核分析技术1资料课件

核分析基础成都理工大学成都理工大学 核自学院核自学院核分析基础成都理工大学 核自学院核分析基础l核分析核分析核分析核分析：利用：利用核辐射粒子核辐射粒子与物质的与物质的原子或原子原子或原子核核相互作用相互作用，采用，采用核物理核物理实验技术实验技术获得可观测获得可观测信息，分析物质信息，分析物质成分和结构成分和结构的一种的一种髙灵敏髙灵敏分析分析方法。方法。核辐射粒子核辐射粒子：中子、中子、射线、射线、粒子、粒子、粒粒子、正电子、质子以及加速器出射的其它粒子。子、正电子、质子以及加速器出射的其它粒子。相互作用相互作用：主要是电磁作用：主要是电磁作用 ，以及核力作用。，以及核力作用。核分析基础核分析核分析基础l核分析核分析核分析方法大量出现、发展和广泛应用起始于核分析方法大量出现、发展和广泛应用起始于上世纪上世纪6060年代年代。加速器加速器和和反应堆反应堆等大型仪器设等大型仪器设备从核物理实验专用设备备从核物理实验专用设备“解放解放”出来，有条出来，有条件用于应用方面的研究。件用于应用方面的研究。l核分析技术核分析技术在在痕量元素痕量元素的的含量和分布含量和分布的的分析研究分析研究中，利用中，利用核探测技术核探测技术、粒子加速技术粒子加速技术和和核物理实验方法核物理实验方法的一大类的一大类分析测试技术分析测试技术，统称为，统称为核分析技术核分析技术。核分析基础核分析核分析基础l核分析特点核分析特点在近代科学的发展中，人们十分重视在近代科学的发展中，人们十分重视材料材料的研的研究和发展。许多材料的重要的究和发展。许多材料的重要的物理性能和化学物理性能和化学性能性能与材料中的与材料中的痕量杂质元素痕量杂质元素、晶体的缺陷晶体的缺陷和和微观结构微观结构有关。有关。人们发展了许多物理的和化学的分析方法，对人们发展了许多物理的和化学的分析方法，对元素成分元素成分、物质结构物质结构以及以及杂质浓度杂质浓度体分布和表体分布和表面层面层的形貌特征等进行测量和表征。这些分析的形貌特征等进行测量和表征。这些分析方法同样也适用其它领域。方法同样也适用其它领域。核分析基础核分析特点核分析基础l核分析特点核分析特点核分析方法是其中的一种，它的出现和广泛的核分析方法是其中的一种，它的出现和广泛的应用对应用对传统的传统的化学的、物理的方法是一个挑战，化学的、物理的方法是一个挑战，有时，有时，“非核莫属非核莫属”，是一种，是一种不可替代的特殊不可替代的特殊的分析技术的分析技术。这是。这是和平利用和平利用核科学和核技术核科学和核技术的的重要方面。重要方面。核分析技术做为核分析技术做为必不可少必不可少的的分析手段分析手段，已广泛，已广泛应用于材料、能源、环境、生命科学、以及地应用于材料、能源、环境、生命科学、以及地质考古等领域。质考古等领域。核分析基础核分析特点核分析基础l核分析特点核分析特点高灵敏度高灵敏度：中子活化分析：中子活化分析 杂质含量杂质含量(ppm)(ppm)；卢瑟福背；卢瑟福背散射散射RBSRBS可分清样品表面层或深层可分清样品表面层或深层nmnm量级的厚度结构。量级的厚度结构。高高准确度准确度和和精密度精密度高高分辨率分辨率(包括包括空间空间分辨率和分辨率和能量能量分辨率分辨率)非破坏性非破坏性（不破坏样品）（不破坏样品）多元素多元素测定能力（多元素同时分析）测定能力（多元素同时分析）易实现自动化分析和远距离控制易实现自动化分析和远距离控制。核分析基础核分析特点核分析基础l核分析分类核分析分类1 1）活化分析）活化分析l中子活化分析中子活化分析l带电粒子活化分析带电粒子活化分析2 2）离子束分析）离子束分析l卢瑟福背散射分析卢瑟福背散射分析l沟道技术分析沟道技术分析l核反应分析核反应分析l粒子诱发粒子诱发x x荧光分析荧光分析核分析基础核分析分类核分析基础l核分析分类核分析分类3 3）核效应分析）核效应分析l穆斯堡尔效应分析穆斯堡尔效应分析l正电子淹灭技术正电子淹灭技术l扰动角关联扰动角关联l核磁共振核磁共振4 4）超灵敏质谱分析）超灵敏质谱分析 核分析基础核分析分类课程目的和要求l现代核分析技术是一门现代分析技术，它是现代核分析技术是一门现代分析技术，它是核技术应用中的一个重要领域，是核物理核技术应用中的一个重要领域，是核物理理论、核射线测量等知识在材料元素、缺理论、核射线测量等知识在材料元素、缺陷和结构分析中的具体应用。通过该门课陷和结构分析中的具体应用。通过该门课程的学习，使学生了解和掌握常用核分析程的学习，使学生了解和掌握常用核分析技术的技术的原理原理、技术技术和和应用应用，为学生将来从，为学生将来从事材料无损分析工作奠定理论基础和实验事材料无损分析工作奠定理论基础和实验技术能力。技术能力。l要求学生掌握活化分析、要求学生掌握活化分析、X射线荧光分析等射线荧光分析等的基本原理、方法和技术，了解这些分析的基本原理、方法和技术，了解这些分析技术目前的发展状态和最新的应用领域。技术目前的发展状态和最新的应用领域。课程目的和要求现代核分析技术是一门现代分析技术，它是核技术应参考文献l1.核分析技术核分析技术，赵国庆、任炽刚编，原子能出版社，赵国庆、任炽刚编，原子能出版社，1989l2.活化分析基础活化分析基础，柴子芳编著，原子能出版社，柴子芳编著，原子能出版社，1982l3.核地球物理勘查方法核地球物理勘查方法，曹利国，原子能出版社，曹利国，原子能出版社，1996l4.现代核分析技术研究及其在若干环境现代核分析技术研究及其在若干环境 问题中的应用研问题中的应用研究究，孙景信等著，原子能出版社，孙景信等著，原子能出版社，1994l5.现代核分析技术及其在环境科学中的应用现代核分析技术及其在环境科学中的应用，“现代现代核分析技术及其在环境科学中的应用核分析技术及其在环境科学中的应用”，项目组著，原子，项目组著，原子能出版社，能出版社，1994 l6.