第四章 活化分析(1)---中子活化分析

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耳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 了氧化钆中的镝，定量分析的结果为10-3克/克。 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 . 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。 现在活化分析已经广泛应用于环境科学、生物学、医学、材料科学、地球 化学、考古学等部门。
t0
t1
t2
辐照时间内 放射性核素产额
100%
A t0 t1 t2
N t : total atomic number in sample
(1) (2) (3)
σ : Section for thermal neutron p = N t ⋅σ ⋅ Φ Φ : Flux cm-2 s-1 dN A = − = λ ⋅ N dt
1
N
(t ) =
λ
⋅ N
t
⋅σ ⋅ Φ ⋅ 1 − e
(
)
)
N
(t ) ⋅
0
e
− λ ⋅(t − t
0
测量阶段的 放射性计数
100%
A t0 t1 t2
N = N (t 1 ) ⋅ 1 − e
[
− λ ⋅ (t 2 − t 1 )
]
⋅ pγ ⋅
1 1+ a
f
d
⋅ε
N =
N t ⋅σ ⋅ Φ
λ
⋅ 1 − e − λ ⋅t 0 ⋅ e − λ ⋅(t1 − t 0 ) ⋅ 1 − e − λ ⋅(t 2 − t1 ) ⋅ f d ⋅ ε
H
n
电离
中子活化分析概念
靶样品在中子束照射下，通过 靶样品在中子束照射下，通过(n, γ)， (n, α)， ， ， (n, p)的等反应生成放射性核素，处理照射样品， 的等反应生成放射性核素， 的等反应生成放射性核素 处理照射样品， 测量放射性活度和射线能量， 测量放射性活度和射线能量，可以确定靶样品中某 种核素的含量和种类。 种核素的含量和种类。
irradiation
Out; radiochemical separation; decay;
ห้องสมุดไป่ตู้
measurement
（ n , γ )中子活化分析
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 素，发射γ射线，测量γ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 特点：1）高灵敏：ppm（10-6） ppb（10-9） 1 微克 / 1克 10-3 微克/1 克
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。
中子特性概述 characteristic） （Neutron characteristic）
中子的基本性质（ 中子的基本性质（The basic property of neutron） ）
Mass ---- >Mp , Mn=1.008665012 u Charge ---- zero ? 实验测得中子在电场中偏转 → (-1.5 ± 2.2) ×10-20 e Half life ---- 10.69 min n → 1H + e + ν(中微子) Decay energy ---- Emax = (782 ±13) keV Spin ---- 1/2
1. (p,n)中子源: 2. (d,n)中子源:
7Li(p,n)7Be; 3H(p,n)3He 2H(d,n)3He; 3H(d,n)4He
• 反应堆中子源 反应堆中子源(Nuclear reactor)
中子与物质相互作用 中子与物质相互作用 (Neutron Interactions with Matter)
Decay factor C’ measurement factor
(
)
[
]
Saturation factor
Pr ：发射某种能量 γ射线的分支比；
3
核分析分类
3）核效应分析 穆斯堡尔效应分析* 穆斯堡尔效应分析* 正电子淹灭技术* 正电子淹灭技术* 扰动角关联 核磁共振 4）超灵敏质谱分析 *
1）活化分析 中子活化分析* 中子活化分析* 带电粒子活化分析* 带电粒子活化分析* 2）离子束分析 卢瑟福背散射分析* 卢瑟福背散射分析* 沟道技术分析* 沟道技术分析* 核反应分析* 核反应分析* 粒子诱发x荧光分析* 粒子诱发x荧光分析*
第四章 活化分析技术
1 什麽是核分析 • 核分析：利用核辐射粒子与物质的原子或原子核相互作 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，分析研究物 采用核物理实验技术获得可观测信息， 质材料成分和结构的方法。 质材料成分和结构的方法。 • 核粒子： 中子、γ 射线、 α粒子、β粒子、正电子、质 核粒子： 中子、 射线、 粒子、 粒子、正电子、 子、以及加速器出射的其它粒子。 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。 相互作用： 以及核力作用。 • 核分析方法大量出现、发展和广泛应用起始于上世纪60 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 年代。 用设备“解放”出来，有条件用于应用方面的研究。 用设备“解放”出来，有条件用于应用方面的研究。
