1、中子活化分析目 錄中子活化測量中子通量密度快、慢中子活化分析技術中子活化分析技術的應用中子活化法測量中子通量密度三三、激活材料的選取、激活材料的選取 1.考慮的因素： （1）材料的中子活化截面隨中子能量的變化必須精確知道。測量弱中子通量時應選擇截面大的材料；測量強中子通量時，應選擇截面小的材料。 （2）材料要純，容易加工成薄箔。 （3）要求反應產產物的半衰期適宜于測量。 （4）激活片輻照后最好只產生一種放射性核素。 2.常用激活片材料四、激活片的制備四、激活片的制備 1.滾筒多次壓縮法:適用于穩定性好較軟的金屬如銦，金，銀等。一般可以做到小于0.1mm厚，用稱重法定出厚度d，然后，將壓延的激活

2、片沖切或剪割成所需形狀，在平整地粘貼在鋁片襯底上。最后，在激活片表面涂上很薄的有機膜做保護層。 2.真空噴涂法:對要求激活片厚度很薄，則可以用真空噴涂法蒸發在鋁襯底上。對于不穩定金屬，則應該選擇其穩定化合物作為原料。 3.不能壓延的金屬，如鏑，則可用氧化鏑粉末均勻混合在火棉膠的香蕉水溶液中做的很稀，用滴管滴在鋁片上，待香蕉水蒸發后，鋁片上會留下一薄層均勻的三氧化二鏑。五、隔差法五、隔差法 1.作用：激活片的感生反射性由熱中子和共振中子共同作用產生，隔差法可以把兩種貢獻區分開來。 2.過程：測量兩次，第一次測量不包隔的激活片的飽和放射性，第二次測量包隔的飽和放射性。二者做差就是熱中子的貢獻。 3

3、.激活片必須很薄 鎘的吸收截面與中子能量關系活化分析 活化分析技術始于1936年，是檢測荷能中子束或帶電粒子束轟擊試樣所產生的瞬發輻射和緩發輻射，這種分析技術近年來還用于分子活化分析和體內活化分析中。 活化分析主要包括帶電粒子活化、射線活化和中子活化三種。其中，中子活化分析靈敏度高、精度好，并可進行多個元素的同時測定。活化分析的這些特點，在環境研究中尤為凸顯。例如，對于長距離大氣輸送問題，極區大氣顆粒的化學組成和來源，以及某些特殊情況下的環境背景值測定等，當要求具有更高的靈敏度與準確度時，使用其它傳統方法是難以滿足要求的?；罨治黾夹g對于固體環境樣品（如大氣塵埃、氣溶膠、植物樣品、大氣懸浮物等

4、）中的痕量元素分析也具有明顯的優越性?；罨治鲈?活化分析作為一種核分析方法，它的基礎是核反應。該方法是用一定能量和流強的中子、帶電粒子或者高能光子轟擊待測試樣，然后測定核反應中生成的放射性核衰變時放出的緩發輻射或者直接測定核反應中放出的瞬發輻射，從而實現元素的定性和定量分析。當使用中子轟擊待測樣品的原子核時，待測樣品的原子核會吸收中子，在大多數情況下會形成不穩定的具有放射性的同位素，這就是所謂的“活化”。 “活化”后的核素將按照自身的規律進行衰變，同時放出射線。由于核素放出的射線與核素之間存在特定的對應關系，通過測定放射線的能量和強度，便可完成元素的定性和定量分析。這就是“活化分析”的基本

5、過程?；罨治黾夹g的發展 此時，中子發生器，多道能譜分析器等供活化分析用的儀器相繼問世，使得活化分析成為當時具有最高靈敏度的分析方法。 60年代初期出現了半導體探測器使分辨率提高了好幾十倍，鍺探測器的應用使一次照射便可同時測定四五十種元素，計算機的應用更把活化分析推向一個新的領域。 中子活化分析中子活化分析 中子活化分析是一種有效的核分析技術，在微量和痕量元素分析中占有重要的地位。 自從1936年第一次用熱中子活化分析元素以來，由于反應堆和加速器技術、射線探測器技術和核電子學技術，以及計算機技術的發展，使中子活化分析術得到迅速發展。 從原先的放射化學分離中子活化分析發展到如今的儀器中子活化分析

