核技术与方法课件

第三章第三章 核分析技术与方法核分析技术与方法主要内容主要内容第一节第一节 核分析技术基础核分析技术基础第二节第二节 X射线荧光分析射线荧光分析第三节第三节 中子活化分析技术中子活化分析技术第四节第四节 同位素示踪技术同位素示踪技术2024/7/232核技术应用概论核分析技术与方法核分析技术核分析技术核技术应用核技术应用反应堆、加反应堆、加速器等设施速器等设施同位素技术同位素技术引言引言2024/7/233核技术应用概论核分析技术与方法 第一节第一节 核分析技术基础核分析技术基础p核分析技术原理核分析技术原理p核分析技术的种类核分析技术的种类p核分析技术特点核分析技术特点2024/7/234核技术应用概论核分析技术与方法核分析技术原理核分析技术原理核分析技术是基于被测定的材料或样品在射核分析技术是基于被测定的材料或样品在射线和粒子束的作用下，产生相应的线和粒子束的作用下，产生相应的辐射特征辐射特征(射射线、粒子、辐射能量线、粒子、辐射能量)，或者是有的材料或样品，或者是有的材料或样品本身具有辐射特征，利用相应的探测器测量材料本身具有辐射特征，利用相应的探测器测量材料或样品中某核素辐射特征（如特征谱线）确定核或样品中某核素辐射特征（如特征谱线）确定核素种类，经过计数效率刻度可进一步确定样品中素种类，经过计数效率刻度可进一步确定样品中核素的活度、含量等信息。核素的活度、含量等信息。可以可以定性分析定性分析，又可以，又可以定量分析定量分析。2024/7/235核技术应用概论核分析技术与方法离子束分析技术离子束分析技术（Ion beam analysisIon beam analysis，IBAIBA）超精细相互作用核分析超精细相互作用核分析（Hyper fine effect analysisHyper fine effect analysis）活化分析技术活化分析技术（Activation analysisActivation analysis）核分析技术的种类核分析技术的种类核反应分析（核反应分析（NRA)；卢瑟福背散射（卢瑟福背散射（RBS);质子诱发质子诱发X射线荧光分析（射线荧光分析（PIXE）；）；加速器质谱分析（加速器质谱分析（AMS）；）；沟道效应分析（沟道效应分析（CT）；）；穆斯堡尔效应；穆斯堡尔效应；核磁共振效应（核磁共振效应（NMR）；）；正电子湮灭效应（正电子湮灭效应（PAT）；）；中子衍射中子衍射（Neutron diffraction）；）；中子散射（中子散射（Neutron scattering）；）；带电粒子活化；带电粒子活化；射线活化；射线活化；中子活化中子活化 。2024/7/236核技术应用概论核分析技术与方法 灵敏度高、准确度好、分辨率高、灵敏度高、准确度好、分辨率高、非破坏性非破坏性、具备多元、具备多元素分析能力、能实施离线和在线测量。素分析能力、能实施离线和在线测量。核分析技术特点核分析技术特点非破坏性分析（非破坏性分析（Non-destructive analysis，NDA）由由于于铀铀、钚钚是是核核武武器器的的核核心心材材料料，是是核核保保障障的的主主要要对对象象，所所以以发发展展铀铀、钚钚材材料料的的非非破破坏坏性性辐辐射射探探测测与与分分析析技技术术是是极极为为重重要要的的，不不仅仅可可以以获获得得铀铀、钚钚材材料料的的同同位位素素丰丰度度、化化学学组组分分等等化化学学信信息息，同同时时还还可可以以获获得得铀铀、钚钚材材料料的的质质量量、年年龄龄、形形状状、包包装装容容器器材材料料厚厚度度、核核设设施施内内部部污污染染分分布布状状况况等等物物理理信信息。息。NDANDA技技术术对对核核安安全全保保障障、军军控控核核查查、核核设设施施退退役役和和核核污污染物处置等方面起到了积极的支撑作用。染物处置等方面起到了积极的支撑作用。2024/7/237核技术应用概论核分析技术与方法 物理、化学、生物、地质、考古等学科所研究物理、化学、生物、地质、考古等学科所研究的各种实体与物质的分析，如文物鉴定、年代测定、的各种实体与物质的分析，如文物鉴定、年代测定、产地确定、制作工艺水平分析等。产地确定、制作工艺水平分析等。核分析技术应用核分析技术应用2024/7/238核技术应用概论核分析技术与方法 第二节第二节 X-射线荧光分析射线荧光分析pX射线荧光分析的基本原理射线荧光分析的基本原理pX射线荧光光谱仪的基本结构射线荧光光谱仪的基本结构p定性定量分析方法定性定量分析方法pX射线荧光光谱法的特点射线荧光光谱法的特点2024/7/239核技术应用概论核分析技术与方法引言引言 X X射线荧光分析（射线荧光分析（XRFXRF）技术即是利用初级）技术即是利用初级X X射线或其它微射线或其它微观粒子激发待测样品中的原子，使之产生荧光（次级观粒子激发待测样品中的原子，使之产生荧光（次级X X射线）射线）而进行物质成份分析和化学形态研究的方法。而进行物质成份分析和化学形态研究的方法。X X射线是一种电磁辐射，按传统的说法，其波长介于紫外射线是一种电磁辐射，按传统的说法，其波长介于紫外线和线和射线之间，但随着高能电子加速器的发展，电子轫致射线之间，但随着高能电子加速器的发展，电子轫致辐射所产生的辐射所产生的X X射线，其能量可能远大于射线，其能量可能远大于射线，故射线，故X X射线的射线的波长范围没有严格的界限，对于波长范围没有严格的界限，对于X X射线荧光分析而言，一般是射线荧光分析而言，一般是指波长为指波长为0.001nm0.001nm50nm50nm的电磁辐射。对化学分析来说，最感的电磁辐射。