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1、第九章 核分析技术核物理基础研究的深入发展，积累了大量的核数据，同时也发展了一系列核技术和方法。核分析技术就是根据射线与物质中的原子及原子核的相互作用及运动规律，利用核探测分析手段，将射线与物质相互作用过程中引起的作用效应、次级效应探测后用于研究物质结构，元素组成和空间分布。一定能量的离子束射入介质中时，其能量被吸收的阻止过程和介质材料的元素组成、分子结构（化学、性质生物）都有很强的依赖关系，利用射线的能量损失或部分能量损失的行为，可以实现定性分析、定量分析和结构分析。核分析技术主要有两大类，一类是以超精细相互作用为基础的核分析方法，如穆斯堡尔谱学方法、正电子湮灭、扰动角关联、核磁共振等。另一
2、大类为以加速器(或反应堆)提供的带电离子束、中子流或者带电离子束产生的中子流来进行的分析手段。核分析技术主要包括背散射分析、PIXE、核反应分析，带电粒子及中子活化分析等。第一节 活化分析一、概 述 1936年匈牙利放射化学家Hevesy和Tevi首先创建了活化分析法。活化分析（activation analysis AA）的基础是利用核反应产生放射性，可对样品中的元素作定性分析、定量分析和超微量的定量分析。经过不断改进和发展，目前活化分析法已广泛应用于生命科学（医学、生物学），材料科学、社会科学（考古学，公安司法等）及地质科学等各个科学领域及国防、工业、农业、石油探测等行业领域。 活化分析有
3、几十年的历史了，活化分析的实质是利用一定能量的射线（主要是中子、带电粒子和射线）射入样品中后与待分析的原子核发生核反应过程，使其中的稳定核素发生核反应而转变成放射性核素,通过测量反应产物的放射性衰变，也就是说，测量其衰变过程中放出射线的能量和活度,反推样品中待测原子的种类、含量和空间分布。根据所用射线的种类可以将活化分析分为中子活化分析（neutron activation analysis NAA）、带电粒子活化分析（charged particle activation analysis CPAA）和射线活化分析等三类。进行活化分析需要有辐射源装置、高分辨率的辐射探测仪器和数据分析系统等。
4、如果活化分析单纯用仪器进行，样品不被破坏，称作非破坏性活化分析或仪器活化分析；用化学方法配合仪器进行的活化分析，样品的结构受到化学作用而改变，称作破坏性活化分析或放射化学活化分析。非破坏性多元素活化分析是活化分析的发展趋势。中子活化分析是使样品的待测元素与中子（通常为核反应堆的热中子）发生核反应、通过测量产生的射线强度计算待测元素含量的分析方法。中子活化分析中根据反应道的性质，可以选用中子来自于反应堆的热中子（reactor neutron activation analysis RNAA）或加速器提供的快中子（fast neutron activation analysis FNAA）.活化
5、分析的主要优点是：1灵敏度高，对大部分元素的探测极限在10-9 g左右，可以实现样品中微量元素和超微量元素的分析。2以实现无损分析，许多样品（如珍贵文物）非常稀奇，分析过程中不许有损伤，活化分析可以实现这一目标。3在活化过程中，往往有多种元素被激发，可同时测定一个样品中的几种至几十种元素。4可分析的元素很多，除部分轻元素和重元素外，元素周期表中几乎所有的元素都可用活化分析法测定。5利用计算机数据采集和分析系统，易于实现自动分析，快速检测分析。活化分析也存在一些不足，如不能测定化合物的量和分子结构；操作时放射性水平比通常放射性示踪法应用高；设备昂贵；某些分析耗时较长。但是，近年来人们针对上述缺点
6、开发出小型、实用、经济的放射源，如小型中子发生器、小型医用加速器、高通量同位素中子源等，完善计算机的应用及软件开发，为活化分析技术的推广应用提供了条件。二、基 本 原 理 活化分析是用具有一定能量和流强的中子、带电粒子（质子、氘核、粒子等）或高能光子轰击样品，使待测元素发生核反应，测定核反应生成的放射性核素衰变时发生的缓发辐射或核反应时瞬发辐射的分析方法。通过测定射线能量和半衰期进行定性鉴定；测定射线活度进行定量分析。当样品放入反应堆辐照时，待测元素受到热中子的轰击，使它从稳定的原子核变成放射性的原子核，通过衰变，放射性的原子核变成其它稳定的核素。在这一过程中，原子核将放射出射线和射线，用探测
7、器测定射线的能量和强度就可以进行定量分析。如核反应过程：，反映产物 是放射性核素，具有放射性，它的半衰期为26.32小时。通过测定衰变放出的射线的能量和强度就可以反推出的含量。当含有待测元素的样品受到粒子束（例如热中子束）照射时，部分待测核素转变成放射性核素，并且立刻发生衰变，整个反应过程可用下式举例说明： 这样稳定性核（A1）俘获中子（截面为1）而被活化，转变成放射性核素（A2），并按一定的半衰期进行衰变（衰变常数2）为稳定核素（A3）。A1形成A2的速率取决于三个因素：中子通量密度（ncm-2s-1）、俘获中子（活化反应）的截面1和单位面积上靶原子核A1的数量N1。A2的核数量N2在单位时
8、间内的净变化是由A1生成A2的核数减去A2衰变掉的核数。 (9.2)在活化分析中，照射后一般并不立即测量放射性，而是让放射性样品“冷却（Cool）”一段时间，即衰变一段时间后再测量。通过上式运算，并设定t0时N2=0，经过照射时间L和冷却时间L2以后A2放射性活度的计算公式为由于单位时间发生核反应的A1核数与A1核总数相比很少，在实验期间可视作不变量，故有 (9.3) (9.4)放射性核素A2的生长和衰变与半衰期的关系见图9-1。若已知、1、2，实验测得t和A2即可算出N1。上述绝对测量法的描述主要是说明活化分析的基本原理。实际工作中，和1不易测得很精确，A2的绝对值也因几何因子、反散射等因素