6、，成為高靈敏度、多元素、非 破壞性元素分析的可靠方法。 目前，慢中子和快中子活化分析，幾乎能分析所有的核素；分析的靈敏度為百萬分之一（ppm） ， 甚至可達十億分之一（ppb）直至億萬分之一（ppt）；一次能同時分析40-50個核素；可分析壽命非常短的放射性核素，甚至可以做中子俘獲瞬發射線活化分析；而且自動化分析的程度很高。 中子活化分析不僅是作為一種常規的元素定量分析方法，已廣泛用于廣泛應用于環境科學、生物學、醫學、材料科學、冶金、半導體工業、地質、地球化學、考古學刑庭偵查等許多領域；而且也是作為驗證其他分析方法可靠性的一種監測手段，在許多場合用于對比測量。中子活化分析的發展雖已較為成熟，但

7、在進一步提高測量精確度和分析效率及提高分析靈敏度和選擇性方面，在改善輻照設備、譜儀和譜的分解及計算機程序等方面仍有新的進展。 快、快、慢中子活化分析慢中子活化分析技術技術 一一、常用常用的中子的中子核反應核反應 按中子能量范圍的不同，中子活化分析可區分為慢中子活化分析和快中子活化分析。慢中子活化是通過(n，)俘獲反應生成放射性核素。大多數核的慢中子活化截面很大，故分析靈敏度高?？熘凶踊罨峭ㄟ^(n，p)、(n，)、(n，2n)、和(n，n)閾能反應生成放射性核素。快中子的活化截面比慢中子的活化截面小，但對輕元素分析具有較高的分析靈敏度。快、慢中子活化分析技術包括輻照源的選擇、樣品制備和處理、干

8、擾反應影響的考慮、放射性測量和數據處理等實驗方法和技術。體積小，便于攜帶，并且產生的中子產額穩定。但是同位素中子源的熱中子通量比反應堆中的低得多，與中子發生器上慢化后的熱中子通量大小差不多。2 2樣品傳送樣品傳送裝置裝置 樣品裝在特殊的容器(稱跑兔)內，通過氣動傳送裝置將它們迅速準確地送到輻照位置，輻照完后再由這傳送裝置將樣品快速送到測量部位。這樣避免了高輻照劑量對人體的危害，同時能滿足做短壽命核素活化分析的需要。由于樣品包裝容器在輻照時同時也可能產生放射性，并且長期輻照后材料會因輻射而損傷，所以，應選擇純度高、活化截面小和耐輻照的材料，如二氧化硅、聚乙烯等做包裝材料和跑兔。為避免在反應堆中輻

9、照時由于吸收射線和其他輻射產生的熱量，傳送管道是需冷卻的，樣品等也應盡量保持良好的熱傳導 。3 高分辨率譜儀根解譜程序的使用，能省去樣品活化后的放射化學分離步驟，實現對樣品進行非破壞性、多元素分析。我們稱這種分析法為儀器中子活化分析(記為INAA)。但在某些情況中，為提高分析靈敏度和元素鑒別能力，必要的放射化學分離步驟仍是需要的。這時樣品結構被破壞，我們稱這種分析法為放射化學中子活化分析( 記為R N A A )。另外，為避免或減少化學分離步驟，有時可采用符合測量、康普頓補償等計數裝置和技術 。三三、樣品制備、樣品制備 待分析樣品和標準樣品制備是十分重要的 ，它關系到分析結果的可靠性和準確度。

