中子活化分析.ppt

1、1 1 什麽是核分析什麽是核分析u核分析：核分析：利用核辐射粒子利用核辐射粒子与物质的原子或原子核相互作用，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。分和结构的方法。 u核粒子：核粒子： 中子、中子、 射线、射线、 粒子、粒子、 粒子、正电子、质子、粒子、正电子、质子、以及加速器出射的其它粒子。以及加速器出射的其它粒子。u相互作用：相互作用：主要是电磁作用主要是电磁作用 ，以及核力作用。，以及核力作用。u核分析方法大量出现、发展和广泛应用起始于上世纪核分析方法大量出现、发展和广泛应用起始

2、于上世纪6060年代。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“解解放放”出来，有条件用于应用方面的研究。出来，有条件用于应用方面的研究。2 2 核分析特点核分析特点 在近代科学的发展中，人们十分重视材料的研究和发展。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痕量杂质元素质元素、晶体的缺陷晶体的缺陷和和微观结构微观结构有关。人们发展了许多物有关。人们发展了许多物理的和化学的分析方法，对元素成分、物质结构以及杂质理的和化学的分析方法，

3、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。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，的化学的、物理的方法是一个挑战，具有高灵敏、快速和具有高灵敏、快速和不破坏样品等特点，有时，不破坏样品等特点，有时，“非核莫属非核莫属”，是一种不可替，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。要方面。3

4、 3 核分析分类核分析分类1 1）活化分析）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 2）离子束分析）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* * 粒子诱发粒子诱发x x荧光分析荧光分析* *3 3）核效应分析）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* * 扰动角关联扰动角关联 核磁共振核磁共振4 4）超灵敏质谱分析）超灵敏质谱分析 * * 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

5、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 X

6、e .活化分析技术的发展活化分析技术的发展 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。第一章第一章 中子活化分析中子活化分析 u中子活化分析是一种有效的核分析技术，在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。微量和痕量元素分析中占有重要的地位。u自从自从1936年第一次用热中子活化分析元素以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

7、探测器来，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。展，使中子活化分析术得到迅速发展。u从原先的放射化学分离中子活化分析发展到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、如今的仪器中子活化分析，成为高灵敏度、多元素、非多元素、非 破坏性元素分析的可靠方法。破坏性元素分析的可靠方法。 目前，慢中子和快中子活化分析，几乎能分析所有的核素；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（分析的灵敏度为百万分之一（ppmppm） ， 甚至可

8、达十亿分之一（甚至可达十亿分之一（ppbppb）直至亿万分之一（）直至亿万分之一（pptppt）；一次能同时分析）；一次能同时分析40504050个核素；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。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，已广泛用于析方法，已广泛用于广泛应用于环境科学、生物学、广泛应用于环境科学、生物学、医学、材料科学、医学、材料科学、冶金、半导体工业、地质、冶金、半导体工业、地

9、质、地球化地球化学、考古学学、考古学刑庭侦查等许多领域；而且也是作为验证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。及计算机程序等方面仍有新的进展。 我们在这一章里主要叙述仪器中子活化我们在这一章里主要叙述仪

10、器中子活化分析，并附带介绍中子俘获瞬发射线活分析，并附带介绍中子俘获瞬发射线活化分析。化分析。中子特性中子特性（Neutron characteristicNeutron 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 uCharge - zero ? 实验测得中子在电场中偏转 (-1.5 2.2) 10-20 eHalf life - 10.69 min n 1H + e + (中微子)Decay energy - Emax = (782 13) keVSpin -

11、 1/21 keV0.5 MeV10 MeV0Slow neutronMedium neutronFast neutronCold neutronE0.5 eVEpithermal neutronE=1eV100 eVResonance neutronElastic scatteringNuclear reaction中子源（中子源（Neutron source） 同位素中子源（同位素中子源（Radioisotope） Neutron yield units ： s-1 g-1 1. (alpha, n)中子源: 9Be + 4He 12C + n 10Be + 4He 13N + n + 1

12、.07MeV 2. 自发裂变中子源(Spontaneous fission) For 252Cf, yield=106 g-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) 1. (p,n)中子源: 7Li(p,n)7Be; 3H(p,n)3He 2. (d,n)中子源: 2H(d,n)3He; 3H(d,n)4He 反应堆中子源反应堆中子源(Nuclear reactor) 第一节第一节 中子活化分析原理中子活化分析原理 中子活化分析是用中子辐照样品，使原子核中子活化分析是用中子辐照样品，