核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学，“现代核分析技术及其在现代核分析技术及其在环境科学中的应用环境科学中的应用”项目组著，原子能出版社，项目组著，原子能出版社，1997 参考文献1.核分析技术，赵国庆、任炽刚编，原子能出版社，活化分析技术的发展l19世纪末世纪末20世纪初，法国物理学家贝克勒尔世纪初，法国物理学家贝克勒尔和居里夫妇发现了放射性，居里夫妇提炼出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。切都为活化分析奠定了理论基础。l1932年英国物理学家年英国物理学家查德威克查德威克发现了发现了中子中子。这一发现引起了科学家们的极大兴趣，他们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。用中子来研究各种反应。l1936年化学家海维希和列维进行了历史上第年化学家海维希和列维进行了历史上第一次一次中子活化分析中子活化分析。他们测定了氧化钆。他们测定了氧化钆(Gd)中的镝中的镝(Dy)，定量分析的结果为，定量分析的结果为10-3克克/克。克。活化分析技术的发展19世纪末20世纪初，法国物理学家贝克勒尔活化分析技术的发展l1938年美国化学家西博格和利文格德用年美国化学家西博格和利文格德用加加速器速器氘束测定了氘束测定了纯铁中的镓纯铁中的镓，进行了第一，进行了第一次次带电粒子活化分析带电粒子活化分析。l1942年建成了可提供比同位素中子源要高年建成了可提供比同位素中子源要高得多的通量的得多的通量的反应堆反应堆，1948年出现了年出现了NaI 闪烁探测器，在此基础上雷第考脱等人于闪烁探测器，在此基础上雷第考脱等人于1951年首次用反应堆进行年首次用反应堆进行热中子活化分析热中子活化分析法。用活化分析能测定法。用活化分析能测定 ppm 以至以至ppb Xe（氙）。（氙）。活化分析技术的发展1938年美国化学家西博格和利文格德用加速活化分析技术的发展l此时，此时，中子发生器中子发生器，多道能谱分析多道能谱分析器等供活器等供活化分析用的仪器相继问世，使得活化分析化分析用的仪器相继问世，使得活化分析成为当时具有最高灵敏度的分析方法。成为当时具有最高灵敏度的分析方法。l60年代初期出现了年代初期出现了半导体探测器半导体探测器使分辨率使分辨率提高了好几十倍，锗探测器的应用使一次提高了好几十倍，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。的应用更把活化分析推向一个新的领域。活化分析技术的发展此时，中子发生器，多道能谱分析器等供活化分活化分析的种类粒子种类l反应堆反应堆中子活化分析中子活化分析热中子热中子（En=0.025eVEn=0.025eV）活化分析）活化分析超热中子超热中子(En=0.30.5eV)(En=0.30.5eV)活化分析活化分析中子源中子源均来自均来自反应堆反应堆；其其检出限检出限一般在一般在1010-6-61010-9-9之间。之间。活化分析的种类粒子种类反应堆中子活化分析活化分析的种类粒子种类l快中子快中子活化分析活化分析中子中子能量能量：1414MeVMeV主要工具为主要工具为加速器加速器反应类型反应类型为（为（n,pn,p）、（）、（n,n,）主要用于主要用于钢材、铝材钢材、铝材中中微量元素微量元素的分析，的分析，取样后活化取样后活化3030秒秒，一分钟出结果，对于，一分钟出结果，对于含量经常变化含量经常变化的样品特别适用，可以分的样品特别适用，可以分析钢材中的析钢材中的氧氧含量。含量。活化分析的种类粒子种类快中子活化分析活化分析的种类粒子种类l带电粒子带电粒子活化分析活化分析带电粒子带电粒子主要主要是指是指质子质子（p p）对于对于原子序数原子序数 3939的元素特别有用，例的元素特别有用，例如如B B、C C、N N、O O，这些元素，这些元素X X荧光分析几乎荧光分析几乎无能为力。无能为力。地质上为了解金刚石的成因，需了解地质上为了解金刚石的成因，需了解N N的的含量，半导体材料中，经常要了解杂质含量，半导体材料中，经常要了解杂质元素的含量，特别是元素的含量，特别是轻元素杂质轻元素杂质的含量。的含量。活化分析的种类粒子种类带电粒子活化分析丰度l同位素同位素：原子序数（质子数）相同，：原子序数（质子数）相同，中子数不同的核素中子数不同的核素l丰度丰度自然界中某个核素占整个同自然界中某个核素占整个同位素的比例位素的比例例：例：4040K K有三个同位素：有三个同位素：3939K K、4040K K、4141K K，其，其中中93.08%93.08%为为3939K K，6.91%6.91%为为4141K K,4040K K只占整个只占整个同位素的同位素的0.012%0.012%,但确是一个很强的但确是一个很强的辐辐射体射体,放出能量为放出能量为1.46MeV1.46MeV的的射线。射线。丰度同位素：原子序数（质子数）相同，中子数不同的核素丰度l丰度丰度自然界中某个核素占整个同自然界中某个核素占整个同位素的比例位素的比例4141K K的反应方程为：的反应方程为：4141K K（n n，）4242K K 4242K K的半衰期（的半衰期（T T1/21/2）为）为12.4h12.4h；4242K K 的的射线的能量为（射线的能量为（E E）=1254.7KeV=1254.7KeV活化分析的活化分析的前提前提是：某个核素的是：某个核素的同位素同位素丰度丰度是是固定固定的。的。自然界中一般的同位素丰度是固定的。自然界中一般的同位素丰度是固定的。