采集在多孔滤膜上，然后包装压成薄片。包装用的Al箔、滤纸可单独压成样品进行辐照，以便以后样品分析的数据处理时扣除包装材料的本底元素浓度。,核分析基础及应用,69,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应中子活化分析中的干扰？1）不同元素通过不同核反应形成同一种被用来作鉴定的放射性核素；2）生成的不同放射性核素的半衰期相近

33、及发射的射线能量差小于探测器能量分辨率；3）某种放射性核素衰变后的子核与待鉴定的核素相同；4）测量射线时的其它本底干扰；等。来自于核反应的干扰包括：初级反应和次级反应两种。,核分析基础及应用,70,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应初级干扰反应定义：不同元素通过不同中子反应道形成相同的放射性核素 实例：待分析元素X，通过(n,)反应生成放射性核素Y。测定核素Y，可确定X的种类和含量。,核分析基础及应用,样品中有元素X，通过(n,p)反应生成放射性核素Y。,样品中有元素X，通过(n,)反应生成放射性核素Y。,71,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应初级干扰反应定义：不同元素通

34、过不同中子反应道形成相同的放射性核素,核分析基础及应用,-Z,A-Z+1,A+1-Z+2,A+4,72,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应初级干扰反应常见的初级干扰反应,核分析基础及应用,干扰反应,干扰反应,干扰反应,干扰反应,73,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应初级干扰反应其它的初级干扰反应：裂变反应。稀土元素的中子活化分析时，这种干扰比较严重。,核分析基础及应用,74,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应初级干扰反应初级干扰反应的严重程度取决于：1）样品中干扰元素的相对含量2）中子通量分布3）活化截面,核分析基础及应用,75,第二节 快、慢中子活化分析技术,

35、四、干扰反应初级干扰反应初级干扰反应的特点：1）一般来说，除非在辐照前对样品进行元素分离外，这类干扰是难以排除的。2）选择合适的中子能区，可以减少干扰核反应产额。3）如果干扰元素是样品的基体元素，则即使干扰反应截面较小，这时也会造成严重的干扰。4）当用纯的热中子做活化分析时，(n,)反应截面大，(n,p)、(n,)干扰反应不存在；在快中子活化分析中，因(n,p)、(n,)、(n,2n)反应截面大致是同数量级，干扰比较严重。,核分析基础及应用,76,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应初级干扰反应初级干扰反应的排除：1）样品的元素分离2）用纯热中子，增大（n,）反应3）由反应阈能改变中子

36、能量4）通过另外的核反应，测定干扰元素含量,核分析基础及应用,77,第二节 快、慢中子活化分析技术,初级干扰反应的排除举例通过 19F(n,p)反应，测定 19F 含量，以排除 19F 的干扰，从而测定16N含量。,核分析基础及应用,78,第二节 快、慢中子活化分析技术,核分析基础及应用,此反应干扰了用,对碳氢化合物中N元素的分析,13N,四、干扰反应次级干扰反应定义：(n,)、(n,p)、(n,)反应生成的射线，质子和粒子与某些原子核发生核反应，生成了待鉴定的放射性核素，称为次级干扰核反应。实例：14MeV中子辐照聚乙烯样品时，中子与样品中的氢原子发生n-p碰撞，反冲质子能量很高，可与B、C

37、等元素发生,此反应干扰了用,79,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应其它干扰其它干扰：样品中含量多的元素或基体元素的活化产物，经过-、+及电子俘获衰变成待测元素的稳定同位素，然后再被活化成待鉴定的放射性核素。实例：分析Os样品中的Ir,核分析基础及应用,80,第二节 快、慢中子活化分析技术,四、干扰反应其它干扰此外：样品中天然放射性物质的高能射线本底干扰，以及样品包装材料可能引起的干扰反应。例如：包装材料Al,核分析基础及应用,81,第二节 快、慢中子活化分析技术,五、放射性活度测量和核素鉴别辐照生成的放射性核素的活度或者射线强度测量有三种方法：1）衰变曲线法2）能谱法3）能谱和衰变

38、曲线法的结合,核分析基础及应用,82,第二节 快、慢中子活化分析技术,五、放射性活度测量和核素鉴别衰变曲线法测量放射性核素的衰变曲线，从衰变曲线的分析可以确定被测核素的半衰期，而且能在样品基体元素和其他杂质元素的干扰存在的情况下鉴别出待测元素种类和确定其活度。使用范围：适合于短寿命核素的测定。短寿命核素分析所需的辐照时间短，测量时间也短，分析速度很快。,核分析基础及应用,83,第二节 快、慢中子活化分析技术,五、放射性活度测量和核素鉴别能谱法用Ge(Li)或高纯Ge谱仪测量放射性核素发射的射线能谱，由射线全能峰能量鉴别待测核素种类，并由射线全能峰面积计数和测量时间以及全能峰探测效率，按基本公式