13、使原子核发生核反应，生成具有一定寿命的放射性核发生核反应，生成具有一定寿命的放射性核素，然后对生成的放射性核素进行鉴别，从素，然后对生成的放射性核素进行鉴别，从而确定样品中的核素成分和含量的一种分析而确定样品中的核素成分和含量的一种分析方法。方法。“ 核指纹”： 不同放射性同位素的半衰期和发射不同放射性同位素的半衰期和发射 射线的能量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同的放射性同位素有相同的半衰期或 射线能量。射线能量。 不同的稳定元素被中子照射，活化生成不同的不同的稳定元素被中子照射，活化生成不同

14、的放射性同位素，其半衰期和放射性同位素，其半衰期和 射线能量也是不同的。射线能量也是不同的。 中子活化分析就是根据获得样品的中子活化分析就是根据获得样品的“核指纹核指纹”特征，判别材料中含有的元素及其含量特征，判别材料中含有的元素及其含量。（ n , n , ) )中子活化分析基本原理中子活化分析基本原理 一是将样品放在中子场中辐照一是将样品放在中子场中辐照 二是取出已辐照的样品，如有必要可对样二是取出已辐照的样品，如有必要可对样品进行放射化学元素分离；品进行放射化学元素分离； 三是进行放射性活度测量，然后进行数据三是进行放射性活度测量，然后进行数据处理，按一定的标准化方法求出样品中元处理，按

15、一定的标准化方法求出样品中元素的浓度。素的浓度。 除了辐照样品的制备步骤外，中除了辐照样品的制备步骤外，中子活化分析主要包括三个步骤：子活化分析主要包括三个步骤：3 3 测量样品放射性测量样品放射性 射线能谱射线能谱4 4 根据根据 射线能谱（能量和射线能谱（能量和强度）以及半衰期等分析，强度）以及半衰期等分析，确定确定样品中对应稳定核素样品中对应稳定核素 及其含量。及其含量。 1 样样 品品稳定核素稳定核素构成构成 活化：稳定活化：稳定核素吸收中核素吸收中子变成放射子变成放射性的性的 射线谱仪射线谱仪1 1）样品）样品 2 2）辐照）辐照 3 3）放射性测量）放射性测量 4 4）结果评价）结

16、果评价（ n , n , ) )2 中子束照射样品中子束照射样品 活化活化化学分离化学分离（ n , n , ) )中子活化分析步骤中子活化分析步骤中子活化技术的应用举例中子活化技术的应用举例1 1） 恐龙灭绝原因恐龙灭绝原因：2 2） 破解拿破伦死亡之谜破解拿破伦死亡之谜3 3） 破解牛顿死亡之谜破解牛顿死亡之谜4 4） 秦兵马俑秦兵马俑“产地产地” 之谜之谜5 5） 第一起使用中子活化分析侦破的案例第一起使用中子活化分析侦破的案例6 6） 古老照片的复活古老照片的复活： 65006500万年前小行星万年前小行星( (高含高含 IrIr( (铱铱)或者彗星冲撞地球，在或者彗星冲撞地球，在空气

17、中产生了大量碎片，地球上阳光大大减少，植物不能生长，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。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（第三系（K/TK/T）的界限内黏土层中铱（的界限内黏土层中铱（IrIr) )的含量比普通背景的含量比普通背景值高出值高出 30-16030-160倍，认为铱是地外物质指示元素，提出了小行倍，认为铱是地外物质指示元素，提出

18、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。类似的结果，进一步支持了小行星撞击地球灾变学说。 地球表层地球表层 IrIr 1 1 g/kg (ppb) g/kg (ppb) 陨石陨石 n n 100 100 g/kg g/kg 1 1） 恐龙灭绝原因恐龙灭绝原因：2 2） 破解拿破伦死亡之谜破解拿破伦死亡之谜 拿破伦拿破伦 18211821年年5 5月月5 5日死于流放的小岛上。日死于流放的小岛上。 有许多猜测：胃癌有许多猜测：胃癌 谋害谋害 进入金字塔受惊而死等进入金字塔受惊

