中子活化分析

快、慢中子活化分析技术
一、常用的中子核反应
按中子能量范围的不同，中子活化分析可区分 为慢中子活化分析和快中子活化分析。慢中子活化 是通过(n，γ )俘获反应生成放射性核素。大多数 核的慢中子活化截面很大，故分析灵敏度高。快中 子活化是通过(n，p)、(n，α )、(n，2n)、和(n， n’γ )阈能反应生成放射性核素。快中子的活化截 面比慢中子的活化截面小，但对轻元素分析具有较 高的分析灵敏度。快、慢中子活化分析技术包括辐 照源的选择、样品制备和处理、干扰反应影响的考 虑、放射性测量和数据处理等实验方法和技术。
活化分析原理
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γ 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γ 射线。由于核素放出的γ 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。
的相对活度及样品测量时的总计数率有关。计数率低时，统 计涨落大，衰变曲线分解结果误差较大。当然，在分解混合 衰变曲线前，先将实验数据点进行光滑，有利于曲线的分解。 衰变曲线法适合于短寿命核素的测定。短寿命核素分析 所需的辐照时间短，测量时间也短，分析速度很快。对于样 品基体元素产生的寿命短、但活度强的放射性核素，测量时 可以延长等待时间，让它先衰变，以减小对测量的影响。图 1．4给出了样品中稀土放射性核素混合衰变曲线分解的例子。
A(t ) A0i exp(0.693t / T1/ 2 , i) （1.45）
i
将混合衰变曲线进行分解，可以得到每一种核素的 衰变曲线，简单的分解办法是图解法，即从混合衰 变曲线中斜率最小的那部分曲线开始作一直线，定 出寿命最长的放射性核素的半衰期；然后从混合衰
变曲线中扣除这寿命最长的核素成分的贡献，得到
N0 E N E ' f E E ' dE ' （1.46）


为了得到真实的γ 能谱(各个分立谱线) ，需对 实验测得的混合γ 谱进行退卷积处理(参见第三章第 二节) 。 迄今，已发展了许多γ 谱解谱方法和计算 机程序，能自动鉴别复杂的γ 谱中的各个峰，确定 其中心位置 (能量) 和峰面积(扣除了本底及康普顿 峰的全能峰净计数），从而确定核素成分和计算出 待测样品中的元素浓度。在鉴别核素时，不仅可以 从核素的—个γ 射线峰来进一步鉴别核素。这种测 量方法较之前述的衰变曲线法准确度高，且能作多 元素同时分析，但受探测效率限制，灵敏度受—定 影响。 计算中要对γ 射线峰面积计数损失作修正，包 括死时间修正和符合计数修正。在测量样品的放射 性时，由于存在偶然符合和真符合，使核素发射的
中子活化分析
目
录
中子活化测量中子通量密度
快、慢中子活化分析技术 中子活化分析技术的应用
中子活化法测量中子通量密度
三、激活材料的选取 1.考虑的因素： （1）材料的中子活化截面随中子能量的变化必须精确知道。测量弱中子通 量时应选择截面大的材料；测量强中子通量时，应选择截面小的材料。 （2）材料要纯，容易加工成薄箔。 （3）要求反应产产物的半衰期适宜于测量。 （4）激活片辐照后最好只产生一种放射性核素。 2.常用激活片材料
体积小，便于携带，并且产生的中子产额稳定。但是同位素 中子源的热中子通量比反应堆中的低得多，与中子发生器上 慢化后的热中子通量大小差不多。 2．样品传送装置 样品装在特殊的容器(称跑兔)内，通过气动传送装置将 它们迅速准确地送到辐照位置，辐照完后再由这传送装置将 样品快速送到测量部位。这样避免了高辐照剂量对人体的危 害，同时能满足做短寿命核素活化分析的需要。由于样品包 装容器在辐照时同时也可能产生放射性，并且长期辐照后材 料会因辐射而损伤，所以，应选择纯度高、活化截面小和耐 辐照的材料，如二氧化硅、聚乙烯等做包装材料和跑兔。为 避免在反应堆中辐照时由于吸收γ 射线和其他辐射产生的热 量，传送管道是需冷却的，样品等也应尽量保持良好的热传 导 。
五、放射性活度测量和核素鉴别
辐照生成的放射性核素的活度或者γ 射线强度 测量有三种方法：一是衰变曲线法，二是能谱法， 三是能谱和衰变曲线法的结合。 1．衰变曲线法 测量放射性核素的衰变曲线，从衰变曲线的分析可 以确定被测核素的半衰期，而且能在样品基体元素 和其他杂质元素的干扰存在的情况下鉴别出待测元 素种类和确定其活度。对于只存在单种放射性核素 的简单情况，在t时刻的活度为
某一能量的γ 射线全能峰计数丢失。偶然符合计数率和分 辨时间有关；而真符合计数是在分辨时间内核素发射的级 联γ 射线之间或γ 射线与内转换过程后发射的特征X射线 之间的相加脉冲计数，真符合计数只与核素性质有关，与 计数率无关。这两种效应所造成的后果都是使原来应属于 某一能量的γ 射线全能峰计数被记录到另一能量的峰计数 中去。所以，对多道分析器记录的γ 射线全能峰计数需进 行真符合和偶然符合计数修正，尤其是用绝对测量法计算 浓度时，应作这项修正。在相对测量中，只有当标准样品 和待测样品的γ 射线计数率相差太大时，才需对偶然符合 计数进行修正。 当两种放射性核素的半衰期几乎相同，化学分离又很 困难，而且γ 射线能量又十分接近的情况下，只能用能谱 测量法，并对能谱进行分解，才能鉴别核素。