丰度丰度自然界中某个核素占整个同位素的比例第一章 中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA）l中子活化分析是一种中子活化分析是一种有效的有效的核分析技核分析技术，在术，在微量微量和和痕量痕量元素元素分析中占有重分析中占有重要的地位。要的地位。l自从自从1936年第一次用年第一次用热中子活化分析热中子活化分析元素以来，由于元素以来，由于反应堆和加速器反应堆和加速器技术、技术、射线射线探测器探测器技术和技术和核电子学核电子学技术，以技术，以及及计算机技术计算机技术的发展，使中子活化分的发展，使中子活化分析技术得到迅速发展。析技术得到迅速发展。第一章 中子活化分析 Neutron Activation第一章 中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA）l从原先的从原先的放射化学分离放射化学分离中子活化分析中子活化分析发展到如今发展到如今的的仪器仪器中子活化分析中子活化分析，成为高灵敏度、多元素、，成为高灵敏度、多元素、非破坏性元素分析的可靠方法。非破坏性元素分析的可靠方法。l目前，目前，慢中子慢中子和和快中子快中子活化分析，几乎能分析活化分析，几乎能分析所所有有的核素；分析的灵敏度为百万分之一（的核素；分析的灵敏度为百万分之一（ppm），甚至可达十亿分之一（甚至可达十亿分之一（ppb）直至亿万分之一）直至亿万分之一（ppt）；一次能同时分析）；一次能同时分析4050个核素；可分析个核素；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；而且自动化分析的程度很高。发射线活化分析；而且自动化分析的程度很高。第一章 中子活化分析 Neutron Activation第一章 中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA）l中子活化分析不仅是作为一种中子活化分析不仅是作为一种常规的常规的元素定量分元素定量分析析方法，已广泛用于广泛应用于环境科学、生物方法，已广泛用于广泛应用于环境科学、生物学、医学、材料科学、冶金、半导体工业、地质、学、医学、材料科学、冶金、半导体工业、地质、地球化学、考古学刑庭侦查等许多领域；地球化学、考古学刑庭侦查等许多领域；l而且也是作为而且也是作为验证验证其他分析方法可靠性的一种监其他分析方法可靠性的一种监测手段，在许多场合用于测手段，在许多场合用于对比测量对比测量。l中子活化分析的发展虽已较为成熟，但在进一步中子活化分析的发展虽已较为成熟，但在进一步提高测量精确度和分析效率及提高分析灵敏度和提高测量精确度和分析效率及提高分析灵敏度和选择性方面，在改善辐照设备、谱仪和谱的分解选择性方面，在改善辐照设备、谱仪和谱的分解及计算机程序等方面仍有待新的进展。及计算机程序等方面仍有待新的进展。第一章 中子活化分析 Neutron Activation第一章 中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA）l我们在这一章里主要叙述我们在这一章里主要叙述仪器中子活仪器中子活化分析化分析，并附带介绍中子俘获瞬发射，并附带介绍中子俘获瞬发射线活化分析。线活化分析。第一章 中子活化分析 Neutron Activation第一章 中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA）l中子中子特性特性（Neutron characteristic）基本性质基本性质The basic propertyThe basic propertylMass-Mp,Mn=1.008665012 uMass-Mp,Mn=1.008665012 ulCharge-zeroCharge-zerolHalf life-10.69 min Half life-10.69 min n 1H+e+n 1H+e+(中微子中微子)lDecay energy-Emax=(782 13)keVDecay energy-Emax=(782 13)keV第一章 中子活化分析 Neutron Activation第一章 中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA）l中子中子源源（Neutron source）1 keV0.5 MeV10 MeV0Slow neutronMedium neutronFast neutronCold neutronE0.5 eVEpithermal neutronE=1eV100 eVResonance neutronElastic scatteringNuclear reaction第一章 中子活化分析 Neutron Activation第一章 中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA）l同位素同位素中子源（中子源（Radioisotope）Neutron yield units Neutron yield units：s s-1-1 g g-1-11.(alpha,n)1.(alpha,n)中子源中子源l9 9Be+Be+4 4He He 1212C+n C+n l1010Be+Be+4 4He He 1313N+n+1.07MeVN+n+1.07MeV2.2.自发裂变中子源自发裂变中子源Spontaneous fissionSpontaneous fissionlFor For 252252Cf,yield=10Cf,yield=106 6 g g-1-1 s s-1-1 l1 gram 1 gram 252252Cf Cf 10 101212 s s-1-1第一章 中子活化分析 Neutron Activation第一章 中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA）l加速器加速器中子源中子源(Accelerator based nuclear reaction)1.