《核分析技术》PPT课件.ppt

核分析基础 成都理工大学核自学院 第一章中子活化分析第三节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的优点它在材料 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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 中子活化分析技术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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 中子活化分析技术中子活化分析巳程序化 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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析由于反应堆中热中子通量密度高和热中子对大多数元素的活化截面大 热中子活化分析应用的范围最广 但因为热中子对轻元素的 n 反应截面小 或者活化后的放射性核寿命不是太短 就是太长 例如 11B n 12B反应截面小于5 10 30m2 12B的T1 2为0 021s 热中子对轻元素分析不适用 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 地质样品在地质勘探 地球化学 地质年代等研究中 许多矿石样品的成分分析 均可以用热中子活化分析法来分析 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 地质样品地球化学的主要任务就是测定地球及其各部分的组成 并找出控制地壳中各种元素的分布和迁移规律 为了达到这个目的 就要测定岩石 生物 水 大气圈乃至陨石和月球等天体物质中的元素组成 从中寻出有关宇宙中元素的成因以及宇宙 太阳和地球的演变过程 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 地质样品地球化学一般把地质样品中的元素按其丰度大小而分为 主要元素 含量大于1 次要元素 0 01 1 微量元素 10 6 痕量元素 10 9 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 地质样品活化分析在地球化学中的应用大致可分为下列四个方面 研究地壳岩石和矿样岩性地球化学 研究以海水为主要水文地球化学 研究陨石及天体样品的宇宙化学 研究地质年代的地球化学 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 地质样品如 确定石灰岩中的U和它的衰变链子体的含量 可用来判断地质年代 在宇宙化学研究中 也可通过宇宙样品 例如陨石 的中子活化分析来探讨宇宙的演变过程及其变化的物理和化学条件 粘土页岩样品中子活化 能谱图 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 地质样品部分元素中子活化分析检出限 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 地球表层Ir1 g kg ppb 陨石n 100 g kg 恐龙灭绝原因 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 环境样品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 水源 土壤污染情况进行监测 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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 环境样品 大气污染的调查测量大气飘尘中微量元素的浓度是环境监测的一项重要内容 由于气溶胶中的元素浓度一般在10 7克 10 10克 m3 所以用灵敏度高的活化分析方法是一种比较理想的方法 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 可以测量Hg As U Th Pb等 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 环境样品 测定水生环境中的污染对于水和冰雪样品的活化 了解有毒有害元素和必要的生物元素 对河水中的Hg含量 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 100ng l 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 环境样品 土壤背景值的调查环境体系中 除了大气圈和水圈之外 土壤也是一大类重要的环境物质 土壤中的微量与痕量元素可通过动物群和植物群而进入体内 产生相应的生物效应 通过对土壤 淤泥 河流沉积物等样品的分析了解其中元素的分布情况 大米中Ge超标 为了调查由工厂排出的煤烟或废水引起的公害 也常常离不开使用活化分析 例如 对大气中的微量尘埃取样 进行活化分析 就能获得很多有关大气的情报 如尘埃中含有哪些元素 每种元素的含量是多少 也可以查清城市废物焚烧炉 各种锅炉 钢铁厂的冶炼电炉等不同污染源与环境污染的关系等等 另一个与环境污染有关的问题 就是煤烟或废水是如何扩散的 要想得到这一问题的答案 也需要利用活化分析进行研究 例如 从工厂烟囱排放雾状的硫酸钴 或者把溴化铵的溶液混入排水中 然后从各个取样点采集尘埃或水样 放到反应堆中接受照射 便能获得放射性的钴 60和溴 82 它们能够放出 射线和 射线 再将它们与标准进行对照 以作定量测定 这样就能了解煤烟和废水在各处的分布状态 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 生物医学样品分析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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 生物医学样品分析余下的0 4 是其他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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 生物医学样品分析余下的0 4 是其他81种元素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 用灰化或冷冻干燥 粉碎后做成固体样品 在反应堆中辐照 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 生物医学样品分析老鼠的肾脏样品热中子活化后的能谱辐照10min 然后冷却3 5h 计数时间为10min 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 生物医学样品分析老鼠的肾脏样品热中子活化后的能谱辐照5h 然后冷却29d 计数时间为4000s 能量以keV为单位 BG表示本底峰 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11 10 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 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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 考古样品分析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 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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 