核分析技术讲解

中子活化分析技术 Neutron Activation Analysis (NAA) •什么是中子活化分析 • 用中子照射样品，使之发生核反应，生成具有一 定寿命的放射性核素，对该放射性核素进行鉴别和测 量，从而得知原样品中的核素成分和含量 •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 •中子活化分析的产生与发展 •产生：1936年匈牙利化学家赫维西和H.莱维用镭-铍 中子源 (中子产额约 310中子/秒)辐照氧化钇试样， 通过Dy（n,γ）Dy反应（活化反应截面为2700靶恩） , 生成核Dy的半衰期为2.35小时）测定了其中的镝， 定量分析结果为10克/克，完成了历史上首次中子活 化分析。

•发展： 随着NaI探测器（1948）和反应堆（1951）的发展，中 子活化分析的元素数量、灵敏度都有了很大的提高 1960年代，当第一台高分辨率Ge伽玛谱仪与计算 机相结合的中子活化分析问世以后，中子活化分析 更以其高灵敏度、高准确度、非破坏性、无试剂空 白污染和多元素同时分析等优点成为元素分析领域 的明星广泛地应用于地球化学、宇宙科学、环境 科学、考古学、生命医学、材料科学和法医学等领 域 •目前中子活化分析的发展主要有两个方面 •一是以反应堆中子源为主的高灵敏、超痕量和高准 度多元素分析主要应用于高新材料的痕量杂质对 材料的性能影响研究、微分析标准物质的定值分析 、二维/三维微束多元素分布分析 •另一方面则是以同位素中子源为主的工业现场 检测分析主要用于工业过程的质量监测和现场物 品成份检测，比如水泥生产实时配料监测、燃煤电 厂煤质检查、地下矿产资源勘探、隐蔽危险物 品快速检测等等 •中子通量和反应截面 •中子通量： 单位时间内通过单位面积的中子数等于中子密度与 其平均速度的乘积，单位常用“中子/平方厘米秒”表 示按中子能量不同，又可分为热中子通量和快中 子通量两种。

是衡量反应堆的一个重要指标 •反应截面： •表示入射粒子和靶核之间发生某一特定核反 应几率大小的物理量物理意义：单个粒子 入射到单位面积内只含一个靶核的核反应概 率，反应截面是具有面积的量纲 •一方面，通过对各种反应截面行为的分析，人们可 以了解核的结构以及入射粒子与靶核之间的相互作 用的性质 •另一方面，各种反应截面、特别是中子引起的核反 应的截面数据，对于核能和核技术的应用有着重大 的实际意义 中子探测测 •中子不带电,不能直接使原子电离,中子探测分二步: 1) 利用中子同原子核发生某种作用产生带电粒子或光子; 2) 利用核探测器探测这些带电粒子或光子 •主要探测方法有： 1）核反应法：产生带电粒子，对物质产生电离； 2）核反冲法：中子与核弹性碰撞，反冲核能量耗于电离； 3）核裂变法：裂变碎片能量耗于电离，产生脉冲； 4）激活探测法:中子照射物质,使其部分变为放射性元素 中子活化分析原理 基本原理： 中子活化分析就是将样品放在中子源所提供的 中子束上照射, 使之活化产生放射性核素, 再根 据放射性核素的半衰期和它所发出的射线能量 及强度, 从而鉴定出样品中存在哪些元素及这种 元素的含量。

中子活化分析原理 活化方程式的推导： 采用中子束照射样品, 使稳定的核素A变为放射性核素B, B又以 衰变常量B进行衰变,变成核素C，即为： 核反应中放射性核素B 的净生长速度不仅与单位时间内发生 的核反应次数有关, 还与B 的衰变速率有关而单位时间发 生的核反应次数与中子通量 （单位时间单位面积的中子 数) 、核反应截面 （能发生核反应的概率)，以及靶核( 样 品中发生这种反应的原子核) 数目N 成正比,即为 ； 中子活化分析原理 单位时间核素B 的衰变数与它本身的数目有关, t 时刻核素B 的 原子核数目 ，则衰变速率写为 ，于是, 放射性核素B 的净生长速率为： 令N>> ，则N 可以近似看作是常数, t = 0时 ，解上 述方程, 可得到放射性核素B 在t时刻的原子核数目为： 中子活化分析原理 又由半衰期 和衰变常量￿￿ 之间的关系式 = , 可以 得到放射性核素B 的放射性活度 它表示在中子束流中活化某种样品时, 在t 时刻所得到核素 的放射性活度与中子通量￿￿ 、核反应截面 以及靶核数目 N 成正比, 与活化( 照射) 时间t 是指数关系. 在中子活化分析 过程中, 样品被中子束活化后并不立刻进行放射性测量, 而 是将活化后的样品“冷却”( 衰变) 一段时间, 才开始测量, 若 冷却时间为 , 则冷却后的放射性活度为 中子活化分析原理 若靶核的丰度为￿￿ , 靶元素的质量为 这种靶元素的摩尔 质量为M , 阿伏加德罗常量为 , 整理可得到样品中这种靶 核的数目为 最后得到中子活化分析理论方程式: 中子活化分析原理 由于实际实验中探测器的效率不可能为100% , 设为￿￿ , 则实 际活化方程式为 由上式可知, 在测量中必须知道 、 、 、 、M、t、 等物理量, 才能求出在样品中待测元素A 的质量 , 这就是 中子活化分析的绝对分析法。