(p,n)1.(p,n)中子源中子源:l7 7Li(p,n)Li(p,n)7 7Be;Be;3 3H(p,n)H(p,n)3 3He He 2.(d,n)2.(d,n)中子源中子源:l2 2H(d,n)H(d,n)3 3He;He;3 3H(d,n)H(d,n)4 4HeHel反应堆反应堆中子源中子源(Nuclear reactor)第一章 中子活化分析 Neutron Activation第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理l活化活化：一些：一些稳定的稳定的原子核原子核在在粒子粒子的作的作用下，发生用下，发生核反应核反应，变成，变成新新的的放射性放射性核素核素，这种现象称为活化。，这种现象称为活化。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化：l中子活化分析中子活化分析是用是用中子中子辐照样品，使辐照样品，使原子核发生核反应，生成原子核发生核反应，生成具有一定寿具有一定寿命命的的放射性核素放射性核素，然后对生成的放射，然后对生成的放射性核素进行鉴别，从而确定样品中的性核素进行鉴别，从而确定样品中的核素核素成分和含量成分和含量的一种分析方法。的一种分析方法。从本质上讲，中子活化分析是一种核分从本质上讲，中子活化分析是一种核分析方法，它的基础是析方法，它的基础是核反应核反应。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子活化分析是用中子辐照样品，使原子核发生核反应，生成具有一X X:靶核，靶核，Y Y:生成核，生成核，W W:最终衰变产物最终衰变产物:衰变方式，衰变方式，n n:中子，中子，:放出放出射线射线Z Z:原子序数，原子序数，A A:质量数质量数第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理l例：例：核反应方程式记为：核反应方程式记为：上述核反应生成的上述核反应生成的7676AsAs是是7575AsAs的的同位素同位素 7676AsAs有有确定的确定的半衰期半衰期，T T1/21/2=26.32h26.32h，衰衰变变，E E=1.21662.656MeV=1.21662.656MeV，在，在衰变的过衰变的过程中程中伴随发出伴随发出射线射线，E E=0.559MeV=0.559MeV，通常，通常测量测量射线的能量，来确定样品中射线的能量，来确定样品中7575AsAs的的含量。衰变含量。衰变产物产物为为76763434SeSe 。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理例：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理l“核指纹核指纹”特性特性不同不同放射性同位素放射性同位素的的半衰期半衰期和发射和发射射线的能射线的能量量都是都是不同不同的，如同的，如同人的指纹人的指纹一样；没有发现两一样；没有发现两个不同的放射性同位素有相同的半衰期或个不同的放射性同位素有相同的半衰期或射线射线能量。能量。不同的稳定元素被中子照射，活化生成不同的稳定元素被中子照射，活化生成不同的不同的放射性同位素放射性同位素，其，其半衰期半衰期和和射线能量射线能量也也不同不同。中子活化分析就是根据获得样品的中子活化分析就是根据获得样品的“核指纹核指纹”特征，判别材料中含有的特征，判别材料中含有的元素元素及其及其含量含量。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理“核指纹”特性第一章 中子活化分析 第一节 中子活l通过对生成核素放出射线通过对生成核素放出射线能量能量的测量，的测量，达到对放射性核素进行达到对放射性核素进行成分成分的鉴别，的鉴别，从而确定样品中的从而确定样品中的核素成分核素成分；l通过对放射通过对放射强度强度的测量来确定的测量来确定核素含核素含量量。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理通过对生成核素放出射线能量的测量，达到对放射性核素进行成分的l中子活化分析主要包括中子活化分析主要包括四个步骤四个步骤：样品的样品的制备制备样品的样品的辐照辐照。将样品放在中子场中照射。将样品放在中子场中照射取出已辐照的样品，如有必要对样品进取出已辐照的样品，如有必要对样品进行放射化学元素行放射化学元素分离分离，进行放射性活度，进行放射性活度测量测量。进行进行数据处理数据处理，按一定的标准化方法求，按一定的标准化方法求出样品中元素的含量或浓度。出样品中元素的含量或浓度。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子活化分析主要包括四个步骤：第一章 中子活化分析 第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理3 3 测量样品放射性测量样品放射性 射线射线能谱能谱4 4根据根据 射线能谱（射线能谱（能量和强度能量和强度）以及以及半衰期半衰期等分析，等分析，确定样品中确定样品中对应稳定核素对应稳定核素 及其含量。及其含量。