中子活化分析技术.ppt

活化分析技术ActivationAnalysis AA 1 离子束分析 用一定能量的带电离子轰击靶物质并与之发生相互作用 靶材和离子束状态都发生变化 产生各种次级效应 通过分析和测定这些次级效应来研究被轰击材料的结构和性质 离子束分析技术于1968年问世 是一种重要的表面分析方法 主要的离子束分析技术包括核反应分析 Nuclearreactionanalysis NRA 卢瑟福反散射 Rutherfordbackscatteringspectrometry RBS 质子诱发X荧光发射 ProtoninducedX rayemission PIXE 加速器质谱分析 Acceleratormassspectrometry AMS 沟道效应分析 Channelingtechnology CT 等 2 超精细相互作用核分析 Hyperfineeffectanalysis 利用原子核的磁矩和电四极矩与周围电磁场之间的相互作用 分析核能级的移动和分裂 获得周围环境的信息 从而探测物质的微观结构 主要的超精细相互作用核分析包括穆斯堡尔效应 M ssbauereffect 扰动角关联效应 核磁共振效应 正电子湮灭效应 Positron annihilationtechnique PAT 中子衍射 Neutrondiffraction 和中子散射 Neutronscattering 技术等 3 活化分析 活化分析技术始于1936年 是检测荷能中子束或带电粒子束轰击试样所产生的瞬发辐射和缓发辐射 这种分析技术近年来还用于分子活化分析和体内活化分析中 活化分析主要包括带电粒子活化 射线活化和中子活化三种 其中 中子活化分析灵敏度高 精度好 并可进行多个元素的同时测定 活化分析的这些特点 在环境研究中尤为凸显 例如 对于长距离大气输送问题 极区大气颗粒的化学组成和来源 以及某些特殊情况下的环境背景值测定等 当要求具有更高的灵敏度与准确度时 使用其它传统方法是难以满足要求的 活化分析技术对于固体环境样品 如大气尘埃 气溶胶 植物样品 大气悬浮物等 中的痕量元素分析也具有明显的优越性 活化分析的原理 活化分析作为一种核分析方法 它的基础是核反应 该方法是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 然后测定核反应中生成的放射性核衰变时放出的缓发辐射或者直接测定核反应中放出的瞬发辐射 从而实现元素的定性和定量分析 当使用中子轰击待测样品的原子核时 待测样品的原子核会吸收中子 在大多数情况下会形成不稳定的具有放射性的同位素 这就是所谓的 活化 活化 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 射线与核素之间存在特定的对应关系 通过测定放射线的能量和强度 便可完成元素的定性和定量分析 这就是 活化分析 的基本过程 活化分析基于核反应中产生的放射性核 其放射性活度由下式 3 5 给出 式中T1 2 半衰期 f 粒子注量率 核反应截面 N 靶核数目 t 照射时间 At 照射t时间时生成的放射性核素的放射性总活度 在活化分析中 一般照射后并不立即进行放射性测量 而是让放射性样品 冷却 即衰变 一段时间 于是在辐射结束后t 时刻的放射性活度为 靶核数目为 为靶核的天然丰度 W为靶元素的质量 M为靶元素相对原子质量 6 023 1023为阿伏伽德罗常数 将N值代入式3 5 得 从原理上讲 活化分析是一种绝对分析方法 然而在实际工作中 由于放射性的绝对测量比较麻烦 和f值不容易准确测出 所以在活化分析中很少使用绝对法 大都采用相对法 所谓相对法 即配制含有已知量W标待测元素的标准 与试样在相同条件下照射和测量 由此可得 由式3 8和式3 9 可推出 式中 t 时刻测量的试样中待测核素的计数率 t 时刻测量的标准中待测核素的计数率 于是 试样中待测元素的浓度为 中子活化分析技术NeutronActivationAnalysis NAA 1 什麽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 ppmpartspermillionppbpartsperbillionpptpartspertrillion 中子特性概述 Neutroncharacteristic 中子的基本性质 Thebasicpropertyofneutron Mass Mp Mn 1 008665012uCharge zero实验测得中子在电场中偏转 1 5 2 2 10 20eHalflife 10 69minn 1H e 反中微子Decayenergy Emax 782 13 keVSpin 1 2 同位素中子源 Radioisotope Neutronyieldunits s 1 g 11 alpha n 中子源 9Be 4He 12C n10Be 4He 13N n e 1 07MeV2 自发裂变中子源 Spontaneousfission For252Cf yield 106 g 1s 1 加速器中子源 Acceleratorbasednuclearreaction 