核分析技术-1

第一章 中子活化分析
Neutron Activation Analysis（NAA） 加速器中子源(Accelerator based nuclear reaction)
1. (p,n)中子源:
7Li(p,n)7Be; 3H(p,n)3He
2. (d,n)中子源:
2H(d,n)3He;
3H(d,n)4He
Neutron yield units ： s-1 µg-1 1. (alpha, n)中子源
9Be + 4He 12C + n 10Be + 4He 13N + n + 1.07MeV
2. 自发裂变中子源Spontaneous fission
For 252Cf, yield=106 µg-1 s-1 1 gram 252Cf 1012 s-1
反应堆中子活化分析
①热中子（En=0.025eV）活化分析 ②超热中子(En=0.3~0.5eV)活化分析 中子源均来自反应堆； 其检出限一般在10-6~10-9之间。
活化分析的种类[粒子种类]
快中子活化分析
中子能量：14MeV 主要工具为加速器 反应类型为（n,p）、（n,α） 主要用于钢材、铝材中微量元素的分析 ，取样后活化30秒，一分钟出结果，对于 含量经常变化的样品特别适用，可以分 析钢材中的氧含量。
反应堆中子源(Nuclear reactor)
第一章 中子活化分析
第一节 中子活化分析原理
活化：一些稳定的原子核在粒子的作 用下，发生核反应，变成新的放射性 核素，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 中子活化分析是用中子辐照样品，使 原子核发生核反应，生成具有一定寿 命的放射性核素，然后对生成的放射 性核素进行鉴别，从而确定样品中的 核素成分和含量的一种分析方法。
第一章 中子活化分析
第一节 中子活化分析原理 “γ核指纹”特性
不同放射性同位素的半衰期和发射γ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γ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γ射线能量也不同。 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。
从本质上讲，中子活化分析是一种核分 析方法，它的基础是核反应。
第一章ห้องสมุดไป่ตู้中子活化分析
第一节 中子活化分析原理
A Z
X (n，） Y W
A1 Z

A1 Z1
X:靶核， Y:生成核，W:最终衰变产物 β:衰变方式，n:中子，γ:放出γ射线 Z:原子序数，A:质量数
第一章 中子活化分析
核分析基础
核分析特点
核分析方法是其中的一种，它的出现和广泛的 应用对传统的化学的、物理的方法是一个挑战， 有时，“非核莫属”，是一种不可替代的特殊 的分析技术。这是和平利用核科学和核技术的 重要方面。 核分析技术做为必不可少的分析手段，已广泛 应用于材料、能源、环境、生命科学、以及地 质考古等领域。
核分析基础
核分析
核分析方法大量出现、发展和广泛应用起始于 上世纪60年代。加速器和反应堆等大型仪器设 备从核物理实验专用设备“解放”出来，有条 件用于应用方面的研究。
核分析技术
在痕量元素的含量和分布的分析研究中，利用 核探测技术、粒子加速技术和核物理实验方法 的一大类分析测试技术，统称为核分析技术。
第一章 中子活化分析
Neutron Activation Analysis（NAA） 中子活化分析是一种有效的核分析技 术，在微量和痕量元素分析中占有重 要的地位。 自从1936年第一次用热中子活化分析 元素以来，由于反应堆和加速器技术 、射线探测器技术和核电子学技术， 以及计算机技术的发展，使中子活化 分析技术得到迅速发展。
核分析基础
核分析特点
高灵敏度：中子活化分析µ 杂质含量(ppm)；卢瑟福背散 射RBS可分清样品表面层或深层nm量级的厚度结构。 高准确度和精密度 高分辨率(包括空间分辨率和能量分辨率) 非破坏性（不破坏样品） 多元素测定能力（多元素同时分析） 易实现自动化分析和远距离控制 。。。
第一节 中子活化分析原理 1 75 76 例： 0 n33 As33 As
76 核反应方程式记为： 75 As(n，） As 上述核反应生成的76As是75As的同位素 76As有确定的半衰期，T1/2=26.32h， β衰变 ，E β=1.2166~2.656MeV，在β衰变的过程中 伴随发出γ射线，E γ=0.559MeV，通常测量 γ射线的能量，来确定样品中75As的含量 。衰变产物为7634Se 。
第一章 中子活化分析
Neutron Activation Analysis（NAA）
从原先的放射化学分离中子活化分析发展到如今 的仪器中子活化分析，成为高灵敏度、多元素、 非破坏性元素分析的可靠方法。 目前，慢中子和快中子活化分析，几乎能分析所 有的核素；分析的灵敏度为百万分之一（ppm） ， 甚至可达十亿分之一（ppb）直至亿万分之一 （ppt）；一次能同时分析40~50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 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 Analysis（NAA） 中子源（Neutron source）
0
Slow neutron
1 keV
Medium neutron
0.5 MeV
Fast neutron
10 MeV
E<0.002 eV
E=1eV~100 eV Resonance neutron
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 速器氘束测定了纯铁中的镓，进行了第一 次带电粒子活化分析。 1942年建成了可提供比同位素中子源要高 得多的通量的反应堆，1948年出现了NaI 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热中子活化分析 法。用活化分析能测定 ppm 以至ppb Xe （氙）。