对化学分析来说，最感兴趣的波段是兴趣的波段是0.01nm0.01nm24nm24nm，0.01nm0.01nm附近是超铀元素的附近是超铀元素的K K系谱系谱线，线，24nm24nm则是最轻元素则是最轻元素LiLi的的K K系谱线。系谱线。2024/7/2310核技术应用概论核分析技术与方法一、一、X射线荧光分析的基本原理射线荧光分析的基本原理 高能高能X X射线与原子发生碰撞，激发出一个内层电射线与原子发生碰撞，激发出一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命极短，约为激发态，激发态原子寿命极短，约为1010-12-12s s1010-14-14s s，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态，这个过程称为这个过程称为弛豫过程弛豫过程。弛豫过程可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃弛豫过程可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。迁。2024/7/2311核技术应用概论核分析技术与方法荧光荧光X X射线及俄歇电子产生过程射线及俄歇电子产生过程荧光荧光X X射线及俄歇电子产生过程示意图射线及俄歇电子产生过程示意图俄歇电子的能量俄歇电子的能量是特征性的。是特征性的。X X射线荧光的能量射线荧光的能量或波长是特征性或波长是特征性的。的。与元素有一一与元素有一一对应的关系对应的关系。2024/7/2312核技术应用概论核分析技术与方法谱线系谱线系产生产生K K系和系和L L系辐射示意图系辐射示意图原子原子K K层电子被逐层电子被逐出后，其空穴可出后，其空穴可以被外层中任一以被外层中任一电子所填充，从电子所填充，从而可产生一系列而可产生一系列的谱线，称为的谱线，称为K K系系谱线谱线：由：由L L层跃迁层跃迁到到K K层辐射的层辐射的X X射射线叫线叫K K射线射线，由，由M M层跃迁到层跃迁到K K层辐射层辐射的的X X射线叫射线叫K K射线射线2024/7/2313核技术应用概论核分析技术与方法莫斯莱定律莫斯莱定律莫斯莱（莫斯莱（H G MoseleyH G Moseley）发现，）发现，荧光荧光X X射线的波长射线的波长与元素的原子序数与元素的原子序数Z Z满足满足=k(Z-s)=k(Z-s)-2-2 式中式中 k k和和s s对同组谱线来说是常数对同组谱线来说是常数 荧光荧光X X射线的能量为：射线的能量为：E E=h h=hChC/只要测出荧光只要测出荧光X X射线的波长或者能量，就可以确定射线的波长或者能量，就可以确定元素的种类，即进行元素的定性分析。测出荧光元素的种类，即进行元素的定性分析。测出荧光X X射射线的强度即可进行元素的定量分析。线的强度即可进行元素的定量分析。2024/7/2314核技术应用概论核分析技术与方法二、二、X射线荧光光谱仪的基本结构射线荧光光谱仪的基本结构 由于由于X X射线具有一定射线具有一定波长，又有一定能量，波长，又有一定能量，因此，因此，X X射线荧光光谱射线荧光光谱仪有两种类型：仪有两种类型：波长色波长色散型散型和和能量色散型能量色散型。X X射线荧光光谱仪射线荧光光谱仪主要由主要由激发激发、色散色散、探测探测、记录及数据处记录及数据处理理等单元组成。等单元组成。2024/7/2315核技术应用概论核分析技术与方法1、X射线管射线管 X X射线管产生的射线管产生的X X射线透过铍窗入射到样品上，射线透过铍窗入射到样品上，激发出样品元素的特征激发出样品元素的特征X X射线射线。X X射线管所消耗功率射线管所消耗功率的的0.2%0.2%左右转变为左右转变为X X射线辐射，其余均变为热能使射线辐射，其余均变为热能使X X射线管升温，因此必须不断的通冷却水冷却靶电极。射线管升温，因此必须不断的通冷却水冷却靶电极。2024/7/2316核技术应用概论核分析技术与方法2、分分光系统光系统主要部件是主要部件是晶体晶体分光器分光器，它的作，它的作用是通过晶体衍用是通过晶体衍射现象把不同波射现象把不同波长的长的X X射线分开。射线分开。晶体的布拉格衍射定律晶体的布拉格衍射定律 2dsin=2dsin=nn 改变改变可观测到不同可观测到不同的的荧光荧光X X射线射线。分光晶。分光晶体转动体转动角角,检测器必检测器必须转动须转动22角。角。2024/7/2317核技术应用概论核分析技术与方法3、检测记录系统检测记录系统将将X X射线光子射线光子能量转化为电能量转化为电信号。信号。检测器有检测器有流气流气正比计数器正比计数器和和闪烁计数器闪烁计数器。流气正比计数器主要由金属圆筒负极和芯线正极流气正比计数器主要由金属圆筒负极和芯线正极组成组成,筒内充氩（筒内充氩（90%90%）和甲烷（）和甲烷（10%10%）的混合气体。）的混合气体。适用于轻元素的检测。适用于轻元素的检测。2024/7/2318核技术应用概论核分析技术与方法3、检测记录系统检测记录系统将将X X射线光子射线光子能量转化为电能量转化为电信号。信号。检测器有检测器有流气流气正比计数器正比计数器和和闪烁计数器闪烁计数器。闪烁计数器适用于重元素的检测。闪烁计数器适用于重元素的检测。2024/7/2319核技术应用概论核分析技术与方法荧光荧光X射线谱图射线谱图由由X X光激发产生光激发产生的荧光的荧光X X射线，射线，经晶体分光后，经晶体分光后，由检测器检测。由检测器检测。2-荧光荧光X射线强度关系曲线射线强度关系曲线这种方法分辨率这种方法分辨率高，但探测效率高，但探测效率低，主要用于化低，主要用于化学环境下的精细学环境下的精细结构研究。结构研究。