19、而死等 19611961年一位瑞士人给英国法医部门送去了一个写年一位瑞士人给英国法医部门送去了一个写有有“不朽的拿破伦之发不朽的拿破伦之发”的信封。拿破伦死后第的信封。拿破伦死后第2 2天整天整容时取下的。中子活化分析分段测量发现头发中部容时取下的。中子活化分析分段测量发现头发中部 45cm45cm范围内砷（范围内砷（AsAs）含量高达含量高达1111 1010-6 -6 克，超出正常人克，超出正常人1313倍。倍。 推算砷中毒时间长达数月。推算砷中毒时间长达数月。 结论：拿破伦死于砒霜（结论：拿破伦死于砒霜（AsAs2 2O O3 3) )慢性中毒急性发作。慢性中毒急性发作。 3 3） 破解

20、牛顿死亡之谜破解牛顿死亡之谜 牛顿（牛顿（1642-17271642-1727）两束头发中）两束头发中 汞（汞（Hg) Hg) 铅（铅（PbPb） 锑锑（SbSb）等含量超标。等含量超标。 因汞因汞 铅铅 锑锑 中毒而死，否认了内中毒而死，否认了内脏结石症的传统说法。脏结石症的传统说法。 牛顿怎样会重金属中毒呢？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；晚年光学和化学实验经常与这些重金属打交道； 喜欢喜欢鉴赏重金属，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。漆粉刷的。4 4）秦兵马俑）秦兵马俑“产地产地” 之谜之

21、谜 气势恢宏的气势恢宏的80008000多秦兵马俑多秦兵马俑-深埋地下的深埋地下的“古代大军古代大军”位于陕西临潼县秦始皇陵东侧，有位于陕西临潼县秦始皇陵东侧，有“世界第八大奇迹世界第八大奇迹”美称。美称。 解谜方法：解谜方法：选取秦陵兵马俑样品选取秦陵兵马俑样品8383个个, ,秦陵附近的黏土样秦陵附近的黏土样品品2020个个, ,耀州瓷胎样品耀州瓷胎样品2 2个个. .将样品进行仪器中子活化分析将样品进行仪器中子活化分析(INAA),(INAA),测定每个样品的测定每个样品的3232种元素含量种元素含量. .将所有样品的元素进行将所有样品的元素进行模糊聚类分析。模糊聚类分析。 基本结论：基

22、本结论：兵马俑的原料在秦陵附近的垆土层，烧制兵马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。马俑也不例外。5 5）第一起使用中子活化分析侦破的案例）第一起使用中子活化分析侦破的案例 1958年年5月月1日傍晚时分，日傍晚时分，16岁的小女孩加埃塔恩岁的小女孩加埃塔恩布查德在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，有一根头发，有25英寸长。英寸长。 用中子活化分析技术（样品制成胶囊，放入原子核反

23、应堆用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中子进行照射），检测重点嫌疑人约翰沃莱曼头上取下的头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，发现死者的头发是例，发现死者的头发是2.02，约翰，约翰沃莱曼的头发和死者手上沃莱曼的头发和死者手上的这根头发则分别是的这根头发则分别是1.07和和1.02，显然死者手上的这根头发不，显然死者手上的这根头发不是死者本人的，而非常接近约翰是死者本人的，而非常接近约翰沃莱曼的头发。沃莱曼的头发。 约翰约翰沃莱曼承认自己杀了埃塔恩

24、。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英寸长的头发中的英寸长的头发中的14种元素。科学家认为种元素。科学家认为100万人中，只有两人万人中，只有两人9种元素可能相同。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现代化技术帮助人们查清了隐藏在头发之中的“微量元素微量元素谱谱”。 19世纪初英国发明家塔尔博塔摄了几幅照片，由于当时的照相技术原始，又年代久远，130年后，已经破损不堪，模糊不清。 后来，有人将此照片拿到反应堆的中子流中照射。中子使保存在潜像中的银活化了，稳定的银-l07和银-l09，通过核转变成为放射性同位素

25、银-l08和银-l10。当照片从反应堆中取出时，立刻把它同现在的新照相底片接触。被活化的银，发出和辐射，照射在新照相底片上，实际上就把塔尔博塔照片中的潜像转移到了新底片上。这样，古老的照片在放射自显影技术的作用下，获得了新生。 也就是说，通过照片本身的辐射作用，把它们自己展现出来了。许多原来以为无法挽救的古老照片，在相当大的程度上，就此复活了。6 6）古老照片的复活）古老照片的复活： 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

