核分析检测ppt课件

第三章 高灵敏的核分析与核检测,一 核分析与核检测简介 二 卢瑟福背散射分析（RBS) 三 中子活化分析（NAA） 四 14C测定年代及加速器质谱分析 (AMS) 五 核检测工业应用,一 核分析及核检测,1 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。 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，具有高灵敏、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。这是和平利用核科学和核技术的重要方面。,2 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用，采用核物理实验技术获得可观测信息，分析研究物质材料成分和结构的方法。 核粒子： 中子、 射线、 粒子、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。 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。,3 核分析分类,1） 离子束分析 * 卢瑟福背散射分析* 沟道技术分析* 核反应分析* 质子x荧光分析* 2） 活化分析 中子活化分析 带电粒子活化分析*,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 *,二 卢瑟福背散射分析（RBS),1 卢瑟福散射实验的思考 基本思想：用“炮弹”轰击研究“对象”,分析实验现象和结果，推知弹与靶有关信息。,1911 由于观测到大角度散射的粒子发现了原子核，表明大角度散射粒子载有原子核大小的信息。,散射粒子是否还载有其他信息呢？,背散射90,前向散射,2 卢瑟福散射理论指出： 在一定的实验条件下，散射 粒子能量 Eb Eb (Mi ，Zi ， ) 90 散射粒子能量差别大 背散射 粒子能量和强度（数目）载有信息: 1） 样品成分 （ Zi, Mi) 2） 各元素的含量,0,180,90,E %,7Li,12C,27Al,197Au,散射能量损失 E = E0-Eb,散射角,3 卢瑟福背散射分析 (RBS ) * Rutherford Backscattering,基本实验方块图,靶样品,入射,信号放大 分析和记录 仪器,Au-Si 半导体 谱仪,加速器, = 165,。 。 。 。 。 。 。 。 。,样品,入射,Z1M1,Z2M2,Z3M3,计数,能量 Eb,是什麽 有多少 在哪里 薄膜厚度 成分 组分 分布, 探测器 测量背散射粒子能量, 放射源,粒子穿过表面 25.4 ,阿波罗月亮登陆舱中的 散射实验 1967 年,背散射, 探测器,4 背散射方法首次用于分析月球表面元素,入射,5 实验结果,月球土壤表面元素 Ca Fe Si Al Mg Na O C 等,开辟了离子束分析技术的迅速发展和广泛应用： 半导体材料，金属材料，薄膜材料以及材料改性等 新材料 新器件研制,沟道分析（Channel analysis）,测量角扫描谱 定义 =a沟/a背5% 可知：晶体样品的晶轴方向、结晶品质、四方畸变、辐射损伤、及杂质替位率 适用于半导体、光电材料、金属及其他薄膜样品,核反应分析（Nuclear reation analysis）,A(a, b)B A 靶 a 炮弹；B 剩余核 b 出射 测量核反应产物b，可知靶A微量轻元素的含量及分布 共振核反应分析： 分析N 15N（p， ）12C 分析F 19F（p， ）16O 骨骼、牙齿 分析H H（ 19F ， ）16O 太阳能电池 金刚石、GaN 非卢瑟福共振散射分析： 分析C 12C（ ， ）12C 分析N 14N（ ， ）14N 分析O 16O（ ， ）16O,质子激发X射线荧光分析 particle Induced X-ray Emission (PIXE) 用带电粒子（质子）轰击待分析样品，激发出靶物质中各元素的特征X射线,测量X射线的峰位和高度，确定物质的成分和含量。举世瞩目的成果：复旦大学曾在80年代利用PIXE方法测试了越王勾践的佩剑成分。该剑长期埋于地下，仍光彩夺目，非常锋利。说明在2500多年前，我国的冶炼业已经相当发达；佩剑上的琉璃饰物说明当时已能烧制钾钙玻璃。,三 中子活化分析 NAA （Neutron Active Analysis）,1 什麽是中子活化分析 用中子照射稳定核素，稳定核素吸收中子变成放射性核素， 发射射线，测量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） 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,ppm parts per million ppb parts per billion ppt parts per trillion,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。