1样品样品稳定核素构稳定核素构成成 活化：稳定活化：稳定核素吸收中核素吸收中子变成放射子变成放射性核素性核素 射线谱仪射线谱仪1 1）样品制备）样品制备 2 2）辐照）辐照 3 3）放射性测量）放射性测量 4 4）数据处理）数据处理（n,n,)2 中子束照射样品中子束照射样品 活化活化化学分离化学分离第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理3 测l活化分析公式推导活化分析公式推导样品在一定能量的样品在一定能量的中子辐照中子辐照下，通过下，通过(n,(n,)、(n,(n,)、(n,p)(n,p)、(n,2n)(n,2n)等等核核反应反应生成生成放射性核素放射性核素。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理 活化分析中的三活化分析中的三个个时间标志时间标志。我们可。我们可以分别写出这三段以分别写出这三段时间内放射性活度时间内放射性活度的表达式。的表达式。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理 l活化分析公式推导活化分析公式推导1 1）辐照辐照时放射性核素的产额时放射性核素的产额 A(n,A(n,)B-C)B-Cl单位时间单位时间内内生成生成的的B B核素的量核素的量与与 中子注量率（中子通量）中子注量率（中子通量）活化截面活化截面A A(中子与中子与A A核素的反应截面核素的反应截面)靶核素靶核素N NA A的数量的数量l有关有关。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导1 1）辐照辐照时放射性核素的产额时放射性核素的产额 A(n,A(n,)B-C)B-Cl样品在中子的照射下，假设样品在中子的照射下，假设不随时间变化不随时间变化，不考虑中子通量衰减不考虑中子通量衰减(即即没有样品自吸收没有样品自吸收)其其放射性核素放射性核素B B的的生成率生成率（单位时间单位时间内生成的内生成的B B核素的量核素的量）为：）为：N NB B=A A N NA A 第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导1 1）辐照辐照时放射性核素的产额时放射性核素的产额l放射性核素放射性核素B B的的生成率生成率 N NB B=A ANNA A ：中子注量率：中子注量率A A ：活化截面活化截面(表征中子与样品中的原子核表征中子与样品中的原子核A A发生反应的发生反应的几率几率)，单位为，单位为靶靶 （b b）,1b=10,1b=10-24-24cmcm2 2。N NA A：样品中核素：样品中核素A A的的原子总数原子总数第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导1 1）辐照辐照时放射性核素的产额时放射性核素的产额l在这同时，在这同时，已生成已生成的的放射性核放射性核B B发生发生衰变衰变，衰变率衰变率（活度）为（活度）为:A=A=B BN NB B：B B的衰变常数的衰变常数N N：B B的核数的核数第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导1 1）辐照辐照时放射性核素的产额时放射性核素的产额l辐照辐照时时某一时刻某一时刻的放射性核的放射性核B B数目的数目的变化率变化率为为:l解方程，并利用初始条件（解方程，并利用初始条件（t=0t=0时，时，N=0N=0），），可得到可得到辐照辐照时时t t时刻时刻的的放射性核数放射性核数:第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导1 1）辐照辐照时放射性核素的产额时放射性核素的产额l如果辐照的时间为如果辐照的时间为t t0 0，那么，在，那么，在t t0 0时刻时刻停止停止辐照时辐照时样品中所样品中所生成的生成的放射性核数放射性核数为为:l或者写成：或者写成：A(tA(t0 0)为为t t0 0时刻的时刻的放射性活度放射性活度 称为称为饱和因子饱和因子第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导1 1）辐照辐照时放射性核素的产额时放射性核素的产额l当辐照时间为当辐照时间为2 2个个半衰期半衰期时，放射性活度为时，放射性活度为最大值的最大值的75%75%；l而辐照而辐照7 7个个半衰期半衰期时，活度为最大值时，活度为最大值99.2%99.2%，只增加只增加22%22%；第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导1 1）辐照辐照时放射性核素的产额时放射性核素的产额l辐照时间辐照时间小于小于1 1个个半衰期半衰期时放射性活度的增时放射性活度的增长与时间近似成长与时间近似成线性关系线性关系；l辐照时间辐照时间足够长足够长时，放射性活度达到时，放射性活度达到饱和值饱和值A()A()。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导2 2）冷却冷却时间内的放射性活度时间内的放射性活度l在活化分析中，一般照射后并不立刻进行测在活化分析中，一般照射后并不立刻进行测量，而是让样品量，而是让样品“冷却冷却”（即（即衰变衰变）一段时）一段时间。间。