10、對樣品的大小、狀態，樣品的包裝，樣品的采集，以及在制備和輻照過程中的沾污、揮發、吸附等因素，都必須認真考慮。從分析靈敏度考慮，樣品應大一些，但是樣品太大影響中子通量密度分布和引起射線的自吸收。例如，幾克重量的樣品將會造成中子自屏蔽效應。 固體樣本的制備十分簡單，切割成合適大小的薄片即可，粉末樣品可以密封在一個容器內，或者壓成薄片，用純Al箔或清潔濾紙包裝。作標準樣品時，粉末應充分混合均勻。液體和氣體樣品可密封在石英安瓿或聚乙烯容器內。生物樣品可通過冷凍干燥、粉碎后壓成片狀，采樣時可使用石英刀或T1刀以減少沾污。氣溶膠樣品可采集在多孔濾膜上，、然后包裝壓成薄片。包裝用的A1箔和濾紙可單獨壓成樣品

11、進行輻照，以便以后樣品分析的數據處理時扣除包裝材料的本底元素濃度。 有些元素分析需對樣品進行濃縮后再做成合適的樣品，例如灰化處理是一種常用的方法。樣品制備過程中要嚴格防止沾污，以及由于揮發或容器壁吸附引起的損失。對輻照后的樣品進行必要的化學分離時，應確保元素的回收率恒定。樣品輻照后進行處理過程中，來自溶劑、容器的元素污染(一般不是放射性污染)不會干擾樣品中已形成的放射性核素的測量，所以活化分析法的相對抗污染性強。四四、干擾、干擾反應反應 中子活化分析中的干擾，泛指不同元素通過不同核反應形成了同一種被用來作鑒定的放射性核素；或者，生成的不同放射性核素的半衰期相近及發射的射線能量差小于探測器能量分

12、辨率；某種放射性核素衰變后的子核與待鑒定的核素相同；測量射線時的其它本底干擾等。來自于核反應的干擾包括初級反應和次級反應兩種。五五、放射性活度測量和核素、放射性活度測量和核素鑒別鑒別 輻照生成的放射性核素的活度或者射線強度測量有三種方法：一是衰變曲線法，二是能譜法，三是能譜和衰變曲線法的結合。1 1衰變曲線法衰變曲線法測量放射性核素的衰變曲線，從衰變曲線的分析可以確定被測核素的半衰期，而且能在樣品基體元素和其他雜質元素的干擾存在的情況下鑒別出待測元素種類和確定其活度。對于只存在單種放射性核素的簡單情況，在t時刻的活度為01/2( )exp( 0.693 /)A tAt T(144) 式中，是輻

13、照結束時刻的放射性活度InA(t)與t為直線關系，直線的斜率表示半衰期與縱坐標InA(t)且(z)的交點可得A。 如果輻照后生成好幾種放射性核素，則測得的衰變曲線是這些放射性核素的混合衰變曲線，在任意時刻t測得的活度是各個核素成分的活度之和，即將混合衰變曲線進行分解，可以得到每一種核素的衰變曲線，簡單的分解辦法是圖解法，即從混合衰變曲線中斜率最小的那部分曲線開始作一直線，定出壽命最長的放射性核素的半衰期；然后從混合衰 01/2( )exp(0.693 /, )iiA tAt Ti（1.45）變曲線中扣除這壽命最長的核素成分的貢獻，得到壽命較短的核素的衰變曲線，再對這修正后的混合衰變曲線進行分解

14、。對所包含的每一種核素成分都重復這樣的分解步驟，就求得每種核素的活度。當樣品中包含的核素種類較少，而且半衰期數值相差較大(約5倍)時，這種圖解法鑒別核素能得到較好的結果。 混合衰變曲線的分解也可以用計算機程序來完成。采用最小二乘法擬合，解一線性方程組求得各個核素在測量初始時刻的活度。對半衰期相差23倍的核素的鑒別，計算機程序分解法能得到較好的結果。衰變曲線的分解結果可靠性也與各個核素成分的相對活度及樣品測量時的總計數率有關。計數率低時，統計漲落大，衰變曲線分解結果誤差較大。當然，在分解混合衰變曲線前，先將實驗數據點進行光滑，有利于曲線的分解。 衰變曲線法適合于短壽命核素的測定。短壽命核素分析所