2024/7/2320核技术应用概论核分析技术与方法4、能量色散谱仪能量色散谱仪利用荧光利用荧光X X射线具有不同能量的特点，将其分开并检射线具有不同能量的特点，将其分开并检测，不必使用分光晶体，而是依靠半导体探测器来测，不必使用分光晶体，而是依靠半导体探测器来完成。完成。最大优点是可以同时测定样品中几乎所有的元素、最大优点是可以同时测定样品中几乎所有的元素、分析速度快。分析速度快。对对X X射线的总检测效率比波谱高射线的总检测效率比波谱高，因此，因此可以使用小功率可以使用小功率X X光管激发荧光光管激发荧光X X射线。工作稳定，射线。工作稳定，仪器体积小。仪器体积小。缺点是能量分辨率差，探测器必须在低温下保存。缺点是能量分辨率差，探测器必须在低温下保存。对轻元素检测困难对轻元素检测困难。得到计数率随光子能量变化得到计数率随光子能量变化的分布曲线，即的分布曲线，即X X光能谱图。光能谱图。2024/7/2321核技术应用概论核分析技术与方法三、三、定性定量分析方法定性定量分析方法 样品的形态可以是固态（块状、粉末），也可样品的形态可以是固态（块状、粉末），也可以是液态。以是液态。X X射线荧光光谱分析是一种相对分析方法，需要射线荧光光谱分析是一种相对分析方法，需要通过测试标准样品确定待测样品的含量。通过测试标准样品确定待测样品的含量。所测样品不能含有水、油和挥发性成份，更不所测样品不能含有水、油和挥发性成份，更不能含有腐蚀性溶剂。能含有腐蚀性溶剂。样品的制备情况对测定结果的不确定度很大。样品的制备情况对测定结果的不确定度很大。2024/7/2322核技术应用概论核分析技术与方法定性分析定性分析 不同元素的荧光不同元素的荧光X X射线具有各自的特定波长或能射线具有各自的特定波长或能量，因此根据荧光量，因此根据荧光X X射线的波长或能量可以确定元素射线的波长或能量可以确定元素的组成。的组成。波长色散型光谱仪波长色散型光谱仪检测器转动的检测器转动的22角可以求角可以求出出X X射线的波长射线的波长，从而确，从而确定元素成份。定元素成份。能量色散型光谱仪能量色散型光谱仪由谱线对应能量确定是何由谱线对应能量确定是何种元素及成份。种元素及成份。2024/7/2323核技术应用概论核分析技术与方法定量分析定量分析含量定量分析的依据：含量定量分析的依据：元素的荧光元素的荧光X X射线强度射线强度I Ii i与与试样中该元素的含量试样中该元素的含量C Ci i成正比。成正比。C Ci i为待测元素浓度；为待测元素浓度；K Ki i仪器校正因子；仪器校正因子；I Ii i待测元素的荧光待测元素的荧光X X射线净强度；射线净强度；M Mi i元素间吸收增强效应校正因子；元素间吸收增强效应校正因子；S Si i与样品的物理形态（均匀性、厚度、表面结与样品的物理形态（均匀性、厚度、表面结构等）有关的因子。构等）有关的因子。C Ci i =K Ki iI Ii iM Mi iS Si iI Ii iC Ci i定量分析定量分析方法：方法：标准曲线法、增量法、内标法等标准曲线法、增量法、内标法等2024/7/2324核技术应用概论核分析技术与方法定量分析定量分析内标法内标法在工业分析中较多采用。例如，采用在工业分析中较多采用。例如，采用X射线衍射线衍射内标法测定烧结矿中射内标法测定烧结矿中FeO含量时，选择含量时，选择NaCl为内为内标物质，将其以标物质，将其以20%的质量比例掺入已知的质量比例掺入已知FeO含量的含量的磁铁矿和烧结矿标准样品中，通过测量样品中磁铁矿和烧结矿标准样品中，通过测量样品中Fe3O4衍射峰和内标物衍射峰和内标物NaC1衍射峰的强度，获得衍射强度衍射峰的强度，获得衍射强度比值比值IFe3O4/INaCl，然后根据，然后根据IFe3O4/INaCl与已知样品中与已知样品中FeO物相含量，作出物相含量，作出定标曲线定标曲线。实测样品时，按同样。实测样品时，按同样方法掺入内标物质，获得样品中方法掺入内标物质，获得样品中Fe3O4和和NaCl衍射衍射强度比值强度比值IFe3O4/INaCl，即可快速获得待测样品中，即可快速获得待测样品中FeO含量。含量。2024/7/2325核技术应用概论核分析技术与方法定量分析定量分析基体效应基体效应是指样品的基本化学组成和物理化学状态是指样品的基本化学组成和物理化学状态的变化对的变化对X射线荧光强度所造成的影响。射线荧光强度所造成的影响。化学组成的变化，会影响样品对初级化学组成的变化，会影响样品对初级X射线和射线和X射线荧光的吸收，也会改变荧光增强效应。射线荧光的吸收，也会改变荧光增强效应。例如，在例如，在测定不锈钢中测定不锈钢中Fe和和Ni等元素时，由于初级等元素时，由于初级X射线的激射线的激发会产生发会产生NiK荧光荧光X射线，射线，NiK在样品中可能被在样品中可能被Fe吸收，使吸收，使Fe激发产生激发产生FeK。测定。测定Ni时，因为时，因为Fe的吸的吸收效应使结果偏低；测定收效应使结果偏低；测定Fe时，由于荧光增强效应使时，由于荧光增强效应使结果偏高。因此，对于成份和结构复杂的样品基体，结果偏高。因此，对于成份和结构复杂的样品基体，需要用各种算法进行修正，以实现准确分析。需要用各种算法进行修正，以实现准确分析。2024/7/2326核技术应用概论核分析技术与方法厚度定量分析厚度定量分析厚度定量分析的依据厚度定量分析的依据是厚度为是厚度为T的某种元素的薄膜的的某种元素的薄膜的荧光荧光X射线强度射线强度IT与无限厚（实际达到饱和厚度即可）与无限厚（实际达到饱和厚度即可）薄膜元素的荧光薄膜元素的荧光X射线强度射线强度I有如下关系：有如下关系：IT /I=1e-s*T=1e-kT kk与薄膜有关的一个常数与薄膜有关的一个常数 对于单层薄膜厚度，可直接由对于单层薄膜厚度，可直接由上式计算获得。