中子活化分析课件

中子活化分析中子活化分析1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目录中子活化测量中子通量密度2中子活化法测量中子通量密度

中子活化法测量中子通量密度

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5三、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.常用激活片材料三、激活材料的选取6四、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

镉的吸收截面与中子能量关系四、激活片的制备镉的吸收截面与中子能量关系7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。活化分析活化分析技术始于1936年，是检测荷能中子束或8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。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9活化分析技术的发展

活化分析技术的发展

10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。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11

中子活化分析

NeutronActivationAnalysis（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。

中子活化分析

NeutronActivationAn12

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。目前，慢中子和快中子活化分析，几乎能分析所有的核13

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。快、慢中子活化分析技术一、常用的中子核反应14

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16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。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17

18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RNAA)。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。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19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例如，几克重量的样品将会造成中子自屏蔽效应。20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。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21

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28五、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(1．44)五、放射性活度测量和核素鉴别(1．44)29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

（1.45）式中，是辐照结束时刻的放射性活度．InA(t)与t为直线关系30变曲线中扣除这寿命最长的核素成分的贡献，得到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。

混合衰变曲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变曲线中扣除这寿命最长的核素成分的贡献，得到寿命较短的核素的31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。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32

（1.46）

（1.46）33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，使核素发射的为了得到真实的γ能谱(各个分立谱线)，需对实验测得34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。

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35

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（1.47）

（1.47）37

(1.48)

(1.48)38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.结果评价中子活化分析及步骤

5.测量样品放射性6.根据射39中子活化分析技术的应用中子活化分析技术具有分析灵敏度高、元素选择好、可分析的元素种类多、非破坏性分析，以及可做样品体内元素分析等优点，它在材料、生命、环境、地质、考古、农业等学科领域里已广泛应用；在某些工业部门，它甚至已成为产品质量监测的手段使用这一分析技术时，应根据待分析核素的性质，例如中子核反应截面、元素丰度、放射性核素的半衰期、干扰情况，以及测量精度要求等，选择合适的活化条件、样品制备方法和测量方法，以实现高灵敏度、多元素分析。中子活化分析巳程序，能从核参数、干扰因素、辐照条件，选择最佳活化和测量参数，然后对谱进行分解，最后输出分析得到的元素浓度数据。下面列举一些中子活化分析技术的应用实例。中子活化分析技术的应用中子活化分析技术具有分析40一、热中子活化应用1.地球和宇宙科学

地球化学的主要任务是测定化学元素在各种地质物质中的丰度和分布，以研究岩石和矿物的形成和演化机制。ReNAA以其高准确度测定地质样品中含量范围在亚ng/g至百分子几十的约50余种元素的优势，在地球化学中发挥着重要的作用。6500万年前小行星(高含Ir(铱))或者彗星冲撞地球，在空气中产生了大量碎片，地球上阳光大大减少，植物不能生长，没有可吃的食物，动物的数量毁灭性减少，非常严重导致大多数动物包括恐龙都灭绝了。中子活化分析技术测定了世界上几个地方，相应于白垩系/第三系（K/T）的界限内黏土层中铱（Ir)的含量比普通背景值高出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；后来在许多地方，包括我国在内也发现了类似的结果，进一步支持了小行星撞击地球灾变学说。一、热中子活化应用412．环境科学70年代以来，环境污染问题引起全世界极大的重视，为保护人体健康，需对空气和水源污染情况进行监测。中子活化分析法能用来做这种大量样品的分析工作和做环境中有害元素(如Hg、As、Cd等)的自动监测。空气气溶胶样品可用采样仪采集，对吸附在干净的微孔滤膜上的样品进行中子辐照。对河水中的Hg含量进行测定，为提高分析灵敏度，可对河水中的Hg进行浓缩处理，让水流过滤纸，杂质沉积在纸上，然后与多元素标准样品一起辐照35h，最后求出Hg含量。在未沾污的河水中Hg的含量很低(50一100ng/g)。2．环境科学423．生物科学生物体中的大量元素是O、C、H和N，占总重量的96%；其次是Ca、P、S、K、Na、Cl和Mg，占3.6％；余下的0.4％是元素周期表中其他81种元素。在这81种痕量元素中，有些对生物体是起重要作用的，如Fe、Zn、Cu等；有些是不起重要作用的，如Rb、Br、Ni等；有些在正常情况下是不存在于体内的，而是由于沾污引进的，如Ag、Pb、Hg。这些元素的浓度变化情况，它们与生物体的生理、病理变化的关联等等，都是人们十分关心的。生物体中的许多微量和痕量元素能用中子活化分析法来分析。动物和人体的肝、肾内脏、血清、头发、骨头等均可作为样品。对人体血清，以及动物的肿瘤细胞等组织样也可用热中子活化分析法分析其中的微量元素。热中子活化分析结果还可与其他方法（例如质子X荧光分析）分析结果进行比较。3．生物科学434.考古学和法医学