l在在冷却冷却时间内，放射性核衰变持续，冷却到时间内，放射性核衰变持续，冷却到时刻时刻t t1 1未发生衰变的放射性核数为：未发生衰变的放射性核数为：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导2 2）冷却冷却时间内的放射性活度时间内的放射性活度l在在离开照射离开照射到到开始测量开始测量时时B B核素核素的的放射性活放射性活度度为：为：D D 为为衰变因子衰变因子l或：或：t t：照射时间；：照射时间；tt：冷却时间：冷却时间第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导3 3）测量阶段测量阶段的放射性计数的放射性计数l在测量时间间隔在测量时间间隔t2t2t1t1内，样品中放射性核内，样品中放射性核衰变的总数为：衰变的总数为：l假定衰变时只有一种衰变方式，而且假定衰变时只有一种衰变方式，而且只只放出放出一种能量一种能量的的射线；并假定射线；并假定探测系统探测系统的总的总绝绝对效率对效率t t为为:为探测器对一定能量的为探测器对一定能量的射线的射线的本征效率本征效率为探测器对样品所张的为探测器对样品所张的立体角立体角第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导3 3）测量阶段测量阶段的放射性计数的放射性计数l那么，在那么，在t t2 2t t1 1时间间隔内记录到的射线时间间隔内记录到的射线总总计数计数为：为：l或者，在或者，在停止辐照停止辐照后的某一测量后的某一测量时刻时刻t t记录记录到的到的射线强度射线强度为：为：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导3 3）测量阶段测量阶段的放射性计数的放射性计数l当生成的放射性核素还存在着当生成的放射性核素还存在着其他衰变方式其他衰变方式（例如内转换）和发射（例如内转换）和发射几组不同能量的几组不同能量的射射线线时，在时，在t2t2t1t1时间内记录到的时间内记录到的某一能量某一能量的的射线的射线的总计数总计数，或在时刻，或在时刻t t测得的测得的某一能某一能量量射线射线强度强度，应乘上修正因子，应乘上修正因子 fr和和为为内转换系数内转换系数fr为该放射性核素发射为该放射性核素发射某一能量某一能量射线的射线的强度比强度比(分支比分支比)为为核发射核发射射线射线的的几率几率第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导3 3）测量阶段测量阶段的放射性计数的放射性计数l则：在则：在t2t2t1t1时间内记录到的时间内记录到的某一能量某一能量的的射线的射线的总计数总计数，或在时刻，或在时刻t t测得的测得的某一能量某一能量射线射线强度强度为：为：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导3 3）测量阶段测量阶段的放射性计数的放射性计数l若用若用样品的重量样品的重量W W来来表示表示待测待测元素的含量元素的含量，靶核的数目靶核的数目为：为：靶核的靶核的天然同位素丰度天然同位素丰度W W 靶靶元素元素A A的的重量重量M M 靶靶元素元素A A的的原子量原子量6.023106.023102323 阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导中子活化分析中的中子活化分析中的基本公式基本公式第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l活化分析公式推导活化分析公式推导当辐照和放射性测量的一些参数，以及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，便可以从这些有关的核数据等已知时，便可以从这些基本公式计算出样品中待测元素的浓度基本公式计算出样品中待测元素的浓度当然，辐照时的一些参数由具体的当然，辐照时的一些参数由具体的辐照辐照中子源中子源条件而定。条件而定。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理活化分析公式推导第一章 中子活化分析 第一节 中子活l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面在推导活化基本公式时，认在推导活化基本公式时，认 为入射到样为入射到样品上的品上的中子通量密度中子通量密度和和核反应截面核反应截面都是都是单能中子单能中子的的通量密度通量密度和和截面值截面值。当当辐照源辐照源的的中子能量中子能量不单能不单能，必须考虑，必须考虑中子中子通量密度通量密度分步分步和中子活化和中子活化截面截面随能随能量的变化量的变化，这时放射性核的，这时放射性核的产生率产生率为：为：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面式中式中 是是单位能量间隔单位能量间隔内的内的中子通中子通量密度量密度。对于。对于中子阈能反应中子阈能反应，能量，能量小于小于 时其反应截面为零，所以：时其反应截面为零，所以：所以，在活化分析的定量计算时，应根所以，在活化分析的定量计算时，应根据具体的辐据具体的辐 照中子源条件，对照中子源条件，对不同的中不同的中子能区子能区采用采用相应能量相应能量下下 的中子的中子通量密度通量密度和和截面截面值。值。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 l对于反应堆中子源，在对于反应堆中子源，在理想的慢化条件理想的慢化条件 (反反应堆中应堆中慢化区无限大慢化区无限大，慢化剂，慢化剂不吸收中子不吸收中子，慢化材料的慢化材料的原子是自由粒子原子是自由粒子)下的中子能谱下的中子能谱分为分为热区热区、中能区中能区、快区快区。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 l裂变反应堆中子裂变反应堆中子通量密度通量密度随随能量能量的的分布分布第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 热区热区 l热区中子的速度是慢化剂处于热平衡时的速热区中子的速度是慢化剂处于热平衡时的速度，其分布为度，其分布为麦克斯韦麦克斯韦分布。