15、需的輻照時間短，測量時間也短，分析速度很快。對于樣品基體元素產生的壽命短、但活度強的放射性核素，測量時可以延長等待時間，讓它先衰變，以減小對測量的影響。圖14給出了樣品中稀土放射性核素混合衰變曲線分解的例子。 0NEN Ef EEdE（1.46） 為了得到真實的能譜(各個分立譜線) ，需對實驗測得的混合譜進行退卷積處理(參見第三章第二節) 。 迄今，已發展了許多譜解譜方法和計算機程序，能自動鑒別復雜的譜中的各個峰，確定其中心位置 (能量) 和峰面積(扣除了本底及康普頓峰的全能峰凈計數），從而確定核素成分和計算出待測樣品中的元素濃度。在鑒別核素時，不僅可以從核素的個射線峰來進一步鑒別核素。這種測

16、量方法較之前述的衰變曲線法準確度高，且能作多元素同時分析，但受探測效率限制，靈敏度受定影響。 計算中要對 射線峰面積計數損失作修正，包括死時間修正和符合計數修正。在測量樣品的放射性時，由于存在偶然符合和真符合，使核素發射的某一能量的射線全能峰計數丟失。偶然符合計數率和分辨時間有關；而真符合計數是在分辨時間內核素發射的級聯射線之間或射線與內轉換過程后發射的特征X射線之間的相加脈沖計數，真符合計數只與核素性質有關，與計數率無關。這兩種效應所造成的后果都是使原來應屬于某一能量的射線全能峰計數被記錄到另一能量的峰計數中去。所以，對多道分析器記錄的射線全能峰計數需進行真符合和偶然符合計數修正，尤其是用絕

17、對測量法計算濃度時，應作這項修正。在相對測量中，只有當標準樣品和待測樣品的射線計數率相差太大時，才需對偶然符合計數進行修正。 當兩種放射性核素的半衰期幾乎相同，化學分離又很困難，而且射線能量又十分接近的情況下，只能用能譜測量法，并對能譜進行分解，才能鑒別核素。 2.71 3.29DLB（1.47）.0D LDWLS(1.48) 中子活化分析及步驟5.測量樣品放射性 射線能譜6. 根據 射線能譜（能量和強度）以及半衰期等分析，確定樣品中對應穩定核素及其含量。 1. 樣品穩定核素構成 活化：穩定核素吸收中子變成放射性的 射線譜儀射線譜儀（ n , ）2.中子束照射樣品 3.活化4. 化學分離 1.

18、樣品樣品 2.樣品制備樣品制備 3. 輻照輻照 4.放射化學分離放射化學分離 5.放射性測量放射性測量 6.結果評價結果評價中子活化分析技術的應用中子活化分析技術的應用 中子活化分析技術具有分析靈敏度高、元素選擇好、可分析的元素種類多、非破壞性分析，以及可做樣品體內元素分析等優點，它在材料、生命、環境、地質、考古、農業等學科領域里已廣泛應用；在某些工業部門，它甚至已成為產品質量監測的手段使用這一分析技術時，應根據待分析核素的性質，例如中子核反應截面、元素豐度、放射性核素的半衰期、干擾情況，以及測量精度要求等，選擇合適的活化條件、樣品制備方法和測量方法，以實現高靈敏度、多元素分析。中子活化分析巳

19、程序，能從核參數、干擾因素、輻照條件，選擇最佳活化和測量參數，然后對譜進行分解，最后輸出分析得到的元素濃度數據。下面列舉一些中子活化分析技術的應用實例。一、熱中子活化應用一、熱中子活化應用1.1.地球和宇宙科學地球和宇宙科學 地球化學的主要任務是測定化學元素在各種地質物質中的豐度和分布，以研究巖石和礦物的形成和演化機制。ReNAA以其高準確度測定地質樣品中含量范圍在亞ng/g至百分子幾十的約50余種元素的優勢，在地球化學中發揮著重要的作用。6500萬年前小行星(高含 Ir(銥)或者彗星沖撞地球，在空氣中產生了大量碎片，地球上陽光大大減少，植物不能生長，沒有可吃的食物，動物的數量毀滅性減少，非常

