堆中子活化分析技术概述.doc

堆中子活化分析技术概述一、前言中子活化分析技术自20世纪30年代产生以来，由于其灵敏度高等优点，一直是一种重要的分析手段。目前，这种技术已被广泛地用于地化分析、环境分析、材料分析等领域。二、方法原理中子活化分析简单地可分为两个部分，即样品经中子辐照转变成放射性物质（活化）和用探测器采集活化后的样品所放出的射线，对其进行定性、定量分析。反应堆（实验型）是最好的中子源，小型游泳池式反应堆的辐照孔道内中子通量可达11013 n.cm-2.s-1，且温度低，能够满足大部分的活化分析要求。在辐照过程中，样品中的稳定同位素主要与热中子（E=0.025eV）发生核反应，生成相应的放射性同位素，如 23Na + n 24Na + 或 23Na（n，）24Na而大部分所生成的放射性同位素会衰变并放出射线。这些核素有固定的半衰期，射线能量具有特征性，即与核素存在对应关系，如24Na的半衰期为15 h，特征射线能量为1368 keV。因此，中子活化技术可对样品作定性分析，即通过测量活化后样品放出的特征射线能量来确定样品中的元素组成。 特征射线强度与样品中相应的元素含量有关，两者间的换算可由以下公式得出，活化方程式：式中：I 放射性核素在探测器上的照射量率； Q 样品中靶元素含量；P 样品质量； 放射性核素的丰度；M 靶元素的原子量； 靶核的中子活化截面；f 辐照孔道的中子通量密度； 探测系统的探测效率； 放射性核素的衰变常数；ti 辐照时间；tc 冷却时间。显然，换算过程是很复杂的，涉及到一些即时性因素，如中子通量密度、辐照时间和冷却时间。所以，活化分析通常采用相对测量方法，即将待测样品与标准物质在相同条件下辐照、测量，通过比较两者特征射线的强度，根据标准物质中已知的元素含量来确定待测样品中相应元素的含量，从而达到定量测量的目的。其原则性计算公式为：QX= IXPBQB /（IBPX）式中：IX 待测样品中放射性核素在探测器上的照射量率； IB 标准物质中放射性核素在探测器上的照射量率； QX 待测样品中靶元素含量；QB 标准物质中靶元素含量；PX 待测样品质量；PB 标准物质质量。在实际分析过程中，则要考虑冷却时间修正、干扰扣除等因素。三、工作方法中子活化分析方法流程为：样品制备中子辐照谱采集数据处理。中子活化样品用样量很少，一般为几十毫克，因此对称量工具的精度要求高，感量要求为0.01mg。辐照过程重点在于控制样品中子积分注入量。谱采集是活化分析的重要环节，由于活化样品中各种放射性同位素的半衰期长短不一，对多种元素的测量要分阶段进行，其原则是测量半衰期短的核素冷却时间短，测量半衰期长的核素冷却时间长。一般的地质样品，冷却2天测量元素 As（559 keV）、Na（1368 keV）、K（1524 keV）；冷却5天测量元素 Sm（103 keV）、U（277 keV）、La（1596 keV）；冷却10天测量元素 Ba（496 keV）、 Cr（320 keV）、Co（1332 keV）、 Fe（1099 keV）、Ca（1297 keV）、Zn（1115 keV）、Ce（145 keV）、Sc（889 keV）、 Nd（91 keV）、Sb（1691 keV）、Ce（145 keV）、Yb（198282 keV）、 Lu（208 keV）、 Hf（482 keV）、 Th（312 keV）、Ta（1221 keV）、Tb（879 keV）、Eu（1408 keV）等。此外，对于地质样品中超痕量元素的分析，可以采用化学预处理的方法先对目标元素进行富集，再活化分析，从而达到好的测量效果。四、堆中子活化分析中的干扰因素中子活化分析中干扰因素对分析结果的影响是不可忽视的，其中谱干扰、235U裂变干扰和干扰反应是干扰的主要来源。理论上，不同人工放射性核素放出的射线能量是互异的。实际上，由于能谱探测器的能量分辨性能有限，测量活化样品得到的能谱中，某些核素的特征峰是紧密相连甚至重叠的，于是形成谱干扰。针对这一因素，可以选择目标核素的不受干扰的特征峰作为测量对象，因为人工放射性核素大都有多个能量的特征射线，一般选择能量高的特征峰受干扰小。235U裂变干扰是指样品中的235U在中子辐照下发生裂变反应，裂变生成的核素，如140La、141Ce等与活化样品中本有的140La、141Ce等发生叠加，从而对La、Ce的测量造成干扰。对于此类干扰，可以在同等辐照条件下用纯U化学标准测得U对目标元素的干扰系数（单位质量U裂变生成的目标元素的量），然后在样品测量结果中扣除相应的干扰量。测量某些元素时，其它元素的活化产物与之相同，发生叠加形成干扰，即干扰反应。例如，测24Na时，利用反应23Na（n，）24Na，而反应24Mg（n，p）24Na也会生成24Na，于是样品中的Mg会对Na的测量造成干扰。此类干扰也可以通过干扰系数扣除的方法来克服，而且当干扰量很小时可以忽略。五、堆中子活化分析中的特点1. 中子活化分析的灵敏度高。对于一般地质类样品，大部分微量元素的分析检出限可达0.1ug/g，经过化学预处理的样品检出限更低。2. 中子活化分析的精确度好。样品经活化后，受外界影响小，采用相