26、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。7 7）分析环境污染情况：）分析环境污染情况：u样品在一定能量的中子辐照下，通过样品在一定能量的中子辐照下，通过(n, )、 (n, )、(n, p)、 (n, 2n)等核反应

27、生成放射等核反应生成放射性核素。性核素。u图图1.1给出了样品中放射性活度随时间的变给出了样品中放射性活度随时间的变化关系。横坐标上给出了活化分析中的三个化关系。横坐标上给出了活化分析中的三个时间标志。我们可以分别写出这三段时间内时间标志。我们可以分别写出这三段时间内放射性活度的表达式。放射性活度的表达式。 一、活化分析公式推导一、活化分析公式推导 1.辐照时放射性核素的产额辐照时放射性核素的产额 设样品中的原子总数为设样品中的原子总数为Nt，中子能量为，中子能量为E，单能中子通量密度为单能中子通量密度为 ，且不随时间变化，且不随时间变化。 不考虑中子通量衰减（即没有样品自吸收不考虑中子通量衰

28、减（即没有样品自吸收）时，样品在中子辐照下放射性核的产生）时，样品在中子辐照下放射性核的产生率为率为tPN式中式中 是中子与样品中原子核发生反应的截面，或称活化是中子与样品中原子核发生反应的截面，或称活化截面。截面。(1.1)(1.1) 在这同时，已生成的放射性核发生衰变，在这同时，已生成的放射性核发生衰变，衰变率（活度）为衰变率（活度）为 AN 式中为衰变常数，N为放射性核数。 辐照时某一时刻的放射性核数目的变化率为dNPNdttNN(1.2)(1.2)(1.3)(1.3)上式中上式中N(t) 是辐照时是辐照时t时刻的放射性核数。时刻的放射性核数。 1111tttNtNePe 解这方程，并利

29、用初始条件（解这方程，并利用初始条件（t=0时，时，N=0），可得到，可得到(1.4)(1.4)如果辐照的时间为如果辐照的时间为t0，那么，在，那么，在t0时刻停止辐照时时刻停止辐照时样品中所生成的放射性核数为样品中所生成的放射性核数为0011tNtPe1tNS 0tA tNS或者写成或者写成 式中式中A(t0)为为t0时刻的放射性活度，时刻的放射性活度，S=1-e - t0 称为饱和因子。称为饱和因子。(1.6)(1.6) 当辐照时间为当辐照时间为2个半衰期时，放射性活度为个半衰期时，放射性活度为最大值的最大值的75%； 而辐照而辐照7个半衰期时，活度为最大值个半衰期时，活度为最大值99.2

30、%，只增加，只增加22%； 辐照时间小于辐照时间小于1个半衰期时放射性活度的增个半衰期时放射性活度的增长与时间近似成线性关系；长与时间近似成线性关系； 辐照时间足够长时，放射性活度达到饱和辐照时间足够长时，放射性活度达到饱和值值A() 。 2.2.冷却时间内的放射性活度冷却时间内的放射性活度在冷却时间内，放射性核衰变持续，冷却到在冷却时间内，放射性核衰变持续，冷却到时刻时刻t t1 1未发生衰变的放射性核数为未发生衰变的放射性核数为 1010ttN tN te活度为 1010ttA tA te 0A tD式中式中D 称为衰变因子。称为衰变因子。(1.7)(1.7)(1.8)(1.8)在测量时间

31、间隔在测量时间间隔t2t1内，样品中放射性核内，样品中放射性核衰变的总数为衰变的总数为 3.3.测量阶段的放射性计数测量阶段的放射性计数210tttAAtd t对中子活化生成的放射性核素，可用对中子活化生成的放射性核素，可用 射线探测器射线探测器测量它所放出的测量它所放出的 射线的能量和强度。射线的能量和强度。假定衰变时只有一种衰变方式，而且只放出一种假定衰变时只有一种衰变方式，而且只放出一种能量的能量的 射线；并假定探测系统的总绝对效率射线；并假定探测系统的总绝对效率 t 为为(1.9)(1.9)4t 10210011tttttttNNeee式中式中 为探测器对一定能量的为探测器对一定能量的