上式计算获得。多层薄膜厚度的定量分析与单层薄膜类似，但是需多层薄膜厚度的定量分析与单层薄膜类似，但是需要考虑外层薄膜对内层薄膜荧光的吸收作用，算法要考虑外层薄膜对内层薄膜荧光的吸收作用，算法更加复杂。更加复杂。2024/7/2327核技术应用概论核分析技术与方法四、四、X射线荧光光谱法的特点射线荧光光谱法的特点p分析的元素范围广分析的元素范围广，从原子序数为，从原子序数为1111的的NaNa到到9292的的U U均可测定。均可测定。p荧光荧光X X射线谱线简单射线谱线简单，相互干扰少，样品不必分离，相互干扰少，样品不必分离，分析方法比较简便。分析方法比较简便。p分析浓度范围较宽分析浓度范围较宽，从常量到微量都可分析。重，从常量到微量都可分析。重元素的检测限可达元素的检测限可达1ppm1ppm。p可用于样品的无损分析可用于样品的无损分析，且快速、准确、自动化，且快速、准确、自动化程度高程度高。2024/7/2328核技术应用概论核分析技术与方法 第三节第三节 中子活化分析技术中子活化分析技术p活化分析的分类活化分析的分类p活化分析的原理活化分析的原理p中子活化分析技术基础中子活化分析技术基础p中子活化分析的特点中子活化分析的特点p中子活化分析技术的应用中子活化分析技术的应用2024/7/2329核技术应用概论核分析技术与方法引言引言 活化分析是核分析技术中一种重要的分析方法。活化分析是核分析技术中一种重要的分析方法。具有高灵敏度、快速、非破坏性、可多元素同时分具有高灵敏度、快速、非破坏性、可多元素同时分析等特点。析等特点。2024/7/2330核技术应用概论核分析技术与方法中子活化分析的应用举例（中子活化分析的应用举例（1）p第一起使用中子活化分析侦破的案例。第一起使用中子活化分析侦破的案例。1958 1958年年5 5月月1 1日傍晚，日傍晚，1616岁的加拿大小女孩加埃塔恩岁的加拿大小女孩加埃塔恩布查德离布查德离家去埃德蒙斯顿地区的新布朗斯威克镇上买东西。结果在城外的一处家去埃德蒙斯顿地区的新布朗斯威克镇上买东西。结果在城外的一处早已经废弃的采煤厂里被人杀害。重点嫌疑人约翰早已经废弃的采煤厂里被人杀害。重点嫌疑人约翰沃莱曼，他在几沃莱曼，他在几个月前的一个舞会上和埃塔恩个月前的一个舞会上和埃塔恩布查德相识并开始交往。当警方找到布查德相识并开始交往。当警方找到他并审讯时，他始终坚持说他有几个月没有见过埃塔恩。第二次尸检他并审讯时，他始终坚持说他有几个月没有见过埃塔恩。第二次尸检时，警方在女孩的指甲上发现缠绕着一根头发，有时，警方在女孩的指甲上发现缠绕着一根头发，有2525英寸长。为了验英寸长。为了验证是否是嫌疑人的头发，警探们把注意力转到了当时尚有争议的中子证是否是嫌疑人的头发，警探们把注意力转到了当时尚有争议的中子活化分析上。把约翰活化分析上。把约翰沃莱曼头上取下的头发样本和死者的头发，以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通过中子活化分析技术测定硫、磷的比例，发现死及现场发现的头发通过中子活化分析技术测定硫、磷的比例，发现死者的头发是者的头发是2 20202，约翰，约翰沃莱曼的头发和死者手上的这根头发则分沃莱曼的头发和死者手上的这根头发则分别是别是1 10707和和1 10202，死者手上的头发非常接近约翰，死者手上的头发非常接近约翰沃莱曼的头发。沃莱曼的头发。法庭上受审时约翰法庭上受审时约翰沃莱曼开始仍辩解说自己无罪，但是，当一些科沃莱曼开始仍辩解说自己无罪，但是，当一些科学家作为专家证人解释这种新技术以及整个检验过程时，法庭的态度学家作为专家证人解释这种新技术以及整个检验过程时，法庭的态度明显倾向于约翰明显倾向于约翰沃莱曼有罪。最后，约翰沃莱曼有罪。最后，约翰沃莱曼收回自己的无罪沃莱曼收回自己的无罪辩解，承认自己杀了埃塔恩。被判死刑，后改为缓期执行。辩解，承认自己杀了埃塔恩。被判死刑，后改为缓期执行。2024/7/2331核技术应用概论核分析技术与方法中子活化分析的应用举例（中子活化分析的应用举例（2）p法国皇帝拿破仑死亡之谜。法国皇帝拿破仑死亡之谜。1815 1815年，在滑铁卢战役失败后，拿破仑被流放于年，在滑铁卢战役失败后，拿破仑被流放于南大西洋的圣赫勒拿岛，六年之后死于该岛，终年南大西洋的圣赫勒拿岛，六年之后死于该岛，终年5252岁。拿破仑之死一直是一个谜。外界对法国皇帝拿破岁。拿破仑之死一直是一个谜。外界对法国皇帝拿破仑之死是众说纷纭，有说他是砒霜中毒而死，有说他仑之死是众说纷纭，有说他是砒霜中毒而死，有说他是被情妇所杀，还有说他是得胃癌而死，其中以死于是被情妇所杀，还有说他是得胃癌而死，其中以死于砒霜中毒的说法最为盛行。砒霜中毒的说法最为盛行。19611961年人们用中子活化分年人们用中子活化分析对他被保存的头发进行分析后发现含有大量砷，因析对他被保存的头发进行分析后发现含有大量砷，因此认为他是因慢性砷中毒而死的。此认为他是因慢性砷中毒而死的。20072007年美国科学家年美国科学家研究后认为拿破仑是死于胃癌晚期，而非此前外界广研究后认为拿破仑是死于胃癌晚期，而非此前外界广为传说的砒霜中毒，这与拿破仑死亡当年的尸体解剖为传说的砒霜中毒，这与拿破仑死亡当年的尸体解剖和临床症状结论是一致的。和临床症状结论是一致的。2024/7/2332核技术应用概论核分析技术与方法一、活化分析的分类一、活化分析的分类按照辐照粒子的不同按照辐照粒子的不同 应用最广应用最广活活化化分分析析技技术术带电粒子活化带电粒子活化 射线活化射线活化中子活化中子活化主要利用（主要利用（n n，）、（）、（n n，p p）和（）和（n n，）核反应。）