材料样品分析 硅 Si 材料的分析Si是一种极为重要的半导体材料 自然界中硅有三种稳定同位素 其中30Si 丰度3 受中子照射后 可生成31Si 反应方程式30Si n 31Si T1 2 2 62h 完全可用纯仪器法活化分析来做 锗 Ge 材料的分析76Ge n 77mGe T1 2 11 3h 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 材料样品分析 其它半导体材料和新型材料 其它半导体材料如砷化稼 碘化汞等 主要用于测定其中的杂质 新型材料如通讯电缆中所使用的光纤 为了达到光学损耗小于1分贝 公里的指标 要求杂质含量 1ppm 光纤原料是SiO2 NaCO3和CaCO3 用于分析其中的Si Na Ca 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 热中子活化分析 其它甚至也可用于对犯罪现场的实物样品分析 为侦破案件提供判据 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 古老照片的复活 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 快中子活化分析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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 快中子活化分析14MeV中子对各种元素进行活化分析的统计资料 由图可见 氧元素分析工作开展得最多 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 快中子活化分析1 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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 快中子活化分析1 金属中氧 铍元素分析例如 钢 铝 铜中的氧元素分析 6 13和7 11MeV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 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 快中子活化分析1 金属中氧 铍元素分析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0 1mg 第一章中子活化分析第三节中子活化分析技术的应用 快中子活化分析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 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 neutronPromptgammaactivationanalysis NPGAA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 射线 我们称这种活化分析为中子缓发 射线活化分析 通常就称中子活化分析 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 neutronPromptgammaactivationanalysis NPGAA也可以通过测量中子与原子核发生反应时发射的瞬发射线 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射 线活化分析 记为NPGAA 有时也称中子俘获 射线分析 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 neutronPromptgammaactivationanalysis NPGAA由于高分辨率 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 供工业生产上做现场实时分析及野外地质勘探分析 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 neutronPromptgammaactivationanalysis NPGAA当然 也可以测量中子与原子核反应时发射的带电粒子来做元素分析 通过测量带电粒子的能量可以获得杂质的深度分布信息 它弥补了中子活化分析和中子瞬发 射线活化分析中不能做深度分布分析的缺点 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析原理中子被原子核俘获形成复合核 10 12 10 13s后 处于激发态的复合核退激发射 射线 测量这 射线的能量和强度 就可以知道元素种类和含量 俘获 射线的能量及各 射线的分支比 由原子核的能级特性决定 能量范围为几百keV到十几MeV 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析原理由于样品基体元素的影响 谱十分复杂 需用高分辨率Ge Li 或高纯Ge探测器鉴测分支比最大的了射线特征峰 分析的某一特征 射线强度为 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析原理W 样品重量Q 待测元素含量M 待测元素原子量NA 阿佛加德罗常数 待测元素的同位素丰度 探测器总的绝对探测效率 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析原理 中子通量密度 俘获截面热中子对大多数核素的 都较大 所以中子瞬发 射线活化分析可分析的元素种类很多 且可进行多元素同时分析 分析的灵敏度较高 除对Li O等元素外 fr 射线分支比公式中尚未考虑样品对中子的吸收相对 射线的衰减因子 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析原理对用堆中子活化 中子缓发 射线活化 分析不灵敏的H 10B C N S和113Cd等这些元素 因为反应生成稳定的核素 可以用中子瞬发了射线活化分析法分析 中子瞬发 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 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析原理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 射线活化分析法可提高分析准确度 在中子瞬发 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 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析技术的应用中子瞬发 射线活化分析技术直接能为国民经济建设服务 它的应用发展很快 尤其是用同位素中子源和密封中子管做瞬发 射线活化分析 具有设备小巧 适闸于野外或工业生产线上使用的优越性 这一分析技术可应用于地质 海底矿产勘探 工业生产控制和监测 医学诊断 考古等领域 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析技术的应用 地质勘探方面的应用用Ge探测器和252Cf同位素中子源 中子产额 108中子 s 或 3T d n 4He反应密封中子管组成的钻孔探管 测井系统 成功地应用于石油 天然气 煤等矿产勘探 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析技术的应用 地质勘探方面的应用用中子瞬发 射线活化分析法测量地层中的H Cl C Si Ca Mg等元素 由Ca与Si元素含量比数据可提供地层形式是石炭岩还是沙岩这一信息 元素含量比数据也是确定碳氢化合物含量时必需的补充数据 第一章中子活化分析第四节中子瞬发 射线活化分析 中子瞬发 射线活化分析技术的应用 地质勘探方面的应用这种测井系统也能用于煤矿或其他金属矿产实地勘探 如在Al Ni矿床上同时勘探Ni Fe和Si