39、计算出该元素的含量。使用范围：当两种放射性核素的半衰期几乎相同，化学分离又很困难，而且射线能量又十分接近的情况下，只能用能谱测量法，并对能谱进行分解，才能鉴别核素。,核分析基础及应用,84,第二节 快、慢中子活化分析技术,五、放射性活度测量和核素鉴别能谱和衰变曲线法的结合选定一定能量的射线，测量核素的半衰期，从而提高元素鉴别能力。使用范围：这种测量方法在实际应用中用得较多，尤其是对于+衰变放射性核素的测量，通常是在谱上选0.511MeV湮没光子测衰变曲线。,核分析基础及应用,85,第二节 快、慢中子活化分析技术,五、放射性活度测量和核素鉴别中子活化分析的准确度和灵敏度1)准确度。中子活化分析的

40、误差来源？样品制备的准确性；辐照的均匀性；测量条件的重复性；计数的统计涨落；记录系统的死时间；有关核参数的准确性；干扰反应；等因素在有化学分离步骤时，还与分离过程中待测放射核素的回收率准确度有关。,核分析基础及应用,一般仪器中子活化的准确度能达5%,86,第二节 快、慢中子活化分析技术,五、放射性活度测量和核素鉴别中子活化分析的准确度和灵敏度2）灵敏度痕量元素分析，鉴测样品中杂质元素含量的最低浓度水平是衡量一种分析技术好坏的重要指标。中子活化分析中，一定辐照和测量条件下，元素探测的下限为：,核分析基础及应用,B为本底计数，B、LD以计数为单位,95%置信度时可测到的信号净计数最低水平,87,第

41、二节 快、慢中子活化分析技术,五、放射性活度测量和核素鉴别中子活化分析的准确度和灵敏度2）灵敏度通过校正因子（灵敏度因子）S0，可换算到以重量为单位的探测限大小。,核分析基础及应用,S0单位：计数/mg、计数/ug、计数/ppm,中子活化分析的探测下限(分析灵敏度)可达1ppb(10-9)量级,88,第三节 中子活化分析技术的应用,优点：1）分析灵敏度高2）元素选择好3）可分析的元素种类多4）非破坏性分析5）可做样品体内元素分析等应用领域：材料、生命、环境、地质、考古、农业,核分析基础及应用,89,第三节 中子活化分析技术的应用,一、热中子活化分析由于反应堆中热中子通量密度高和热中子对大多数元

42、素的活化截面大，热中子活化分析应用的范围最广。因为热中子对轻元素的(n,)反应截面小，或者活化后的放射性核寿命不是太短，就是太长。例如：,核分析基础及应用,90,第三节 中子活化分析技术的应用,一、热中子活化分析地质样品分析用于地质勘探、地球化学、地质年代等研究中，许多矿石样品的成分分析。例1：岩矿样品中的U、Th元素分析,核分析基础及应用,91,第三节 中子活化分析技术的应用,一、热中子活化分析地质样品分析例2：确定石灰岩中的U和它的衰变链子体的含量，可用来判断地质年代。例3：在宇宙化学研究中，也可通过宇宙样品（陨石）的中子活化分析来探讨宇宙的演变过程及其变化的物理和化学条件。,核分析基础及

43、应用,92,第三节 中子活化分析技术的应用,一、热中子活化分析环境样品分析对于环境污染问题，需对空气和水源污染情况进行监测。中子活化分析法能用来做这种大量样品的分析工作和做环境中有害元素（Hg、As、Cd）的自动监测。例1：用采集仪采集空气气溶胶样品，对吸附在微孔滤膜上的样品进行中子辐照。例2：对河水中Hg含量进行分析。,核分析基础及应用,93,第三节 中子活化分析技术的应用,一、热中子活化分析生物医学样品分析,核分析基础及应用,生物体中的许多微量和痕量元素能用中子活化分析法来分析。动物和人体的肝、肾内脏、血清、头发、骨头等均可作为样品，灰化或冷冻干燥、粉碎后做成固体样品，在反应堆中辐照。,9

44、4,第三节 中子活化分析技术的应用,一、热中子活化分析生物医学样品分析例1：老鼠肾脏样品热中子活化后的射线能谱,核分析基础及应用,例2：对人体血清样品，以及动物的肿瘤细胞等组织样品，也可用热中子活化分析其中的微量元素,95,第三节 中子活化分析技术的应用,一、热中子活化分析考古样品分析仪器中子活化分析是非破坏性的，很适用于文物样品分析。例1：对古代陶瓷样品中微量元素成分测定，可研究陶瓷制作原料成分、制作工艺、制作历史年代和制作地点，也可对文物的真伪作出判断。例2：对古钱币、兵器、古画颜料等也用中子活化分析。为研究一定历史时期的文化经济及贸易往来提供线索。,核分析基础及应用,96,第三节 中子活