核反应。主要利用（主要利用（p p，n n）、（）、（d d，n n）、（）、（d d，p p）、（）、（，n n）等。适宜于作表面分析，锂、等。适宜于作表面分析，锂、铍等轻元素。铍等轻元素。主要核反应是（主要核反应是（，n n），对），对于原子序数小的轻元素，核于原子序数小的轻元素，核反应（反应（，p p）也重要。）也重要。2024/7/2333核技术应用概论核分析技术与方法二、活化分析的原理二、活化分析的原理 用一定能量和流强的中子、带电粒子或者高能用一定能量和流强的中子、带电粒子或者高能光子轰击待测试样，使试样光子轰击待测试样，使试样“活化活化”，“活化活化”后的核素将按照自身的规律进行衰变，同时放出后的核素将按照自身的规律进行衰变，同时放出射线。由于核素放出的射线。由于核素放出的射线与核素之间存在特定射线与核素之间存在特定的对应关系，通过测定的对应关系，通过测定射线的能量和强度，便可射线的能量和强度，便可完成元素的定性和定量分析。这就是完成元素的定性和定量分析。这就是“活化分析活化分析”的基本过程。的基本过程。2024/7/2334核技术应用概论核分析技术与方法核指纹核指纹 不同放射性同位素的不同放射性同位素的半衰期半衰期和和发射发射射线的能射线的能量量都是不同的，如同人的指纹一样；没有发现两个都是不同的，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不同的放射性同位素有相同的半衰期或射线能量。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，其半衰期和性同位素，其半衰期和射线能量也是不同的。射线能量也是不同的。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，判别材料中含有的元素种类及其含量。特征，判别材料中含有的元素种类及其含量。2024/7/2335核技术应用概论核分析技术与方法活化方程式活化方程式绝对分析方法绝对分析方法“冷却冷却”（即衰变）一段时间（即衰变）一段时间t t后的放射性活后的放射性活度：度：上式就是活化分析中最基本的活化方程式。从上式就是活化分析中最基本的活化方程式。从原理上讲，活化分析是一种绝对分析方法原理上讲，活化分析是一种绝对分析方法。照射照射t t时间时生成的放射性核素的放射性总活度时间时生成的放射性核素的放射性总活度：将将N N值代入，得值代入，得 2024/7/2336核技术应用概论核分析技术与方法活化方程式活化方程式相对分析方法相对分析方法所谓相对法所谓相对法，就是用标准样与试样在相同条件下照就是用标准样与试样在相同条件下照射和测量，标准样中待测元素的含量是已知的。射和测量，标准样中待测元素的含量是已知的。绝对法分析时遇到的问题：绝对法分析时遇到的问题：和和f f不容易准确测出。不容易准确测出。计数率计数率 2024/7/2337核技术应用概论核分析技术与方法三、中子活化分析技术基础三、中子活化分析技术基础 19361936年年，化学家赫维西（，化学家赫维西（G.HevesyG.Hevesy）和列维）和列维（H.LevyH.Levy）进行了）进行了历史上的第一次中子活化分析历史上的第一次中子活化分析（Neutron activation analysisNeutron activation analysis，NAANAA）。当时他）。当时他们用们用Ra-BeRa-Be中子源通过中子源通过164164DyDy（n,)n,)165165DyDy反应（活化反应（活化截面为截面为39003900300bar300bar，生成核的半衰期为，生成核的半衰期为139.2min139.2min），测定了氧化钇（），测定了氧化钇（Y Y2 2O O3 3）中的镝。）中的镝。中子活化分析从中子活化分析从19361936年诞生至今，已有年诞生至今，已有7070余年余年历史历史。现已成为常量、次量、微量乃至超微量元素。现已成为常量、次量、微量乃至超微量元素的重要分析方法之一，是现代核分析技术中最重要的重要分析方法之一，是现代核分析技术中最重要的方法之一。的方法之一。2024/7/2338核技术应用概论核分析技术与方法（一）中子活化源一）中子活化源中中子子活活化化源源反应堆反应堆中子源中子源加速器中加速器中子源子源同位素中同位素中子源子源(alpha,n)(alpha,n)中子源中子源:9 9Be+Be+4 4He He 1212C+nC+n 10 10Be+Be+4 4He He 1313N+n+e+1.07MeVN+n+e+1.07MeV自发裂变中子源：自发裂变中子源：252252CfCf热中子注量率高，且有好的空间均匀性热中子注量率高，且有好的空间均匀性和时间稳定性；和时间稳定性；对多数元素活化截面大；对多数元素活化截面大；反应道单纯反应道单纯多为（多为（n n，）；（p,np,n）：）：7 7Li(p,n)Li(p,n)7 7Be;Be;3 3H(p,n)H(p,n)3 3He He （d,nd,n）：）：2 2H(d,n)H(d,n)3 3He;He;3 3H(d,n)H(d,n)4 4HeHe中子能量及其产额受多因素影响。中子能量及其产额受多因素影响。占全部活化分析占全部活化分析95%95%以上。以上。2024/7/2339核技术应用概论核分析技术与方法定义定义及及特点特点n定义：定义：用中子照射稳定核素，稳定核素吸收中子变成放射性核用中子照射稳定核素，稳定核素吸收中子变成放射性核素，发射素，发射射线，测量射线，测量射线的能量和强度可以得知原来稳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。