分布。l2020时速度为时速度为2200m/s2200m/sl中子能量为中子能量为0.025eV0.025eVl这种中子称为这种中子称为热中子热中子第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 热区热区 l0.55eV0.55eV为镉截止能量为镉截止能量 。CdCd对对热中子热中子的吸的吸收截面很大，能量小于收截面很大，能量小于 的中子通过的中子通过CdCd片片时被吸收，只有能量较高的中子才能穿过。时被吸收，只有能量较高的中子才能穿过。能量小于能量小于 的中子称的中子称镉下中子镉下中子l大于大于 的称的称镉上中子镉上中子第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 热区热区 l热中子的密度热中子的密度为为l 为单位速度间隔内的中子密度为单位速度间隔内的中子密度 第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 热区热区 l热中子与原子核发生热中子与原子核发生(n,(n,)反应，生成放反应，生成放射性核素。射性核素。热中子热中子的的活化截面活化截面为为0 0。l热区中子与原子核作用的总截面遵循热区中子与原子核作用的总截面遵循1/v定律定律，速度速度为为v的的中子中子的的活化截面活化截面 (v)可以写成可以写成 :第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 热区热区l热区中子活化时每个样品原子的放射性热区中子活化时每个样品原子的放射性产生产生率率为：为：为为热中子通量密度热中子通量密度第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 中能区中能区l反应堆中，反应堆中，超热中子超热中子或或镉上中子镉上中子为为中能区中能区中中子。子。l在在理想理想的慢化介质情况下的超热中子能量分的慢化介质情况下的超热中子能量分布为布为1/E分布，即：分布，即：是是单位对数能量间隔单位对数能量间隔内的内的超热中子通量密度超热中子通量密度第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 中能区中能区l中能中子与原子核作用的总截面存在许多中能中子与原子核作用的总截面存在许多共共振峰振峰，故中能区也称，故中能区也称共振区共振区。共振区的截面。共振区的截面 (v)包含两个部分：布赖特包含两个部分：布赖特维格纳共振维格纳共振截面截面 R R和和1/v截面曲线截面曲线 的尾的尾部，即部，即第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 中能区中能区l我们把我们把热区和中能区热区和中能区统称为统称为慢区慢区。用慢区中。用慢区中子子 做活化分析时，每个样品原子通过做活化分析时，每个样品原子通过(n,(n,)反应生成为放射性核的反应生成为放射性核的产生率产生率为：为：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 中能区中能区l第一个积分项是第一个积分项是镉下中子镉下中子对活化的贡献对活化的贡献l 为为镉下热中子镉下热中子通量密度通量密度l 为为镉下热镉下热 中子中子密度密度。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 中能区中能区l第二个积分项是第二个积分项是镉上中子镉上中子对活化的贡献对活化的贡献第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 中能区中能区l共振积分截面共振积分截面：对对1mm1mm厚的厚的CdCd片：片：l则：则：镉下镉下热中子通量密度与热中子通量密度与超热中子超热中子通量通量密度之密度之比比 共振积分截面共振积分截面与与热中子截面热中子截面之之比比第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 中能区中能区l辐照时样品包上辐照时样品包上CdCd片后，片后，镉下中子镉下中子对活化对活化没没有贡献有贡献，第一项第一项为为零零。l慢中子慢中子活化分析中放射性核素发射的活化分析中放射性核素发射的射线射线强度强度表达式为：表达式为：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 快区快区l反应堆中快区中子的能谱为反应堆中快区中子的能谱为裂变谱裂变谱。这能区。这能区的的中子通量密度弱中子通量密度弱，只占百分之几。辐照时，只占百分之几。辐照时，快区中子通过快区中子通过(n,p)(n,p)、(n,(n,)、(n,2n)(n,2n)、(n,n)(n,n)、(n,(n,)反应活化样品。反应活化样品。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 快区快区l快中子的快中子的(n,(n,)反应截面很小反应截面很小，(n,p)(n,p)、(n,a)(n,a)等反应是等反应是阈能反应阈能反应，反应截面比热中，反应截面比热中子活化截面子活化截面小小得多，所以反应堆中快中子对得多，所以反应堆中快中子对活化的贡献较小。活化的贡献较小。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面1.1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 快区快区l用快中子做活化分析时，每个样品原子通过用快中子做活化分析时，每个样品原子通过核反应生成放射性核的核反应生成放射性核的产生率产生率为为:第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理平均截面等效裂变中子通量密度中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子能量、通量和反应截面中子能量、通量和反应截面2.2.