32、 射线的本征效率，射线的本征效率， 为探测器为探测器对样品所张的立体角。对样品所张的立体角。那么，在那么，在t2t2t1t1时间间隔内记录到的射线总时间间隔内记录到的射线总计数计数(1.10)(1.10)(1.11)(1.11) 或者，从式或者，从式 （1.8） 出发，可以写出在停出发，可以写出在停止辐照后的某一测量时刻止辐照后的某一测量时刻t记录到的记录到的 射线强射线强度度 为为 tn tA t001t ttttNee(1.12)(1.12)u当生成的放射性核素还存在着其他衰变方式（例如内当生成的放射性核素还存在着其他衰变方式（例如内转换）和发射几组不同能量的转换）和发射几组不同能量的 射

33、线时，在射线时，在t2t2t1t1时时间内记录到的某一能量的间内记录到的某一能量的 射线的总计数表达式（射线的总计数表达式（1.111.11） ，或在时刻，或在时刻t t测得的某一能量测得的某一能量 射线强度表达射线强度表达式（式（1.121.12），应乘上修正因子），应乘上修正因子 和和 。 1111rf 为内转换系数为内转换系数为核发射为核发射 射线的几率射线的几率rffr为该放射性核素发射某一定能量为该放射性核素发射某一定能量 射线射线的强度比的强度比(分文比分文比)。 于是，得到关系式于是，得到关系式001tttNNe1021111ttttreef(1.13)(1.13) 00111t

34、ttttrn tNeef和和(1.14)(1.14) 若用样品的重量若用样品的重量W来表示待测元素的含来表示待测元素的含量，则式量，则式(1.13)和和 (1.14)可以写成可以写成001tAtWNNeM1021111ttttreef (1.15)(1.15) 式中式中M是待测元素的原于量是待测元素的原于量,NA是阿伏伽德罗是阿伏伽德罗常数，常数， 是待测元素的同位素丰度，只有这是待测元素的同位素丰度，只有这种丰度的同位素才发生核反应生成我们所鉴种丰度的同位素才发生核反应生成我们所鉴定的放射性核素。定的放射性核素。 式式(113) (116)是中子活化分析中的基是中子活化分析中的基本公式。本公

35、式。 00111t ttAtrWn tNeefM和和(1.16)(1.16) 当辐照和放射性测量的一些参数，以当辐照和放射性测量的一些参数，以及有关的核数据等已知时，便可以从及有关的核数据等已知时，便可以从这些基本公式计算出样品中待测元素这些基本公式计算出样品中待测元素的浓度。的浓度。 当然，辐照时的一些参数由具体的辐当然，辐照时的一些参数由具体的辐照中子源条件而定。照中子源条件而定。 在推导式在推导式 (1.1) 时，认时，认 为为 入射到样品上入射到样品上的中子通量密度和核反应截面都是单能的中子通量密度和核反应截面都是单能中子的通量密度和截面值。当辐照源的中子的通量密度和截面值。当辐照源的

36、中子能量不是单能的，必须考虑中子通中子能量不是单能的，必须考虑中子通量密度分步和中子活化截面随能量的变量密度分步和中子活化截面随能量的变化，这时放射性核的产生率为化，这时放射性核的产生率为 (1.17) 0tPNEE dE二、中子能量、通量和反应截面二、中子能量、通量和反应截面 式中式中 是单位能量间隔内的中子通是单位能量间隔内的中子通量密度。对于中子阈能反应，能小量密度。对于中子阈能反应，能小于于 时，式时，式(117)可改写为可改写为 （1.18） 所以，在活化分析的定量计算时，应根所以，在活化分析的定量计算时，应根据具体的辐据具体的辐 照照 中中 子源条件，对不同的子源条件，对不同的中子

37、能区采用相应能量下中子能区采用相应能量下 的中子通量密的中子通量密度和截面值。度和截面值。 EthE thtEPNEE dE 1.反应堆中子的能量、通量和反应截面反应堆中子的能量、通量和反应截面 对于反应堆中子源，在理想的慢化条件对于反应堆中子源，在理想的慢化条件 (反反应堆中慢化区无限大，慢化剂不吸收中子，应堆中慢化区无限大，慢化剂不吸收中子，慢化材料的原子是自由粒子慢化材料的原子是自由粒子) 下的中子能谱下的中子能谱分为热区、中能区、快区。图分为热区、中能区、快区。图1.2给给 出出 了典了典型的裂变反应堆中子通量密度随能量的分布型的裂变反应堆中子通量密度随能量的分布。热区热区 热区中子的