45、化分析技术的应用,一、热中子活化分析其它可用于高纯金属材料和半导体材料中的杂质成分分析可用于对犯罪现场的实物样品分析。,核分析基础及应用,97,第三节 中子活化分析技术的应用,二、快中子活化分析主要用14MeV中子做元素分析，特别是用来对热中子活化分析不灵敏的轻元素分析。在快中子活化分析中可利用各元素反应阈值的不同来减少干扰反应，所以分析灵敏度也很高。,核分析基础及应用,98,第三节 中子活化分析技术的应用,二、快中子活化分析金属中氧、铍元素分析例1：钢、铝、铜中的氧元素分析。例2：分析国防工业和尖端科学技术中的重要材料Be。,核分析基础及应用,99,第三节 中子活化分析技术的应用,二、快中子

46、活化分析蛋白质、碳氢化合物中的氮分析例：分析蛋白质和碳氢化合物中的氮。,核分析基础及应用,100,第三节 中子活化分析技术的应用,三、应用实例 1.恐龙灭绝原因6500万年前小行星(高含 Ir(铱)或者彗星冲撞地球，在空气中产生了大量碎片，地球上阳光大大减少，植物不能生长，没有可吃的食物，动物的数量毁灭性减少，非常严重导致大多数动物包括恐龙都灭绝了。中子活化分析技术测定了世界上几个地方，相应于白垩系/第三系（K/T）的界限内黏土层中铱（Ir)的含量比普通背景值高出30-160倍，认为铱是地外物质指示元素，提出了小行星撞击地球的假设；后来在许多地方，包括我国在内也发现了类似的结果，进一步支持了小

47、行星撞击地球灾变学说。地球表层 Ir 1g/kg(ppb)陨石 n 100 g/kg,核分析基础及应用,101,第三节 中子活化分析技术的应用,2.破解拿破伦死亡之谜拿破伦 1821年5月5日死于流放的小岛上。有许多猜测：胃癌、谋害、进入金字塔受惊而死等1961年一位瑞士人给英国法医部门送去了一个写有“不朽的拿破伦之发”的信封。拿破伦死后第2天整容时取下的。中子活化分析分段测量发现头发中部45cm范围内砷（As）含量高达1110-6 克，超出正常人13倍。推算砷中毒时间长达数月。结论：拿破伦死于砒霜（As2O3)慢性中毒急性发作。,核分析基础及应用,102,第三节 中子活化分析技术的应用,3.

48、破解牛顿死亡之谜牛顿（1642-1727）两束头发中汞（Hg)、铅（Pb）、锑（Sb）等含量超标。因汞、铅、锑中毒而死，否认了内脏结石症的传统说法。牛顿怎样会重金属中毒呢？晚年光学和化学实验经常与这些重金属打交道；喜欢鉴赏重金属，经常用手抚摩；一间居室用含有有毒硫化汞漆粉刷的。,核分析基础及应用,103,第三节 中子活化分析技术的应用,4.秦兵马俑“产地”之谜气势恢宏的8000多秦兵马俑-深埋地下的“古代大军”位于陕西临潼县秦始皇陵东侧，有“世界第八大奇迹”美称。解谜方法：选取秦陵兵马俑样品83个,秦陵附近的黏土样品20个,耀州瓷胎样品2个.将样品进行仪器中子活化分析(INAA),测定每个样品

49、的32种元素含量.将所有样品的元素进行模糊聚类分析。基本结论：兵马俑的原料在秦陵附近的垆土层，烧制兵马俑的窑址在土壤的产地附近。中国陶窑有就地取土的传统，兵马俑也不例外。,核分析基础及应用,104,第三节 中子活化分析技术的应用,5.第一起使用中子活化分析侦破的案例1958年5月1日傍晚时分，16岁的小女孩加埃塔恩布查德在一采煤厂遇害，尸检时，警探们发现，在女孩的指甲上缠绕着一根头发，有25英寸长。用中子活化分析技术（样品制成胶囊，放入原子核反应堆用中子进行照射），检测重点嫌疑人约翰沃莱曼头上取下的头发样本和死者的头发，以及现场发现的头发，测定硫、磷的比例，发现死者的头发是2.02，约翰沃莱曼

50、的头发和死者手上的这根头发则分别是1.07和1.02，显然死者手上的这根头发不是死者本人的，而非常接近约翰沃莱曼的头发。约翰沃莱曼承认自己杀了埃塔恩。中子活化分析非常灵敏，它可以检验出1英寸长的头发中的14种元素。科学家认为100万人中，只有两人9种元素可能相同。现代化技术帮助人们查清了隐藏在头发之中的“微量元素谱”。,核分析基础及应用,105,第三节 中子活化分析技术的应用,6.古老照片的复活19世纪初英国发明家塔尔博塔摄了几幅照片，由于当时的照相技术原始，又年代久远，130 年后，已经破损不堪，模糊不清。后来，有人将此照片拿到反应堆的中子流中照射。中子使保存在潜像中的银活化了，稳定的银-l