20、嚴重導致大多數動物包括恐龍都滅絕了。中子活化分析技術測定了世界上幾個地方，相應于白堊系/第三系（K/T）的界限內黏土層中銥（Ir)的含量比普通背景值高出 30-160倍，認為銥是地外物質指示元素，提出了小行星撞擊地球的假設；后來在許多地方，包括我國在內也發現了類似的結果，進一步支持了小行星撞擊地球災變學說。2 2環境環境科學科學 70年代以來，環境污染問題引起全世界極大的重視，為保護人體健康，需對空氣和水源污染情況進行監測。中子活化分析法能用來做這種大量樣品的分析工作和做環境中有害元素(如Hg、As、Cd等)的自動監測。空氣氣溶膠樣品可用采樣儀采集，對吸附在干凈的微孔濾膜上的樣品進行中子輻照。

21、對河水中的Hg含量進行測定，為提高分析靈敏度，可對河水中的Hg進行濃縮處理，讓水流過濾紙，雜質沉積在紙上，然后與多元素標準樣品一起輻照35h，最后求出Hg含量。在未沾污的河水中Hg的含量很低 (50一100ng/g)。 3 3生物科學生物科學 生物體中的大量元素是O、C、H和N，占總重量的96%；其次是Ca、P、S、K、Na、Cl和Mg，占3.6；余下的0.4是元素周期表中其他81種元素。在這81種痕量元素中，有些對生物體是起重要作用的，如Fe、Zn、Cu等；有些是不起重要作用的，如Rb、Br、Ni等；有些在正常情況下是不存在于體內的，而是由于沾污引進的，如Ag、Pb、Hg。這些元素的濃度變化

22、情況，它們與生物體的生理、病理變化的關聯等等，都是人們十分關心的。生物體中的許多微量和痕量元素能用中子活化分析法來 分 析。動物和人體的肝、腎內臟、血清、頭發、骨頭等均可作為樣品。對人體血清 ，以及動物的腫瘤細胞等組織樣也可用熱中子活化分析法分析其中的微量元素。熱中子活化分析結果還可與其他方法（例如質子X熒光分析）分析結果進行比較。4.4.考古學和法醫學考古學和法醫學 不同來源的同類物品由相似的主要元素組成，而痕量多元素含量則迥異，據此建立的多元素“化學指紋學”廣泛應用于考古學中文物產地鑒定和法醫學中犯罪嫌疑人指認。 儀器中子活化分析是非破壞性的，很適用于文物樣品分析。用中子活化分析對古代陶瓷

23、樣品中微量元素成分測定，可研究陶瓷制作原料成分、制作工藝、制作歷史年代和制作地點，也可對文物的真偽作出。 對古錢幣、兵器、 古畫顏料等也可用中子活化法進行分析。這些分析能為研究一定歷史時期的文化經濟及貿易往來提供線索。a.秦兵馬俑“產地” 之謎 氣勢恢宏的8000多秦兵馬俑-深埋地下的“古代大軍”位于陜西臨潼縣秦始皇陵東側，有“世界第八大奇跡”美稱。 解謎方法：選取秦陵兵馬俑樣品83個,秦陵附近的黏土樣品20個,耀州瓷胎樣品2個.將樣品進行儀器中子活化分析(INAA),測定每個樣品的32種元素含量.將所有樣品的元素進行模糊聚類分析。 基本結論：兵馬俑的原料在秦陵附近的壚土層，燒制兵馬俑的窯址在