定核素的元素名称和含量。n特点：特点：检出限好检出限好 热中子活化分析，对热中子活化分析，对8080多种元素的分析检出限多种元素的分析检出限好，可达到好，可达到10106 610101111g g，少数元素可高达，少数元素可高达1010131310101414，这是其它分析方法所不及的。这是其它分析方法所不及的。分析速度快、精度高分析速度快、精度高 采用微机控制多道脉冲幅度分析器采用微机控制多道脉冲幅度分析器及自动化分析装置，使样品的转移、照射、分析及数据处理及自动化分析装置，使样品的转移、照射、分析及数据处理等全部自动化，每天可分析数百个样品等全部自动化，每天可分析数百个样品。能作多元素同时分析能作多元素同时分析。能作非破坏性分析能作非破坏性分析 这点对需要保持样品完好状态的分析这点对需要保持样品完好状态的分析工作具有重要意义工作具有重要意义。2024/7/2340核技术应用概论核分析技术与方法四、中子活化分析步骤四、中子活化分析步骤2024/7/2341核技术应用概论核分析技术与方法样品的放射性活度随时间的变化样品的放射性活度随时间的变化2024/7/2342核技术应用概论核分析技术与方法辐照时间内放射性核素产额辐照时间内放射性核素产额2024/7/2343核技术应用概论核分析技术与方法冷却时间内放射性活度冷却时间内放射性活度2024/7/2344核技术应用概论核分析技术与方法测量阶段的放射性计数测量阶段的放射性计数2024/7/2345核技术应用概论核分析技术与方法靶样品中某种核素的含量与相应靶样品中某种核素的含量与相应计数关系计数关系2024/7/2346核技术应用概论核分析技术与方法靶样品中某种核素含量的相对测量方法靶样品中某种核素含量的相对测量方法2024/7/2347核技术应用概论核分析技术与方法靶样品中某种核素含量的相对测量方法靶样品中某种核素含量的相对测量方法2024/7/2348核技术应用概论核分析技术与方法五、中子活化分析中的干扰反应五、中子活化分析中的干扰反应2024/7/2349核技术应用概论核分析技术与方法初级干扰反应的排除初级干扰反应的排除p样品的元素分离；样品的元素分离；p用纯热中子，增大（用纯热中子，增大（n,n,）反应；）反应；p由反应阈能改变中子能量；由反应阈能改变中子能量；p通过另外的核反应，测定干扰元素含量；通过另外的核反应，测定干扰元素含量；2024/7/2350核技术应用概论核分析技术与方法次级次级干扰反应干扰反应2024/7/2351核技术应用概论核分析技术与方法六、中子活化分析的应用六、中子活化分析的应用p工业工业(如冶金、煤炭、水泥、玻璃、食品等如冶金、煤炭、水泥、玻璃、食品等)p农业农业(如农作物生长，元素分布调查等如农作物生长，元素分布调查等)p地球和宇宙科学地球和宇宙科学(如研究元素在地质物质中的丰度和如研究元素在地质物质中的丰度和分布，岩石、矿物的形成和演化，矿藏资源考察分析分布，岩石、矿物的形成和演化，矿藏资源考察分析等等)p环境科学环境科学方面方面(如大气污染和水生环境中的污染研究；如大气污染和水生环境中的污染研究；土壤环境背景值调查等土壤环境背景值调查等)p生命科学生命科学(如痕量元素与疾病和健康关联的研究，组如痕量元素与疾病和健康关联的研究，组织和体液中痕量元素的含量测量，痕量元素代谢机制织和体液中痕量元素的含量测量，痕量元素代谢机制及生理、病理作用等及生理、病理作用等)p材料科学材料科学领域以及领域以及考古学和参考物认证考古学和参考物认证等方面均有广等方面均有广泛的应用泛的应用。2024/7/2352核技术应用概论核分析技术与方法 第四节第四节 同位素示踪技术同位素示踪技术p基本原理和特点基本原理和特点p同位素示踪技术在生命科学中的应用同位素示踪技术在生命科学中的应用2024/7/2353核技术应用概论核分析技术与方法引言引言19231923年，赫维西（年，赫维西（HevesyHevesy）首先创建了同位素示踪实验，首先创建了同位素示踪实验，采用天然放射性核素采用天然放射性核素212212PbPb研研究了铅盐在豆科植物内的分究了铅盐在豆科植物内的分布及转移。布及转移。19431943年荣获诺贝尔化学奖，年荣获诺贝尔化学奖，获奖原因获奖原因“使用同位素作为使用同位素作为化学过程研究的示踪剂化学过程研究的示踪剂”。是核医学的创立者。是核医学的创立者。2024/7/2354核技术应用概论核分析技术与方法引言引言HevesyHevesy在卢瑟福实验室工作在卢瑟福实验室工作期间，因怀疑女房东总是把期间，因怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃。剩菜改头换面之后给他吃。于是，他在剩菜中放上微量于是，他在剩菜中放上微量的钍，然后在下一次的菜中的钍，然后在下一次的菜中检验是否有放射性，结果他检验是否有放射性，结果他都能准确地判断是剩菜还是都能准确地判断是剩菜还是新菜。新菜。2024/7/2355核技术应用概论核分析技术与方法一、一、基本原理和特点基本原理和特点利用同位素及其化合物具有相同的化学性质和生物学利用同位素及其化合物具有相同的化学性质和生物学性质，只是具有不同的核物理性质，将同位素作为一性质，只是具有不同的核物理性质，将同位素作为一种标识物，制成含有同位素的标记化合物（如标记食种标识物，制成含有同位素的标记化合物（如标记食物、药物、代谢物等）代替相应的非标记化合物。物、药物、代谢物等）代替相应的非标记化合物。放射性核素放射性核素特征射线特征射线核探测器跟踪它在体内或体核探测器跟踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等外的位置、数量及其转变等稳定性同位素稳定性同位素质量之差质量之差通过质谱仪、气相色谱仪、通过质谱仪、气相色谱仪、核磁共振等分析仪器来测定。