不同来源的同类物品由相似的主要元素组成，而痕量多元素含量则迥异，据此建立的多元素“化学指纹学”广泛应用于考古学中文物产地鉴定和法医学中犯罪嫌疑人指认。仪器中子活化分析是非破坏性的，很适用于文物样品分析。用中子活化分析对古代陶瓷样品中微量元素成分测定，可研究陶瓷制作原料成分、制作工艺、制作历史年代和制作地点，也可对文物的真伪作出。对古钱币、兵器、古画颜料等也可用中子活化法进行分析。这些分析能为研究一定历史时期的文化经济及贸易往来提供线索。4.考古学和法医学44a.秦兵马俑“产地”

之谜气势恢宏的8000多秦兵马俑---深埋地下的“古代大军”位于陕西临潼县秦始皇陵东侧，有“世界第八大奇迹”美称。

解谜方法：选取秦陵兵马俑样品83个,秦陵附近的黏土样品20个,耀州瓷胎样品2个.将样品进行仪器中子活化分析(INAA),测定每个样品的32种元素含量.将所有样品的元素进行模糊聚类分析。

基本结论：兵马俑的原料在秦陵附近的垆土层，烧制兵马俑的窑址在土壤的产地附近。中国陶窑有就地取土的传统，兵马俑也不例外。a.秦兵马俑“产地”之谜45b.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1110-6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。b.破解拿破伦死亡之谜46c.破解牛顿死亡之谜牛顿（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。c.破解牛顿死亡之谜47d.第一起使用中子活化分析侦破的案例1958年5月1日傍晚时分，16岁的小女孩加埃塔恩·布查德在一采煤厂遇害，尸检时，警探们发现，在女孩的指甲上缠绕着一根头发，有25英寸长。用中子活化分析技术（样品制成胶囊，放入原子核反应堆用中子进行照射），检测重点嫌疑人约翰·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，测定硫、磷的比例，发现死者的头发是2.02，约翰·沃莱曼的头发和死者手上的这根头发则分别是1.07和1.02，显然死者手上的这根头发不是死者本人的，而非常接近约翰·沃莱曼的头发。约翰·沃莱曼承认自己杀了埃塔恩。中子活化分析非常灵敏，它可以检验出1英寸长的头发中的14种元素。科学家认为100万人中，只有两人9种元素可能相同。现代化技术帮助人们查清了隐藏在头发之中的“微量元素谱”。d.第一起使用中子活化分析侦破的案例48二、快中子活化应用快中子活化分析主要用14MeV中子做元素分析，特别是用来对热中子活化分析不灵敏的轻元素分析。在快中子活化分析中可利用各种元素反应阈值的不同来减少干扰反应，所以分折灵敏度也很高．图1.6是14MeV中子对各种元素进行活化分析的统计资料．纵坐标为已发表的文章数，横坐标为原子序数。由图可见，氧元素分析工作开展得最多。二、快中子活化应用491.金属中氧、铍元素分析材料中存在的少量氧元素，将影响材料的物理、化学和机械性能，对氧的分析一直是人们十分关心的问题。INAA能用于工业生产中大量样品的常规分析，例如，钢、铝、铜中的氧元素分析中子发生器产生的14MeV中子通量密度为中子/。14MeV中子与发生反应,,=6.13和7.11MeV。分析时的干扰反应是。为排除的贡献，可再用反应测量放射性活度。因为半衰期短，辐照很短时间就能确定

的含量，并从放射性测量结果中扣除的贡献后，就可确定含量。分析时可用反应作为中子通量监测。已成功地利用这一反应在钢厂炉前作钢中氧含量的快速分析。每天可分析400个样品，每分析一个样品的时间小于5min。分析灵敏度为l--5ppm。用快中子分析氧时，对样品表面吸附、沾污的氧无法扣除。1.金属中氧、铍元素分析50金属铍是用于国防工业和尖端科学技术中的重要材料。Be中的F元素是一种有害杂质元素，一定浓度的F杂质会导致贮存的Be材料出现泛潮现象。可采用反应来分折Be中的F，样品重4g，探测限为2.蛋白质、碳氢化合物中的氮分析用反应分析蛋白质和碳氢化合物中的氮，是衰变核素，。分析碳氢化合物时，由于快中子与H原子碰撞，H获得反冲能量，然后再与反应造成干扰。金属铍是用于国防工业和尖端科学技术中的重要材料。Be51三、瞬发γ中子活化分析应用在我们前面讨论的中子活化分析中，都是测量活化后具有一定寿命的放射性核素衰变的γ射线，我们称这种活化分析为中子缓发γ射线活化分析，通常就称中子活化分析。我们也可以通过测量中子与原子核发生反应时发射的瞬发γ射线，达到识别元素和确定元素含量的目的，我们称这种分析为中子瞬发γ射线活化分析(记为NPGAA)，有时也称中子俘获γ射线分析。由于高分辨率γ谱仪的出现和小型中子辐照源的应用，这一分析技术有了很大的发展，已做成小巧的分析设备，供工业生产上做实时分析及野外地质勘探分析。