24、土壤的產地附近。中國陶窯有就地取土的傳統，兵馬俑也不例外。b.破解拿破倫死亡之謎拿破倫 1821年5月5日死于流放的小島上。 有許多猜測：胃癌 謀害 進入金字塔受驚而死等 1961年一位瑞士人給英國法醫部門送去了一個寫有“不朽的拿破倫之發”的信封。拿破倫死后第2天整容時取下的。中子活化分析分段測量發現頭發中部 45cm范圍內砷（As）含量高達1110-6 克，超出正常人13倍。 推算砷中毒時間長達數月。 結論：拿破倫死于砒霜（As2O3)慢性中毒急性發作。c. 破解牛頓死亡之謎牛頓（1642-1727）兩束頭發中 汞（Hg) 鉛（Pb） 銻（Sb）等含量超標。 因汞 鉛 銻 中毒而死，否認了內

25、臟結石癥的傳統說法。 牛頓怎樣會重金屬中毒呢 晚年光學和化學實驗經常與這些重金屬打交道； 喜歡鑒賞重金屬，經常用手撫摩；一間居室用含有有毒硫化汞漆粉刷的。d.第一起使用中子活化分析偵破的案例 1958年5月1日傍晚時分，16歲的小女孩加埃塔恩布查德在一采煤廠遇害，尸檢時，警探們發現，在女孩的指甲上纏繞著一根頭發，有25英寸長。 用中子活化分析技術（樣品制成膠囊，放入原子核反應堆用中子進行照射），檢測重點嫌疑人約翰沃萊曼頭上取下的頭發樣本和死者的頭發，以及現場發現的頭發，測定硫、磷的比例，發現死者的頭發是2.02，約翰沃萊曼的頭發和死者手上的這根頭發則分別是1.07和1.02，顯然死者手上的這根

26、頭發不是死者本人的，而非常接近約翰沃萊曼的頭發。約翰沃萊曼承認自己殺了埃塔恩。 中子活化分析非常靈敏，它可以檢驗出1英寸長的頭發中的14種元素?？茖W家認為100萬人中，只有兩人9種元素可能相同?，F代化技術幫助人們查清了隱藏在頭發之中的“微量元素譜”。二、快中子二、快中子活化應用活化應用 快中子活化分析主要用14MeV中子做元素分析，特別是用來對熱中子活化分析不靈敏的輕元素分析。在快中子活化分析中可利用各種元素反應閾值的不同來減少干擾反應，所以分折靈敏度也很高圖1.6是14MeV中子對各種元素進行活化分析的統計資料縱坐標為已發表的文章數，橫坐標為原子序數。由圖可見，氧元素分析工作開展得最多。1

27、1. .金屬金屬中氧、鈹元素分析中氧、鈹元素分析 材料中存在的少量氧元素，將影響材料的物理、化學和機械性能，對氧的分析一直是人們十分關心的問題。INAA能用 于工業生產中大量樣品的常規分析，例如，鋼、鋁、銅中的氧元素分析中子發生器產生的14MeV中子通量密度為 中子/ 。14MeV中子與 發生 反應 , , =6.13和7.11MeV。分析時的干擾反應是 。為排除 的貢獻，可再用 反應 測量 放射性活度。因為半衰期短，輻照很短時間就能確定 的含量，并從 放射性測量結果中扣除 的貢獻后，就可確定 含量。分析時可用 反 應 作為中子通量監測。已成功地利用這一反應在鋼廠爐前作鋼中氧含量的快速分析。每

28、天可分析400個樣品，每分析一個樣品的時間小于5min。分析靈敏度為l-5ppm。用快中子分析氧時，對樣品表面吸附、沾污的氧無法扣除。 95 102cms 16O1616npON，1 27.4sTrE1916nFN，19F1919nFpO，1 230sT19O19F16N19F19O5656nFepMn， 金屬鈹是用于國防工業和尖端科學技術中的重要材料。Be中的F元素是一種有害雜質元素，一定濃度的F雜質會導致貯存的Be材料出現泛潮現象。可采用 反應來分折Be中的F，樣品重4g，探測限為2 2. .蛋白質蛋白質、碳氫化合物中的氮分析、碳氫化合物中的氮分析 用 反應分析蛋白質和碳氫化合物中的氮， 是 衰變核素， 。分析碳氫