38、速度是慢化剂处于热平衡时的速热区中子的速度是慢化剂处于热平衡时的速度，其分析为麦克斯韦分布。度，其分析为麦克斯韦分布。 在在20时的最可几速度时的最可几速度 为为2200m/s， 相应的中子能量为相应的中子能量为0025eV，这种中子称为热中子，这种中子称为热中子。图。图12中的中的 =0.55为镉为镉 截止能量。由于截止能量。由于Cd对热对热中子的吸收截面很大，能量小于中子的吸收截面很大，能量小于 的反应堆中子通的反应堆中子通过过Cd片时被吸收，只有能量较高的中子才能穿过。片时被吸收，只有能量较高的中子才能穿过。能量小于能量小于 的中子称镉下中子，大于的中子称镉下中子，大于 的称镉上中的称镉

39、上中子。热中子的密度为子。热中子的密度为 1.190vCdECdECdECdE 00nn v dv 式中式中 为单位速度间隔内的中子密度为单位速度间隔内的中子密度 n v 热中子与原子核发生热中子与原子核发生( ，)反应，生成放反应，生成放射性核素。热中子的活化截面为射性核素。热中子的活化截面为 。热。热区中子与原子核作用的总截面遵循区中子与原子核作用的总截面遵循 定定律，速度为律，速度为V的中子的活化截面的中子的活化截面 可以可以写成写成 (1 .20) 根据式根据式 (117) ，由式，由式 (l19) 和和 (120) 得到热区中子活化时每个样品原子的得到热区中子活化时每个样品原子的放射

40、性产生率为放射性产生率为n01/v v 0 0/vvv 10Pn v vv dv 0 00vn v dv00（1.21） 式中00 0n v 为热中子通量密度。在反应堆中，超热中子或镉上中子为中能区中子。在理在反应堆中，超热中子或镉上中子为中能区中子。在理想的慢化介质情况下的超热中子能皇分布为想的慢化介质情况下的超热中子能皇分布为1/ 分布即分布即 中能区中能区 E 1EE 式中 是单位对数能量间隔内的超热中子通量 密度。中能中子与原子核作用的总截面存在许多共振峰，故中能区也称共振区。共振区的截面 包含两个部分：布赖特维格纳共振截面 和 截面曲线 的尾部，即 我们把热区和中能区统称为慢区。用慢

41、区中子 做活化分析时，每个样品原子通过(n， )反应生成为放射性核的产生率为 vR1/v 1/vv 1/Rvvvv 10Pn v vv dv式中积分上限式中积分上限 为对应于为对应于 时的中子速度，时的中子速度， 第一个积分项第一个积分项是镉下中子对活化的贡献，第二项是镉下中子对活化的贡献，第二项 是镉上中子的贡献。根据式是镉上中子的贡献。根据式(121)，式，式(124)中的第一个积分项也可以写成类似的形式中的第一个积分项也可以写成类似的形式 (125)式中 为镉下热中子通量密度， 为镉下 热 中子密度。利用式(122)和(123)，可把式(124)的第二项写成 （1.26） 0CdCdvv

42、n v vv dvn v vv dvCdvCdE 0 000CdCdvvn v vv dvvn v dv0th0ththv nthn CdCdvEn v vv dvEE dE 1/CdCdRvEEEdEEdEEE 1/vRII 式中式中 ，而，而 （1.27）称为共振积分截面。对称为共振积分截面。对1mm厚的厚的Cd片，片， 。利用式利用式(125)和（和（1.26），式），式(124)可以写成可以写成 （1.28）式中式中 为镉下热中子通量密度与超热中子通量密为镉下热中子通量密度与超热中子通量密度之度之比。 1/0vRIII 0CdEEIdEE1/00.45vI100thPI 000thI0

43、0fQ /thf 为共振积分截面与热中子截面之比。辐照时为共振积分截面与热中子截面之比。辐照时样品包上样品包上Cd片后，镉下中子对活化没有贡献，式片后，镉下中子对活化没有贡献，式 (128) 中第中第项为零。于是，由式项为零。于是，由式 (128) 可以写出慢中可以写出慢中子活化分析中放射性核素发射的子活化分析中放射性核素发射的射线强度表达式射线强度表达式(与式与式(116)相似相似)为为 （1.29） (3) 快区快区 反应堆中快区中子的能谱为裂变谱。这能区的反应堆中快区中子的能谱为裂变谱。这能区的中子通量密度弱，只占总适量密度的百分之几。中子通量密度弱，只占总适量密度的百分之几。辐照时，快