,应用：1）元素定量分析方法：生物医学 环境 地质 半导体 考古 刑庭侦察等 2）验证其他分析方法可靠性的一种手段,3 测量样品放射性 射线能谱,4 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,3 中子活化分析及步骤 1）样品 2）辐照 3）放射性测量 4）结果评价,（ n , ),2 中子束照射样品 活化,化学分离,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*,56Mn,64Cu,76As 122Sb,69mZn,198Au,197mHg, 能量 MeV,计 数,中子活化 冷却4小时后 测量 痕量元素 8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%,1） 恐龙灭绝原因： 6500万年前小行星(高含Ir)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。 地球表层 Ir 1g/kg (ppb) 陨石 n 100 g/kg,7 中子活化分析应用举例,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,2） 破解拿破伦与牛顿死亡之谜,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。,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。,四 人类文明史的精确考察 14C测定年代,Willad Libby 美国物理学家 (1908-1980) 1949 年成功 1960年诺贝尔奖,1） 14 C 测年设想诞生 20世纪40年代利比有了利用放射性半衰期测定古物年代的设想，二战被迫中断。战后受聘于芝加哥大学进行研究，守口如瓶。 1946年圣诞节晚会上，走漏消息，引起轰动。,1 14 C测年的创立,2）经费问题 14C测定年代基础是核物理，而却应用在考古和地质方面。开始探索性研究不易被理解，没人支持，经费只能取自其它项目之余。消息传到了考古界，维竟金基金会主持人Fejos主动提供资金，得以改进仪器，使研究继续进行。 3）样品问题 1946年底，同利比一起工作的阿拿德明白了利比的研究目的，在新年假期告诉了他的父亲（律师，业余考古爱好者），消息又传到了英大都会博物馆，馆长 Lansing 立即将11个埃及出土已知年代的样品寄去。 4）实验成功 1949年14C测年方法终获成功，彻底改变了单靠观察和经验判定古物年代的方法。,基本思想：若已知一个放射核素的半衰期，可以利用核衰变规律，建立一个时钟测定过去流逝的时间。,2 14C 测定年代的原理,T1/2 = 5730年, 0.156 MeV,放射性衰变规律 D = D0 e-t,t = (T1/2 /0.693 ) ln (D/D0),利用半衰期 定义,举例：14C样品 过去 D0=4.00 现在 D = 3.95 t = (5730 /0.693) ln (3.95/4.00) 104年,现在 D 可测量 过去 时间 t和活度D0,1) 14C的产生与平衡 n + 14N 14C + p 14C 14N + + 宇宙射线中子与大气中的14N原子核反应产生放射性14C，平衡后，14C的产生速率（地球表面）： 2.2 个14C原子/cm2 秒 14C/ 12C = 1.1810-12 14CO2 + 12CO2 混合一体 天然 C 样品的放射性 270 Bq / kg,3 利用 14C 衰变测年代基本假设,如何知道过去的 D0,2) 基本假设 天然C样品的放射性 270 Bq / kg ，从过去几万年前到现在没有变化，是一个恒定的。 3）方法的建立 只要 C 参加自然界中有生命物体的交换过程和物质代谢过程，14C 为恒定量保持不变。如果生命结束，交换过程停止， 14C 的份额就要减少。份额的减少与经历的时间有关。,放射性14C 方法可以直接确定古老木料 皮肤 毛发 羊皮纸 等的年代。 古埃及国王Sesostris 三世载尸船舱板的年代为4500年前。,四 加速器质谱计-超灵敏质谱方法,1 问题的提出和解决 1） 射线计数法的局限性 灵敏度低，需要样品量多。 对考古样品，在几天的测量时间内使测定的年代准确到 100年，需要1-5 g 纯碳或者25-1000 g 样品。