加速器加速器中子的能量、通量和反应截面中子的能量、通量和反应截面l加速器上产生的中子是加速器上产生的中子是快中子快中子，在一定的中，在一定的中子发射方向可以获得子发射方向可以获得单能的单能的 ，中子的，中子的通量通量密度密度比反应堆中热中子通量密度比反应堆中热中子通量密度弱弱得多。得多。l加速器中子的活化分析中以加速器中子的活化分析中以14MeV14MeV快中子的快中子的活化分析最为重要。辐照时，样品原子的放活化分析最为重要。辐照时，样品原子的放射性产生率射性产生率:P=:P=A ANNA A A A为为14MeV14MeV中子的中子的反应截面反应截面为为14MeV14MeV中子的中子的通量密度通量密度。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子能量、通量和反应截面第一章 中子活化分析 第一节l中子活化分析中的标准化方法中子活化分析中的标准化方法做中子活化分析时，为求得样品中做中子活化分析时，为求得样品中元素元素的浓度的浓度，需确定测量的标准化方法，即，需确定测量的标准化方法，即采用绝对测量法还是相对测量法。采用绝对测量法还是相对测量法。l绝对测量法绝对测量法要求活化时的要求活化时的中子通量分布中子通量分布、截截面面、探测效率探测效率、放射性放射性核的核的有关有关核参数核参数等都等都为为已知已知，然后再按公式计算元素浓度。，然后再按公式计算元素浓度。l相对测量法相对测量法是将是将待分析样品待分析样品与与已知浓度已知浓度的的标标准样品准样品作作比较测量比较测量，从而求得元素浓度。，从而求得元素浓度。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子活化分析中的标准化方法第一章 中子活化分析 第一l中子活化分析中的标准化方法中子活化分析中的标准化方法在实际工作中，在实际工作中，绝对测量绝对测量是比较是比较麻烦麻烦的，的，而且而且A A和和的值的值不易准确测定不易准确测定，所以在，所以在实际的活化分析工作中，很少用绝对测实际的活化分析工作中，很少用绝对测量法，而大多采用量法，而大多采用相对测量法相对测量法。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子活化分析中的标准化方法第一章 中子活化分析 第一l中子活化分析中的标准化方法中子活化分析中的标准化方法相对测量法相对测量法l将将待分析样品待分析样品与相同材料但含量巳知的与相同材料但含量巳知的标准标准样品样品在在相同的相同的中子能量中子能量和和通量通量条件下条件下辐照辐照，并在并在相同的相同的测量条件测量条件下下测量测量它们的放射性，它们的放射性，比较比较它们的放射性它们的放射性活度活度就可以求得待分析样就可以求得待分析样品中的元素含量。品中的元素含量。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子活化分析中的标准化方法第一章 中子活化分析 第一l中子活化分析中的标准化方法中子活化分析中的标准化方法相对测量法相对测量法l待分析样品待分析样品中子活化分析的表达式为：中子活化分析的表达式为：l标准样品标准样品中子活化分析的表达式为：中子活化分析的表达式为：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理S：饱和因子；：饱和因子；D：衰变因子：衰变因子中子活化分析中的标准化方法第一章 中子活化分析 第一l中子活化分析中的标准化方法中子活化分析中的标准化方法相对测量法相对测量法l两式相除得到待分析样品的两式相除得到待分析样品的元素含量元素含量为：为：l若用若用t t2 2-t-t1 1时刻的累计计数，则为：时刻的累计计数，则为：式中：式中：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子活化分析中的标准化方法第一章 中子活化分析 第一l中子活化分析中的标准化方法中子活化分析中的标准化方法相对测量法相对测量法l优点优点：不必知道不必知道辐照时的辐照时的中子通量密度绝对中子通量密度绝对值值和和探测器绝对效率探测器绝对效率。l但要求待测样品和标准样品所受到的辐照中但要求待测样品和标准样品所受到的辐照中子通量密度子通量密度相同相同。为防止辐照待分析样品和标准样品时中子通量密度的变化，为防止辐照待分析样品和标准样品时中子通量密度的变化，实验时可用另一材料实验时可用另一材料(例如例如Ni)Ni)作为作为中子通量监测器中子通量监测器，与标，与标准样品或待分析样品一同辐照，测量通量监测器的准样品或待分析样品一同辐照，测量通量监测器的射线射线计数。计数。第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子活化分析中的标准化方法第一章 中子活化分析 第一l中子活化分析中的标准化方法中子活化分析中的标准化方法相对测量法相对测量法l浓度计算公式：浓度计算公式：第一章 中子活化分析 第一节 中子活化分析原理中子活化分析中的标准化方法第一章 中子活化分析 第一l中子活化分析中的标准化方法中子活化分析中的标准化方法相对测量法相对测量法l样品与通量监测器，或者标准样品与待测样样品与通量监测器，或者标准样品与待测样品品同时辐照同时辐照时对时对中子通量中子通量和和中子能谱中子能谱的的稳定稳定性性就就没