44、区中子通过辐照时，快区中子通过(n，P)（n、）、（）、（n，2n）、（）、（n，）、，）、(n，)反应活化样品。快中子反应活化样品。快中子 000IQ 0001tAtWn tNfQeM 1011ttref n的的(n，)反应截面很小，反应截面很小， (n，p) 、 （n、a）等反应是阈能反应，）等反应是阈能反应，反应截面比热中子活化截面小得多，所以反应堆中快中子对反应截面比热中子活化截面小得多，所以反应堆中快中子对活化的贡献较小。活化的贡献较小。 用快中子做活化分析时，每个样品原子通过核反应生成放射用快中子做活化分析时，每个样品原子通过核反应生成放射性核的产生率为性核的产生率为 10PEE

45、dE thEEE dE 0E dE （1.30） 而 00EE dEE dE 0thEEE dEE dE （1.31）三、中子活化分析中的标准化方法三、中子活化分析中的标准化方法做中子活化分析时，为求得样品中元素的浓度，需确定测量的做中子活化分析时，为求得样品中元素的浓度，需确定测量的标准化方法，即采用绝对测量法还是相对测量法。绝对测量法标准化方法，即采用绝对测量法还是相对测量法。绝对测量法要求活化时的中子通量分布、截面、探测效率、放射性核的有要求活化时的中子通量分布、截面、探测效率、放射性核的有关核参数等都为已知，然后再按公式计算元素浓度。相对测量关核参数等都为已知，然后再按公式计算元素浓度

46、。相对测量法是将待分析样品与已知浓度的标准样品作比较测量，从而求法是将待分析样品与已知浓度的标准样品作比较测量，从而求得元素浓度。得元素浓度。 0E dE2/cms 1.相对测量法相对测量法 将待分析样品与相同材料但含量巳知的标准样品在相同的中将待分析样品与相同材料但含量巳知的标准样品在相同的中子能量和通量条件下辐照，并在相同的测量条件下测量它子能量和通量条件下辐照，并在相同的测量条件下测量它们的放射性，比较它们的放射性活度就可以求得待分析样们的放射性，比较它们的放射性活度就可以求得待分析样品中的元素含量。根据基本公式品中的元素含量。根据基本公式(116) ， 可以分别写出可以分别写出对应于待

47、分析样品和标准样品中子活化分析的表达式为对应于待分析样品和标准样品中子活化分析的表达式为式中用角标式中用角标s表示标准样品的有关参数，表示标准样品的有关参数， x表示待分析样品的表示待分析样品的有关参数。两式相除得到待分析样品的元素含量为有关参数。两式相除得到待分析样品的元素含量为1n1xxAtxxrWNS D fM 1n1ssAtssrWNS D fM （1.33）（1.32） 和量密度的变化，实验时可用另一材料量密度的变化，实验时可用另一材料(例如例如Ni)作为中子通量作为中子通量监测器，与标准样品或待分析样品一同辐照，测量通量监测器监测器，与标准样品或待分析样品一同辐照，测量通量监测器的

48、的y射线计数。这时浓度计算公式可以写成射线计数。这时浓度计算公式可以写成/xsxsnnWWSDSD（1.34）或者由基本公式（1.15），可以写出00/xsxsNNWWSDCSDC （1.35） 式中211ttCe /NiNittxsNixWWnnWWSDSD /ttNisnnSDSD （1.36）样品与通量监测器，或者标准样品与待测样品同时辐照时对中样品与通量监测器，或者标准样品与待测样品同时辐照时对中子通量和中子能谱的稳定性就没有要求。若待测样品和标子通量和中子能谱的稳定性就没有要求。若待测样品和标准样品都占有准样品都占有定体积，则它们在中子场中所在位置处的定体积，则它们在中子场中所在位置

49、处的中子通量密度不尽相同。实验时也应该用中子通量监测器中子通量密度不尽相同。实验时也应该用中子通量监测器监测，计算时，应对中子通量梯度作修正。若分析样品自监测，计算时，应对中子通量梯度作修正。若分析样品自身吸收中子，则在相对测量时要求待测样品和标准样品的身吸收中子，则在相对测量时要求待测样品和标准样品的形状和组成成分相同，否则要对样品的自屏蔽效应作修正。形状和组成成分相同，否则要对样品的自屏蔽效应作修正。另外，相对测量法要求对待测样品和标准样品放射性测量另外，相对测量法要求对待测样品和标准样品放射性测量条件条件 (例如立体角例如立体角) 相同。若样品自相同。若样品自 吸吸 收收y射线，则要求两