中子瞬发γ射线活化分析同样具有非破坏性、体样品分析的特点，而且还具有辐照时间短、分析速度快和活化后的剩余放射性低等优点。中子活化分析寿命极短的核素的分析准确度较差，而用中子瞬发γ射线活化分析法可提高分析准确度。在中子瞬发γ射线活化分析中，探测器必需与辐照源靠近，这一点与中子活化分析十分不同，应防止探测器直接受到源中子的辐照而造成损坏。三、瞬发γ中子活化分析应用52

53中子活化分析课件54

552．工业主产过程的监督和控制

由于中子瞬发射线活化分析技术能连续对大量样品进行多元素实时分析，因而它能用在工业生产流程的监督和控制方面。应用最多的是煤炭生产线上的煤质监测，也可用于热电厂控制煤炭的合理使用，地热电站的水质分析和水泥厂水泥质量控制。

2．工业主产过程的监督和控制563.在医学上以及其他方面的应用人体中的某些元素，如H、N、Na、P、S、C1、Ni、Co和Cd等，也可以用中子瞬发射线活化分析法测定。所需的中子辐照剂量比通常的中子活化分析法的中子剂量低得多，所以可以发展成为医学上的诊断工具。中子瞬发γ射线活化分析技术可用来分析半导体树料中的痕量的B元素，分析反应堆材料中的Be杂质元素，分析农作物中的N元素。

利用Cf源或D-D中子发生器和高纯锗探测器可以对Cl和P等元素进行探测达到化学武器探测目的，在安检口处利用中子发生器通过测量检测物的C/O和N/O比值来判断有无爆炸物。3.在医学上以及其他方面的应用57知识回顾KnowledgeReview知识回顾KnowledgeReview中子活化分析中子活化分析59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目录中子活化测量中子通量密度60中子活化法测量中子通量密度

中子活化法测量中子通量密度

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63三、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.常用激活片材料三、激活材料的选取64四、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

镉的吸收截面与中子能量关系四、激活片的制备镉的吸收截面与中子能量关系65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。活化分析活化分析技术始于1936年，是检测荷能中子束或66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。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67活化分析技术的发展

活化分析技术的发展

68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。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69

中子活化分析

NeutronActivationAnalysis（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。

中子活化分析

NeutronActivationAn70

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。目前，慢中子和快中子活化分析，几乎能分析所有的核71

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。快、慢中子活化分析技术一、常用的中子核反应72

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74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。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75

76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RNAA)。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。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77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例如，几克重量的样品将会造成中子自屏蔽效应。78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。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79

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86五、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(1．44)五、放射性活度测量和核素鉴别(1．44)87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

（1.45）式中，是辐照结束时刻的放射性活度．InA(t)与t为直线关系88变曲线中扣除这寿命最长的核素成分的贡献，得到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。

混合衰变曲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变曲线中扣除这寿命最长的核素成分的贡献，得到寿命较短的核素的89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。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90

（1.46）

（1.46）91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，使核素发射的为了得到真实的γ能谱(各个分立谱线)，需对实验测得92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。

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93

94

（1.47）

（1.47）95

(1.48)

(1.48)96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.结果评价中子活化分析及步骤

5.测量样品放射性6.根据射97中子活化分析技术的应用中子活化分析技术具有分析灵敏度高、元素选择好、可分析的元素种类多、非破坏性分析，以及可做样品体内元素分析等优点，它在材料、生命、环境、地质、考古、农业等学科领域里已广泛应用；在某些工业部门，它甚至已成为产品质量监测的手段使用这一分析技术时，应根据待分析核素的性质，例如中子核反应截面、元素丰度、放射性核素的半衰期、干扰情况，以及测量精度要求等，选择合适的活化条件、样品制备方法和测量方法，以实现高灵敏度、多元素分析。中子活化分析巳程序，能从核参数、干扰因素、辐照条件，选择最佳活化和测量参数，然后对谱进行分解，最后输出分析得到的元素浓度数据。下面列举一些中子活化分析技术的应用实例。中子活化分析技术的应用中子活化分析技术具有分析98一、热中子活化应用1.地球和宇宙科学