9、的影响而不易测准，生物医学实验中用得较少。一般采用相对测量法。相对测量法的要点将在本节最后叙述。活化分析对所测核素有以下基本要求：1 必须具有足够大的反应截面，这样活化分析中产生的放射性核素的产额比较大，2 所生成的放射性核素必须具有足够长的半衰期，3 放射性核素释放出的射线或粒子必须易于测量。三、活化分析应用的核反应和照射源（一）应用的核反应 不同照射粒子引起的核反应不同。根据照射粒子的种类，活化分析可分为以下几类：1中子活化分析（neutron activation analysis NAA）即以中子为照射粒子的活化分析。中子和原子核碰撞可发生下列核碰撞过程；弹性散射（n，n）;非弹性散射
10、（n，），俘获反应（n，）；核反应（n，p）；（n，）；核裂变（n，f）。其中（n，）、核反应（n，p）和（n，）三种核反应在活化分析应用中应用很广泛。 （1）（n，）反应 由热中子（thermal neutron，En=0.025 eV）照射发生，引起的核反应都是放能的。在核反应中，靶核俘获一个热中子而转变成激发态复合核。在极短时间内复合核跃迁到较低能级，放出光子。（n，）反应在活化分析中应用最多。热中子活化分析对大多数核素（比氧重的）具有很高的灵敏度，并可同时测定多种元素。不足的是不用于测定比氧轻的元素，设备较为庞大且昂贵。 （2）（n，），（n，p）反应靶核俘获中子，释放出粒子或p的核反
11、应，主要在快中子活化分析中发生。快中子（fast neutron，En1 MeV）产生的核反应大都是吸能的，即存在一定的阈能，只有当中子能量超过该反应的阈能时，才能引起反应。快中子发生器（特别是密封中子管）具有结构简单、操作方便等优点，便于在一般实验室推广。但快中子的活化截面小，中子发生器或同位素中子源的产额都很低，使得灵敏度较热中子活化分析低。快中子活化分析主要用来分析常量或半微量元素，最成功的例子是全身钙量的测定。 2.带电粒子活化分析（charged particle activation analysis CPAA）。带电粒子与物质的作用是一个复杂的过程，与中子或光子相比带电粒子可以引
12、起更多的核反应。常用的带电粒子是：p、d、和3He等，以氘核应用最多，发生的核反应主要是（d，），（d，p）等。如 S（d，）P。带电粒子引起众多核反应的优点在于增加了分析的选择性，也就是说通过选择粒子的能量和种类总能找到一个灵敏度高、受干扰小的核反应应用于活化分析。带电粒子活化分析的主要问题是干扰，包括反应干扰和射线能谱干扰。后者是指由带电粒子引起的许多放射性核素衰变时发射能量相同或相近的射线，在能谱上发生重叠。为了消除干扰，样品经过照射、腐蚀处理后，还需进行放化分离。带电粒子活化分析主要应用于痕量轻元素的测定，其次是重元素的多元素分析3射线活化分析。射线活化分析（ray activatio
13、n analysis）是用高能光子轰击靶核使之发生核反应，测定放射性核素衰变参数的分析方法。高能光子与原子核发生作用时，可产生3种不同类型的核反应：光致激发（，），光核反应（，n）、（，p）和光致裂变反应（，f）。射线的活化截面大，灵敏度比较高。生物样品中Na、K和Mn的含量很高，选用射线活化分析时这些元素产生的干扰较小，故可进行多元素非破坏性分析。光子还具有较强的穿透力，可以照射较大体积的样品。但射线活化分析需要用电子加速器，分析成本较高。此外，对于大多数元素其灵敏度要比中子活化分析低一二个数量级，这使得该法在痕量元素分析的应用上受到一定限制。样品受照射时产热较高，光子通量的监测和定量计算都
14、比较复杂。所以，射线活化分析一般是作为中子活化分析和带电粒子活化分析的补充，主要用于各种轻杂质元素的仪器分析。（二）照射源用于活化分析的照射源及其特点见9-1表。表9-1 各种照射源及其特点照射源*装置核反应特点热中子(少量是利用超热中子、快中子)反应堆主要是(n,)少量是（n,p）、（n,）、（n,2n）适于各种样品，灵敏度高，可进行无损伤多元素分析，适于常规分析252Cf(n,)装置简便，不需电源，可野外使用，来源少，价格昂贵241Am-Be(n,)装置简便，灵敏度较差14MeV快中子高压倍加器（n,p）、（n,）、（n,2n）等可测定浓度为1/1,000,000水平的元素，产生干扰反应较
15、热中子少带电粒子质子，氘核，3He回旋加速器、直线加速器(p,n)、(p,2n)(p,d)、( p,)(d,n)、( 3He,n)适于C，N，O等轻元素分析，产生发射正电子的短寿命同位素，需化学分离高能射线电子加速器(,n)、( ,2n)、(,p)等可对多种元素进行灵敏度较好的分析，适用于对中子难以活化的元素分析，可进行无损多元素分析*在实际工作中可根据具体实验要求选用合适的照射源四、实验步骤 活化分析全过程大体上可分为4个阶段，见图9-2。图9-2活化分析全过程示意图（一）样品制备和辐照 样品制备是活化分析实验工作的第1步，也是重要的步骤。严格地讲样品制备包括取样和制备（有时还包括贮存）这两个环节。仪器活化分析可省略放化分离。 1取样 取样是指在分析现场，从大量待分析客体之中按一定要求和方法取出少量供活化分析用的样