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。
中子活化分析
镉的吸收截面与中子 能量关系
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、γ 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。
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，甚至可以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。 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新的进展。
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， 使中子活化分析术得到迅速发展。
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。
寿命较短的核素的衰变曲线，再对这修正后的混合 衰变曲线进行分解。对所包含的每一种核素成分都 重复这样的分解步骤，就求得每种核素的活度。当 样品中包含的核素种类较少，而且半衰期数值相差 较大(约5倍)时，这种图解法鉴别核素能得到较好的 结果。 混合衰变源自文库线的分解也可以用计算机程序来完 成。采用最小二乘法拟合，解一线性方程组求得各 个核素在测量初始时刻的活度。对半衰期相差2~3倍 的核素的鉴别，计算机程序分解法能得到较好的结 果。衰变曲线的分解结果可靠性也与各个核素成分
例如，几克重量的样品将会造成中子自屏蔽效应。 固体样本的制备十分简单，切割成合适大小的薄 片即可，粉末样品可以密封在一个容器内，或者压成 薄片，用纯Al箔或清洁滤纸包装。作标准样品时，粉 末应充分混合均匀。液体和气体样品可密封在石英安 瓿或聚乙烯容器内。生物样品可通过冷冻干燥、粉碎 后压成片状，采样时可使用石英刀或T1刀以减少沾污。 气溶胶样品可采集在多孔滤膜上，、然后包装压成薄 片。包装用的A1箔和滤纸可单独压成样品进行辐照， 以便以后样品分析的数据处理时扣除包装材料的本底 元素浓度。 有些元素分析需对样品进行浓缩后再做成合适的 样品，例如灰化处理是一种常用的方法。样品制备过 程中要严格防止沾污，以及由于挥发或容器壁吸附引
起的损失。对辐照后的样品进行必要的化学分离时， 应确保元素的回收率恒定。样品辐照后进行处理过 程中，来自溶剂、容器的元素污染(一般不是放射性 污染)不会干扰样品中已形成的放射性核素的测量， 所以活化分析法的相对抗污染性强。 四、干扰反应 中子活化分析中的干扰，泛指不同元素通过不 同核反应形成了同一种被用来作鉴定的放射性核素； 或者，生成的不同放射性核素的半衰期相近及发射 的γ 射线能量差小于探测器能量分辨率；某种放射 性核素衰变后的子核与待鉴定的核素相同；测量γ 射线时的其它本底干扰等。来自于核反应的干扰包 括初级反应和次级反应两种。
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高分辨率γ 谱仪根解谱程序的使用，能省去样品活化后 的放射化学分离步骤，实现对样品进行非破坏性、多元素分 析。我们称这种分析法为仪器中子活化分析(记为INAA)。但 在某些情况中，为提高分析灵敏度和元素鉴别能力，必要的 放射化学分离步骤仍是需要的。这时样品结构被破坏，我们 称这种分析法为放射化学中子活化分析( 记为R N A A )。 另外，为避免或减少化学分离步骤，有时可采用符合测量、 康普顿补偿等计数装置和技术 。 三、样品制备 待分析样品和标准样品制备是十分重要的 ，它关系到 分析结果的可靠性和准确度。对样品的大小、状态，样品的 包装，样品的采集，以及在制备和辐照过程中的沾污、挥发、 吸附等因素，都必须认真考虑。从分析灵敏度考虑，样品应 大一些，但是样品太大影响中子通量密度分布和引起γ 射线 的自吸收。
四、激活片的制备 1.滚筒多次压缩法:适用于稳定性好较软的金属如铟，金，银等。一般可以做到 小于0.1mm厚，用称重法定出厚度d，然后，将压延的激活片冲切或剪割成所需 形状，在平整地粘贴在铝片衬底上。最后，在激活片表面涂上很薄的有机膜做保 护层。 2.真空喷涂法:对要求激活片厚度很薄，则可以用真空喷涂法蒸发在铝衬底上。 对于不稳定金属，则应该选择其稳定化合物作为原料。 3.不能压延的金属，如镝，则可用氧化镝粉末均匀混合在火棉胶的香蕉水溶液 中做的很稀，用滴管滴在铝片上，待香蕉水蒸发后，铝片上会留下一薄层均匀的 三氧化二镝。 五、隔差法 1.作用：激活片的感生反射性由热中子和共振中子共同 作用产生，隔差法可以把两种贡献区分开来。 2.过程：测量两次，第一次测量不包隔的激活片的饱和 放射性，第二次测量包隔的饱和放射性。二者做差就是 热中子的贡献。 3.激活片必须很薄
A(t ) A0 exp(0.693t / T1/ 2 )
(1．44)
式中，是辐照结束时刻的放射性活度．InA(t)与t为 直线关系，直线的斜率表示半衰期与纵坐标InA(t) 且(z)的交点可得A。 如果辐照后生成好几种放射性核素，则测得的 衰变曲线是这些放射性核素的混合衰变曲线，在任 意时刻t测得的活度是各个核素成分的活度之和，即