由于绝对分析法必须很准确地知道上述各种核参数, 而准确 测定这些核参数, 如 、 等非常困难,所以在实际分析测量 中很少采用, 而是采取相对分析法, 即事先配制含有已知质量 的标准样品 , 与待测样品在相同条件下活化和测量, 由此 可得： 中子活化分析原理 从而有： 式中￿￿ 、 分别为 时刻测量的试样和标准样品 中待测元素的计数率, 于是可以得到待测元素的质量分数( 占待测样品总质量的百分数) 为 中子活化分析及步骤 5.测量样品放射性  射线能谱 6. 根据  射线能谱（能量和强 度）以及半衰期等分析，确定样 品中对应稳 定核素及其含量 1. 样品 稳定核 素构成 活化：稳定 核素吸收中 子变成放射 性的  射线谱仪线谱仪 （ n ,  ） 2.中子束照射样品 3.活化 4. 化学分离 1.样样品 2.样样品制备备 3. 辐辐照 4.放射化学分离 5.放射性测测量 6.结结果评评价 中国 原子 能科 学院 重水 实验 反应 堆 中子活化分析设备 •中子活化分析设备——辐照源 –同位素中子源——核反应产生中子 •最早用同位素中子源，有Ra-Be中子源还有Po-Be中子 源 •较实用的是锎-252（252Cf） •中子活化分析设备——辐照源 –加速器中子源 •主要由离子源、加速系统和靶三部分组成。

•中子活化分析设备——辐照源 –加速器中子源 •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 •中子活化分析设备——辐照源 –加速器中子源反应种类： •T(d，n) He反应是最常用的核反应，用100一200keV的 高压倍加器做成中子发生器能获得产额为109n/cm2 s的 单能中子，比D(d，n)He反应的中子产额高100倍 •14MeV中子可使许多原子核发生阈能反应，而(n，γ)反 应截面小，用于快中子活化分析中子发生器价格便 宜，操作方便、易于推广使用，可做成小型中子管用 于地质勘探 •中子发生器上D(d，n)3He反应产生的中子能量较低 (~2.6MeV)，对许多原子核不能引起中子阈能反应，而 这种能量的中子的(n，γ)反应对活化却有贡献 •中子活化分析设备——辐照源 –反应堆中子源 • 中子活化分析的中子源主要依靠反应堆，反应堆一般 能产生1012~1015 n/(Sec.cm2）的中子，是理想的中子源 •中子活化分析设备——辐照源 –反应堆中子源 •反应堆由四个基本部分构成 –活性区（堆芯）、反射层、屏蔽层和控制系统 •中子活化分析设备—γ能谱探测系统 –探测器使不同能量的γ射线输出不同的脉冲幅度， 即脉冲幅度△V∝ E γ (γ射线的能量)，然后通过 模-数转换，即A/D转换，把模拟量转换成数字量 ，根据不同的数字大小放入不同的道址。

例如 •10V的脉冲 4096道（chn） •5V的脉冲 2048道（chn） •2.5V的脉冲 1024道（chn） •中子活化分析设备—γ能谱探测系统 –结构 探 测 器 前置 电路 主 放大器 多道 脉冲 幅度 分析 器 微计算 机系统 高压电 源 低压电 源 接口 •中子活化分析设备—γ能谱探测系统 中子活化技术的应用趣例 1） 恐龙灭绝原因 2） 破解拿破伦死亡之谜 3） 破解牛顿死亡之谜 4） 秦兵马俑“产地” 之谜 5） 第一起使用中子活化分析侦破的案例 6） 古老照片的复活： 中子活化分析应用举例 中子活化分析可以应用于许多领域 ——获得痕量核素的定量分析 l1. 恐龙灭绝原因： 中子活化分析技术 测定了相应于白垩系/ 第三系（K/T）的界限 内黏土层中铱（Ir)的 含量,发现比普通背景 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 地球表层 Ir 1g/kg (ppb) 陨石 n  100 g/kg 痕量核素的定量分析 •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 痕量核素的定量分析 •3. 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 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 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。