活化分析的种类[粒子种类]
带电粒子活化分析
带电粒子主要是指质子（p） 对于原子序数 3~9的元素特别有用，例如 B、C、N、O，这些元素X荧光分析几乎 无能为力。 地质上为了解金刚石的成因，需了解N的 含量，半导体材料中，经常要了解杂质 元素的含量，特别是轻元素杂质的含量 。
丰度
同位素：原子序数（质子数）相同， 中子数不同的核素 丰度——自然界中某个核素占整个同 位素的比例
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 析技术的原理、技术和应用，为学生将来 从事材料无损分析工作奠定理论基础和实 验技术能力。 要求学生掌握活化分析、X射线荧光分析等 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。
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 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 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。 1932年英国物理学家查德威克发现了中子。 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。 1936年化学家海维希和列维进行了历史上第 一次中子活化分析。他们测定了氧化钆(Gd) 中的镝(Dy)，定量分析的结果为10-3克/克。
核分析基础
成都理工大学 核自学院
核分析基础
核分析
核分析：利用核辐射粒子与物质的原子或原子 核相互作用，采用核物理实验技术获得可观测 信息，分析物质成分和结构的一种髙灵敏分析 方法。 核辐射粒子： 中子、γ射线、α粒子、β粒子、 正电子、质子以及加速器出射的其它粒子。 相互作用：主要是电磁作用 ，以及核力作用。
例：40K有三个同位素：39K、40K、41K，其 中93.08%为39K， 6.91%为41K , 40K只占整个同 位素的0.012%,但确是一个很强的γ辐射体 ,放出能量为1.46MeV的γ射线。
丰度
丰度——自然界中某个核素占整个同 位素的比例
41K的反应方程为： 41K（n， γ ）42K 42K的半衰期（T1/2）为12.4h； 42K 的γ射线的能量为（E）=1254.7KeV 活化分析的前提是：某个核素的同位素 丰度是固定的。 自然界中一般的同位素丰度是固定的。
第一章 中子活化分析
Neutron Activation Analysis（NAA）
中子活化分析不仅是作为一种常规的元素定量分 析方法，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 、地球化学、考古学刑庭侦查等许多领域； 而且也是作为验证其他分析方法可靠性的一种监 测手段，在许多场合用于对比测量。 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 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。
核分析基础
核分析特点
在近代科学的发展中，人们十分重视材料的研 究和发展。许多材料的重要的物理性能和化学 性能与材料中的痕量杂质元素、晶体的缺陷和 微观结构有关。 人们发展了许多物理的和化学的分析方法，对 元素成分、物质结构以及杂质浓度体分布和表 面层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。
参考文献
1.《核分析技术》，赵国庆、任炽刚编，原子能出版社， 1989 2.《活化分析基础》，柴子芳编著，原子能出版社，1982 3.《核地球物理勘查方法》，曹利国，原子能出版社， 1996 4.《现代核分析技术研究及其在若干环境 问题中的应用研 究》，孙景信等著，原子能出版社，1994 5.《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”，项目组著，原子 能出版社，1994 6.《核分析技术与环境科学》，“现代核分析技术及其在 环境科学中的应用”项目组著，原子能出版社，1997
Cold neutron
E=0.025 eV
Nuclear reaction
Elastic scattering
Thermal neutron
E>0.5 eV Epithermal neutron
第一章 中子活化分析
Neutron Activation Analysis（NAA） 同位素中子源（Radioisotope）
第一章 中子活化分析
Neutron Activation Analysis（NAA） 我们在这一章里主要叙述仪器中子活 化分析，并附带介绍中子俘获瞬发射 线活化分析。
第一章 中子活化分析
Neutron Activation Analysis（NAA） 中子特性（Neutron characteristic）
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。 60年代初期出现了半导体探测器使分辨率 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 的应用更把活化分析推向一个新的领域。
活化分析的种类[粒子种类]
核分析基础
核分析分类
1）活化分析
中子活化分析 带电粒子活化分析
2）离子束分析
卢瑟福背散射分析 沟道技术分析 核反应分析 粒子诱发x荧光分析
核分析基础
核分析分类
3）核效应分析
穆斯堡尔效应分析 正电子淹灭技术 扰动角关联 核磁共振
4）超灵敏质谱分析
基本性质The basic property
Mass ---->Mp , Mn=1.008665012 u Charge ---- zero Half life ---- 10.69 min
n → 1H + e + ν(中微子)
Decay energy --- Emax = (782 ±13) keV