许多稀世珍宝样品没有这样的量或者不可能用来测定。,怎样减少样品用量和提高效率 ？,2）解决问题的思考 射线计数法是通过测定样品中14C正在发生衰变的原子核 数目来确定其份额的。实际上，样品中还有许多14C原子核 还没有发生衰变。 例如：12000年前的C样品 1g 含有 1.6251010个 14C原子核 射线计数法测量 计数大约3.75个/分， 若达到总计数104 个 需测量40-50小时。 14C 的利用率 104 / 1.6251010 = 6 10-7 太低了 如果能够直接测量样品中14C原子核的数目，而不是发生衰变核的数目，探测灵敏度会大大提高，样品量就会减少。,能不能直接测量样品中 14C 原子核的数目呢？,普通质谱计可以直接鉴别原子核，但灵敏度达不到， 效率很低。,3）核物理实验技术的发展提供了可行性答案 重离子核物理实验技术在20世纪60年代取得了3项重大进展： 离子源技术可以有效的产生 14C 的离子 加速器能够有效地加速重离子到较高能量（MeV) 探测器技术可以直接鉴别核素 12C 13C 14C 等 70年代中期，人们想起了1938年曾利用回旋加速器将 3He 与 3H 分离而发现 3He 的方法，就是直接记录3He原子核的数目。 由此得到启发，结合上面重离子核物理实验技术的重大进展，使加速器从核物理实验专用设备中解放出来，建立了加速器质谱计，达到了超灵敏的分析能力。可以说，AMS对低水平或长寿命放射性测量，是一次革命性进展，同时AMS也可以用于超痕量稳定元素的分析，在生物、环境和药物等方面有广泛的应用。,2 加速器质谱计 (AMS) Accelerator Mass Spectroscope,离子源,串列静电 加速器,分析和开关磁铁,探测器,静电分析器,注入磁铁,北京大学加速器质谱计 1992 建成，1993年投入工作,核素分辨能力,3 14C-射线计数法与AMS法的比较,4 超灵敏质谱方法的应用,特点： 1 直接测量样品中被测核素的数目， 放射性的或稳定的都可以 2 灵敏度高，14C /12C 比率可达到 10-15 （超灵敏） 3 需样品量少，速度快，效率高。,应用范围 扩大,1 可用于断代的放射性核素增加了 10Be 半衰期 1.5106年 地质年代 大陆架海域海底探矿锰结核 2 放射性标记元素测量 26Al 研究神经系统等 3 稀有过程粒子的探测 等,1）耶苏裹尸布年代考察（AMS） （83页）,结果惊人一致：在公元1260-1380年 可能性 95% 决不会早于公元1200年 100% 结果震惊了世界，与人们传说不一致,耶苏裹尸布样品 比邮票还小,5 AMS应用举例,1988年4月21日，关闭了保安系统，大不列颠博物馆考古权威和大主教一起进入都灵教堂，从裹尸布上取下3 小块分别装入标有号码的金属瓶子，同时还有类似的已知年代的物品3种，（1世纪，11世纪，14世纪），都只有编号没有任何其他标示，分发给 3 个当时最有权威的AMS实验室测量。 亚利桑那大学 牛津大学 苏黎世工学院,2）冰人（Ice Man） 1991年在阿尔卑斯山中发现，与现代人不同，引起轰动。取了骨骼和臀部肌肉 20-30 mg， 用加速器质谱计测量 14C 的含量的结果表明 冰人生活年代 3350-3300 BC 56% 现在认为 公元前3350-3100年 3210-3160 BC 36% 与历史发展（铜器时代）吻合 3140-3120 BC 8%,3） 我国夏商周断代工程 中华文明5000年历史，但过去国外承认的确切年代是司马迁史记记载的西周晚期共和元年（公元前841年）。再向前缺少考证存在分歧。1996年启动了国家社会发展重大研究项目“夏商周断代工程”，人文学科与自然科学多学科交叉共同研究，2001年11月9日正式公布了夏商周年表，把我国的历史记年由公元前841年向前延伸了1200年。 夏 公元前2070 - 公元前1600 年 禹 商 前期 前1600-前1300 年 汤 商 后期 前1300-前1046 年 纣 西周 前 1046- 前841年-前 771年 武王 幽王,前1000年,前2000年,前3000年,1000,2000,前841年,夏 前2070年-前1600,商 前1046,周 前771,公元 0,夏商周年表 2000年11月9日,五 现代化工业生产的尖兵 核分析与核检测 1 何谓核检测？ 利用放射性与核测量仪器，传感过程参量信息，达到对过程的了解和控制。 2 核检测特点 高度准确可靠 能在恶劣环境工作 不可替代 3 应用 工业生产自动化：监测炼钢质量 橡胶 铝箔 纸张厚度 工业及国防无损探伤：检查喷气发动机 炼钢炉 检查道路表面和里面的密度 管道焊接的强度 烟雾报警器 等,料位测量：利用射线辐射强度的变化，可