地球化学的主要任务是测定化学元素在各种地质物质中的丰度和分布，以研究岩石和矿物的形成和演化机制。ReNAA以其高准确度测定地质样品中含量范围在亚ng/g至百分子几十的约50余种元素的优势，在地球化学中发挥着重要的作用。6500万年前小行星(高含Ir(铱))或者彗星冲撞地球，在空气中产生了大量碎片，地球上阳光大大减少，植物不能生长，没有可吃的食物，动物的数量毁灭性减少，非常严重导致大多数动物包括恐龙都灭绝了。中子活化分析技术测定了世界上几个地方，相应于白垩系/第三系（K/T）的界限内黏土层中铱（Ir)的含量比普通背景值高出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；后来在许多地方，包括我国在内也发现了类似的结果，进一步支持了小行星撞击地球灾变学说。一、热中子活化应用992．环境科学70年代以来，环境污染问题引起全世界极大的重视，为保护人体健康，需对空气和水源污染情况进行监测。中子活化分析法能用来做这种大量样品的分析工作和做环境中有害元素(如Hg、As、Cd等)的自动监测。空气气溶胶样品可用采样仪采集，对吸附在干净的微孔滤膜上的样品进行中子辐照。对河水中的Hg含量进行测定，为提高分析灵敏度，可对河水中的Hg进行浓缩处理，让水流过滤纸，杂质沉积在纸上，然后与多元素标准样品一起辐照35h，最后求出Hg含量。在未沾污的河水中Hg的含量很低(50一100ng/g)。2．环境科学1003．生物科学生物体中的大量元素是O、C、H和N，占总重量的96%；其次是Ca、P、S、K、Na、Cl和Mg，占3.6％；余下的0.4％是元素周期表中其他81种元素。在这81种痕量元素中，有些对生物体是起重要作用的，如Fe、Zn、Cu等；有些是不起重要作用的，如Rb、Br、Ni等；有些在正常情况下是不存在于体内的，而是由于沾污引进的，如Ag、Pb、Hg。这些元素的浓度变化情况，它们与生物体的生理、病理变化的关联等等，都是人们十分关心的。生物体中的许多微量和痕量元素能用中子活化分析法来分析。动物和人体的肝、肾内脏、血清、头发、骨头等均可作为样品。对人体血清，以及动物的肿瘤细胞等组织样也可用热中子活化分析法分析其中的微量元素。热中子活化分析结果还可与其他方法（例如质子X荧光分析）分析结果进行比较。3．生物科学1014.考古学和法医学

不同来源的同类物品由相似的主要元素组成，而痕量多元素含量则迥异，据此建立的多元素“化学指纹学”广泛应用于考古学中文物产地鉴定和法医学中犯罪嫌疑人指认。仪器中子活化分析是非破坏性的，很适用于文物样品分析。用中子活化分析对古代陶瓷样品中微量元素成分测定，可研究陶瓷制作原料成分、制作工艺、制作历史年代和制作地点，也可对文物的真伪作出。对古钱币、兵器、古画颜料等也可用中子活化法进行分析。这些分析能为研究一定历史时期的文化经济及贸易往来提供线索。4.考古学和法医学102a.秦兵马俑“产地”

之谜气势恢宏的8000多秦兵马俑---深埋地下的“古代大军”位于陕西临潼县秦始皇陵东侧，有“世界第八大奇迹”美称。

解谜方法：选取秦陵兵马俑样品83个,秦陵附近的黏土样品20个,耀州瓷胎样品2个.将样品进行仪器中子活化分析(INAA),测定每个样品的32种元素含量.将所有样品的元素进行模糊聚类分析。

基本结论：兵马俑的原料在秦陵附近的垆土层，烧制兵马俑的窑址在土壤的产地附近。中国陶窑有就地取土的传统，兵马俑也不例外。a.秦兵马俑“产地”之谜103b.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1110-6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。b.破解拿破伦死亡之谜104c.破解牛顿死亡之谜牛顿（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。c.破解牛顿死亡之谜105d.第一起使用中子活化分析侦破的案例1958年5月1日傍晚时分，16岁的小女孩加埃塔恩·布查德在一采煤厂遇害，尸检时，警探们发现，在女孩的指甲上缠绕着一根头发，有25英寸长。用中子活化分析技术（样品制成胶囊，放入原子核反应堆用中子进行照射），检测重点嫌疑人约翰·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，测定硫、磷的比例，发现死者的头发是2.02，约翰·沃莱曼的头发和死者手上的这根头发则分别是1.07和1.02，显然死者手上