核磁共振等分析仪器来测定。2024/7/2356核技术应用概论核分析技术与方法放射性同位素示踪技术具有放射性同位素示踪技术具有的的特点特点：1.灵敏度高灵敏度高 可测到可测到10-11g10-18g水平，比目前较敏感的重量分析天平水平，比目前较敏感的重量分析天平要敏感要敏感107倍倍108倍。化学分析法很难测定到倍。化学分析法很难测定到10-12g水平。水平。2.方法简便方法简便 不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的化学不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的化学分离步骤。（体内示踪分离步骤。（体内示踪无损分析无损分析）3.定位定量准确定位定量准确 能准确定量地测定代谢物质的转移和转变能准确定量地测定代谢物质的转移和转变,与某些形态学与某些形态学技术相结合，可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定技术相结合，可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。亚细胞水平乃至分子水平。2024/7/2357核技术应用概论核分析技术与方法放射性同位素示踪技术具有放射性同位素示踪技术具有的的特点特点：4.符合生理条件符合生理条件 所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体内原有的相应物质的含量改变是微不足道的，体内生理内原有的相应物质的含量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果不仅符合过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果不仅符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。生理条件，更能反映客观存在的事物本质。5、存在一些缺点、存在一些缺点u工作人员要接受一定的专门训练，操作应具备相应的安全工作人员要接受一定的专门训练，操作应具备相应的安全防护设施和条件；防护设施和条件；u示踪实验时，必须注意示踪剂的示踪实验时，必须注意示踪剂的同位素效应同位素效应和和辐射效应问辐射效应问题题。2024/7/2358核技术应用概论核分析技术与方法二、二、同位素示踪技术在生命科学中的应用同位素示踪技术在生命科学中的应用放射性核素示踪在放射性核素示踪在生物化学和分子生物学生物化学和分子生物学领域应用极领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的奥秘、阐为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的奥秘、阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。在生命科学中，同位素示踪技术主要用于在生命科学中，同位素示踪技术主要用于测定生物样测定生物样品中微量物质的成份品中微量物质的成份，研究，研究物质在生物体内的转移、物质在生物体内的转移、代谢、转变代谢、转变三个方面。三个方面。2024/7/2359核技术应用概论核分析技术与方法1.生物样品中微量物质的测定生物样品中微量物质的测定（1）同位素稀释法）同位素稀释法 适用于分析微量或测定难于同其它物质定量分离适用于分析微量或测定难于同其它物质定量分离的物质。的物质。例如，例如，在生物化学中，可用同位素稀释法测定蛋白质在生物化学中，可用同位素稀释法测定蛋白质水解液中酪氨酸的质量。水解液中酪氨酸的质量。把具有放射性的把具有放射性的14C-酪氨酸加到该水解液中，充酪氨酸加到该水解液中，充分混合后，分出一部分酪氨酸溶液，加以提纯，测分混合后，分出一部分酪氨酸溶液，加以提纯，测定其放射性。定其放射性。2024/7/2360核技术应用概论核分析技术与方法1.生物样品中微量物质的测定生物样品中微量物质的测定假定：假定：水解液中原有酪氨酸的重量为水解液中原有酪氨酸的重量为B 加入的加入的14C-酪氨酸的重量为酪氨酸的重量为A 加入的加入的14C-酪氨酸的放射性比活度为酪氨酸的放射性比活度为a0 分出的酪氨酸的放射性比活度为分出的酪氨酸的放射性比活度为a。则：则：a=a0*A/(A+B)B=(a0/a-1)*A2024/7/2361核技术应用概论核分析技术与方法1.生物样品中微量物质的测定生物样品中微量物质的测定 利用同位素稀释法也可用于水肿、脱水、消耗性利用同位素稀释法也可用于水肿、脱水、消耗性疾病及外伤后恢复期的诊断时测定人的全身水量。疾病及外伤后恢复期的诊断时测定人的全身水量。则：则：全身水量全身水量 V2=V1c0/c式中式中 V1注入的含氘或含氚水量；注入的含氘或含氚水量；C0其同位素浓度；其同位素浓度；稀释后的同位素浓度。稀释后的同位素浓度。具体方法为：具体方法为：首先向人体注入含氘或氚的水，待体液与之达到首先向人体注入含氘或氚的水，待体液与之达到平衡后，取出血液样品，测定同位素含量。平衡后，取出血液样品，测定同位素含量。2024/7/2362核技术应用概论核分析技术与方法1.生物样品中微量物质的测定生物样品中微量物质的测定一种特殊的同位素稀释法，方法灵敏度高、特异性一种特殊的同位素稀释法，方法灵敏度高、特异性强、标本及试剂用量少、操作比较简便、快速、应强、标本及试剂用量少、操作比较简便、快速、应用范围广，可用于常规诊断、疾病普查和医学研究，用范围广，可用于常规诊断、疾病普查和医学研究，还可用于体液中极微量生物活性物质的测定。