1）核反应法(Neutron reaction) n + 10B n + 6Li n + 3He alpha + 7Li + 2.792 MeV alpha + 3T + 4.786 MeV alpha + 3T + 0.764 MeV n 2）核反冲法 中子与 H 原子核的弹性碰撞 n + H → n + p p
（ n , γ )中子活化分析步骤
1）样品 2）辐照 3）放射性测量 4）结果评价 2 中子束照射样品 活化 化学分离 3 测量样品放射性 γ 射线能谱
1 样 品 稳定核素 构成
（ n , γ )
活化： 活化：稳定 核素吸收中 子变成放射 性的
γ 射线谱仪 射线能谱（ 根据 γ 射线能谱（能量和 强度）以及半衰期等分析， 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。 及其含量。
4
（ n , γ )中子活化分析公式推导 (The principle)
中子活化分析步骤
辐照 时间 0 辐照 开始 t0 取出 样品
冷却 时间 t1 测量 开始
测量 时间 t2 测量 结束
样品的放射性活度随时间的变化
Saturation 100% A irradiation decay measurement
中子活化分析 Neutron Activation Analysis（NAA） Analysis（NAA）
活化分析技术的发展 中子特性概述 中子活化分析概念 （ n , γ )中子活化分析 基本原理 分析步骤 公式推导 核素含量的测量方法 绝对测量方法 相对测量方法 中子活化分析中的干扰反应 中子活化分析设备 中子活化分析技术类型 中子活化技术的应用举例
中子源（ 中子源（Neutron source） ）
Slow neutron
0 1 keV
Medium neutron
0.5 MeV
Fast neutron
10 MeV
E<0.002 eV
E=1eV~100 eV Resonance neutron Elastic scattering
Cold neutron
E=0.025 eV
Nuclear reaction
Thermal neutron E>0.5 eV Epithermal neutron
• 同位素中子源（Radioisotope） 同位素中子源（ ）
Neutron yield units ： s-1 µg-1 1. (alpha, n)中子源:
2 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 在近代科学的发展中， 展。许多材料的重要的物理性能和化学性能与材料中 痕量杂质元素、晶体的缺陷和微观结构有关 有关。 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、 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。 进行测量和表征。这些分析方法同样也适用其它领域。 • 核分析方法是其中的一种，它的出现和广泛的应用对 核分析方法是其中的一种， 传统的化学的、物理的方法是一个挑战，具有高灵敏、 传统的化学的、物理的方法是一个挑战，具有高灵敏、 快速和不破坏样品等特点，有时， 非核莫属” 快速和不破坏样品等特点，有时，“非核莫属”，是 一种不可替代的特殊的分析技术。 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。 学和核技术的重要方面。
Course on Nuclear Technology it’s and it s Application 核技术及应用课程） （核技术及应用课程）
J.L.ZHOU（周剑良） J.L.ZHOU（周剑良） School of Nuclear Science and Technology Nanhua University 南华大学核科学技术学院） （南华大学核科学技术学院）
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
• 加速器中子源 加速器中子源(Accelerator based nuclear reaction)
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。
n+
115
In →
116
In →
*
116
In + γ → 116 Sn + γ
β-
中子截面与能量的关系
中子探测(Neutron detection)
dN dt = p − λ ⋅ N
dN dt
= N t ⋅σ ⋅ Φ − λ ⋅ N K (t = 0 , N = 0 )
N (t ) =
1
λ
⋅ N t ⋅ σ ⋅ Φ ⋅ 1 − e − λ ⋅t
(
)
t = 0 ~ t0
冷却时间内 放射性活度
100%
A t0 t1
− λ ⋅t 0
t2
N
(t 0 ) =
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 ppm parts per million ppb parts per billion ppt parts per trillion
（ n , γ )中子活化分析基本原理
“γ 核指纹”： 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。