1 p n 中子源 7Li p n 7Be 3H p n 3He2 d n 中子源 2H d n 3He 3H d n 4He 反应堆中子源 Nuclearreactor 中子与物质相互作用 核反应 中子可以与所有原子核发生核反应弹性散射 中子与原子核发生弹性散射 中子慢化核裂变 将重核裂变为轻核中子活化 原来稳定的原子核 经俘获中子后变成具有放射性的原子核的过程 中子探测 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 核反应法 Neutronreaction n 10B alpha 7Li 2 792MeVn 6Li alpha 3T 4 786MeVn 3He alpha 0 764MeV核反冲法中子与H原子核的弹性碰撞n H n p 2 中子活化分析 n 方法基本原理 核指纹 不同放射性同位素的半衰期和发射 射线的能量都是不同的 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 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性同位素 其半衰期和 射线能量也是不同的 中子活化分析就是根据获得样品的 核指纹 特征 判别材料中含有的元素及其含量 中子活化分析定量方法 绝对法 在实际的操作中 一般在照射后并不立即进行放射性测量 这可能是因为操作过程的原因 也可能是要等待较短的元素先衰变 便于测量较长的元素 中子活化分析定量方法 绝对法 中子活化分析定量方法 绝对法 中子活化分析定量方法 绝对法 中子活化分析定量方法 绝对法 中子活化分析定量方法 相对法 将样品盒待分析元素标准在相同的条件下进行照射和测量 然后将样品中待测元素的特征射线与标准的放射性相比 获得待测元素的含量 中子活化分析定量方法 相对法 中子活化分析定量方法 相对法 中子活化分析定量方法 相对法 Howtoexclude 初级干扰反应的排除 pre separation 样品的元素分离 purethermalneutron 用纯热中子 增大 n 反应 changeneutronenergyaccordingtodifferentthreshold 由反应阈能改变中子能量 getthecontentofinterferenceelementfromotherreaction 通过另外的核反应 测定干扰元素含量 中子活化分析定量方法 相对法 中子活化分析定量方法 相对法 3 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 n 2 中子束照射样品3 活化 4 化学分离 1 样品2 样品制备3 辐照4 放射化学分离5 放射性测量6 结果评价 4 中子活化分析设备 中国原子能科学院重水实验反应堆 5 中子活化分析广泛用于 头发样品 水质分析 计数 能量 中子活化冷却4小时后测量痕量元素7种若4周后测量 还有其他痕量元素存在 6 中子活化 n 分析探测限 测量1小时放射性计数100探测效率10 7 中子活化分析应用举例 1 恐龙灭绝原因 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 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Ir1 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11 10 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 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 痕量核素的定量分析 中子活化技术的应用举例 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 中子活化技术的应用举例 中子活化分析在考古学中主要用来测量陶瓷器 玻璃 银币 铜镜 骨头化石等样品中的微量元素和痕量元素 进行统计分析 寻找共同性和差异性 从而确定元素成分的演变 产地及矿源等 不同地区的陶瓷土的元素组成差异 特别是微量 痕量元素组成差异大于它们在同一陶土源不同部位的涨落 中子活化技术的应用举例 以我国古瓷研究为例 古代瓷器原料就地取材 其中所含的微量元素种类不多 一般不影响瓷器质量 但在瓷器中长期保存 成为各类瓷器的分辨特征 经中子活化分析不仅确定了古瓷中微量元素的古瓷窑窑系 分析了各处古窑的瓷土来源 瓷釉中元素含量的分布说明了原料配方上的差别 更重要的是利用中子活化分析的测量数据建立了各窑系 各瓷类的微量元素特征谱系 瓷类特征谱系因配料不同而形成 其中所含的元素和含量有明显差别 如浙江龙泉窑青瓷釉的宋代和明代特征迥异 中子活化技术的应用举例 外国学者用中子活化分析技术已积累了许多资料 通过对古陶瓷的大量数据积累从中选出地域性特征微量 痕量元素及其含量 用现代陶器 源粘土进行对比 进一步推断古陶瓷的制作年代和烧制地点 我国也用此法进行研究