还可用于体液中极微量生物活性物质的测定。（2 2）竞争放射分析法）竞争放射分析法例子，例子，放射免疫分析放射免疫分析（Radioimmunoassay Radioimmunoassay RadioimmunoassayRadioimmunoassay ，RIARIA）是利用抗原）是利用抗原-抗体反应抗体反应的一种竞争放射分析。的一种竞争放射分析。2024/7/2363核技术应用概论核分析技术与方法1.生物样品中微量物质的测定生物样品中微量物质的测定利用利用RIARIA方法测定血浆胰岛素：方法测定血浆胰岛素：标记抗原（标记抗原（*AgAg）和非）和非标记抗原（标记抗原（AgAg）都会同抗体（）都会同抗体（AbAb）相结合，而且同抗体）相结合，而且同抗体结合的几率相等；当抗体的含量有限时，加入到血浆的结合的几率相等；当抗体的含量有限时，加入到血浆的标记胰岛素和血浆中的胰岛素互相竞争同抗体结合。标记胰岛素和血浆中的胰岛素互相竞争同抗体结合。2024/7/2364核技术应用概论核分析技术与方法1.生物样品中微量物质的测定生物样品中微量物质的测定对受检样品在同样条件下对受检样品在同样条件下测定结合抗原测定结合抗原(B(B，即，即*AgAbAgAb)的放射性和游离抗的放射性和游离抗原（原（F F，即，即*AgAg）的放射性，）的放射性，算出结合率算出结合率B/T(T=B+F)B/T(T=B+F)，即可在剂量反应曲线上查即可在剂量反应曲线上查出样品中的抗原含量。出样品中的抗原含量。标记抗原抗体复合物标记抗原抗体复合物(*(*AgAbAgAb)生成量与生成量与AgAg量成量成反比，而剩余的未结合反比，而剩余的未结合标记抗原标记抗原(或游离或游离*Ag)Ag)与与AgAg成正比。成正比。剂量反应曲线或标定曲线剂量反应曲线或标定曲线用一系列不同剂量的标用一系列不同剂量的标准抗原进行反应，计算准抗原进行反应，计算相应的相应的B/TB/T，可以绘制出，可以绘制出一条剂量反应曲线一条剂量反应曲线2024/7/2365核技术应用概论核分析技术与方法1.生物样品中微量物质的测定生物样品中微量物质的测定 利用全身计数器可快利用全身计数器可快速而灵敏地测定人体内总速而灵敏地测定人体内总放射性。体内放射性。体内4040K K占全身钾占全身钾总量的比例（总量的比例（0.01180.0118）是恒定的，测出体内是恒定的，测出体内4040K K的的含量，就可算出全身钾总含量，就可算出全身钾总量，可用于判定肌肉萎缩量，可用于判定肌肉萎缩患者疾病的严重程度。患者疾病的严重程度。（3 3）全身计数法）全身计数法2024/7/2366核技术应用概论核分析技术与方法2.物质在生物体内的转移物质在生物体内的转移 把待研究的物质加以标记，就有可能跟踪这些把待研究的物质加以标记，就有可能跟踪这些物质在机体内的转移及其速度，研究分布、浓集、物质在机体内的转移及其速度，研究分布、浓集、摄取、吸收、分泌、排泄、通透性、血流速度、肿摄取、吸收、分泌、排泄、通透性、血流速度、肿瘤定位、分子内反应位置、药物作用原理等问题。瘤定位、分子内反应位置、药物作用原理等问题。例如例如 将将3232P P标记的结核杆菌制成气溶胶令小鼠吸入，标记的结核杆菌制成气溶胶令小鼠吸入，于不同时间测定肺、食道、肝、肾等部位的放射性，于不同时间测定肺、食道、肝、肾等部位的放射性，就可了解这种通过呼吸道感染的细菌在体内分布和就可了解这种通过呼吸道感染的细菌在体内分布和滞留的规律性。滞留的规律性。2024/7/2367核技术应用概论核分析技术与方法3.物质在生物体内的代谢、转变物质在生物体内的代谢、转变 在过去的物质转变研究中，一般都采用离体酶在过去的物质转变研究中，一般都采用离体酶学方法，但是离体酶学方法的研究结果，不一定能学方法，但是离体酶学方法的研究结果，不一定能代表整体情况。应用同位素示踪技术，使研究有关代表整体情况。应用同位素示踪技术，使研究有关物质转变的实验周期大大缩短，而且在离体、整体、物质转变的实验周期大大缩短，而且在离体、整体、无细胞体系的情况下都可应用，操作简化，提高测无细胞体系的情况下都可应用，操作简化，提高测定灵敏度，不仅能作定性分析，还可作定量分析。定灵敏度，不仅能作定性分析，还可作定量分析。2024/7/2368核技术应用概论核分析技术与方法3.物质在生物体内的代谢、转变物质在生物体内的代谢、转变例如，在研究肝脏胆固醇的来源时，用放射性核素例如，在研究肝脏胆固醇的来源时，用放射性核素标记物标记物3 3H-H-胆固醇作静脉注射的示踪实验表明，放射胆固醇作静脉注射的示踪实验表明，放射性大部分先进入肝脏，再出现在粪中，且甲状腺素性大部分先进入肝脏，再出现在粪中，且甲状腺素能加速这个过程，从而可说明能加速这个过程，从而可说明肝脏是处理血浆胆固肝脏是处理血浆胆固醇的主要器官醇的主要器官。甲状腺能降低血中胆固醇含量的机。甲状腺能降低血中胆固醇含量的机理是甲状腺素能加速血浆胆固醇向肝脏转移。理是甲状腺素能加速血浆胆固醇向肝脏转移。2024/7/2369核技术应用概论核分析技术与方法习题习题1.1.请描述请描述X X射线荧光分析的基本原理？射线荧光分析的基本原理？2.2.利用利用X X射线荧光分析方法进行样品分析时，对样射线荧光分析方法进行样品分析时，对样品有哪些具体要求？品有哪些具体要求？3 3中子活化分析的原理是什么？中子活化分析的原理是什么？2024/7/2370核技术应用概论核分析技术与方法2024/7/2371核技术应用概论核分析技术与方法