50、射线，则要求两种样品的大小，种样品的大小， 形状和组成成分相同，否则要对形状和组成成分相同，否则要对y射线自吸射线自吸收效应作修正。可见，为了避免中子自屏蔽和收效应作修正。可见，为了避免中子自屏蔽和y射线射线自吸收修正，就要求对每一种待测样品中每一 待测元素，有与待测样品组成成分和形状相同的标准样品。制备这系列相应的标准样品，显然不是一件十分容易的事情。 相对测量法的测量准确度较高，主要取决于标准样品的准确度。 1 矢量代数与张量初步*n* *AtWNSDM （1.37）和nAtWNSDM （1.38） *11rf式中的探测效率 和 是探测器对不同能量 射线的探测效率。对于慢区中子活化分析，由

51、式（1.29）可将式（1.39）写成* *tMtWnMSDWnSD （1.39）tt0000*ttfQWnSDMWn SDMfQ * 1*WnSDn SDk （1.40）式中0 12kk k k,而000*MkM 010fQkfQ2*ttkk与核参数有关，k与中于能谱有关，k与探测器有关。当k值巳知时，由式(140)就可以计算出待测样品中的元素含量。 绝对测量法分析不同元素时，要分别计算k值，而且要求核数据o、I。以及f、c等数据准确度好才行。但是，这些数据，特别是活化截面和核发射射线的分支比参数的准确度不高，绝对测量法的准确度往往比相对测量法差。为避免在绝对测量法中使用不精确的核数据给分析结

52、果带来误差，于是就提出了另种标准化方法单标准法(或称单比较器法)。 3单标准法单标准法6 事先选择某种元素作为标准参考元素(或称比较器)，将已知重量的参考元素样品与已知重量的某其他元素样品起辐照 并在确定的几何条件下测量并在确定的几何条件下测量射线计数，用式射线计数，用式(140)求得这一求得这一元素相对于比较器元素绝对活化分析时的元素相对于比较器元素绝对活化分析时的ki值。对其他不同值。对其他不同元素样品分别做相同的实验，求得相应的元素样品分别做相同的实验，求得相应的ki值，建立一套各值，建立一套各种元素相对于这比较器元素测量的种元素相对于这比较器元素测量的ki值实验数据库，作为参值实验数据

53、库，作为参考标准。以后分析任何样品时，只要用该比较器与待分析样考标准。以后分析任何样品时，只要用该比较器与待分析样品一起在原来测定品一起在原来测定ki值标准数据时的相同辐照条件下辐照，值标准数据时的相同辐照条件下辐照，并用原来测定并用原来测定ki值标准数据时的同一探测器在相同的测量几值标准数据时的同一探测器在相同的测量几何条件下测量何条件下测量射线，然后用已建立的射线，然后用已建立的ki值标准数据便可计算值标准数据便可计算出待分析样品中元素含量。计算公式与式出待分析样品中元素含量。计算公式与式(140)相同，带相同，带*号的参数表示单比较器的参数。常用的比较照元素足号的参数表示单比较器的参数。

54、常用的比较照元素足Au和和Co。 单标准法中的比较器，类似于绝对测量法中的中子通量监测单标准法中的比较器，类似于绝对测量法中的中子通量监测器。这两种测量方法的不同之处是：在绝对测量法中，要知器。这两种测量方法的不同之处是：在绝对测量法中，要知道探测器总绝对效率，而在单标准法中不必要知道探测效率。道探测器总绝对效率，而在单标准法中不必要知道探测效率。单标淮法与相对测量法的不同之处是：对标准样品的处理上，单标淮法与相对测量法的不同之处是：对标准样品的处理上，单标准法只用一种元素标准样品作为参考，不必象相对测量单标准法只用一种元素标准样品作为参考，不必象相对测量法要用各种元素的标准样品，因而简化了标

55、样的制备、辐照法要用各种元素的标准样品，因而简化了标样的制备、辐照和测量手续；在单标准法中要用到核数据，而在和测量手续；在单标准法中要用到核数据，而在 相对测量法中则不用核数据。所以，在做多元素活化分析时，相对测量法中则不用核数据。所以，在做多元素活化分析时，单标准法比相对测量法优越，特别适用于只要想知道元素浓单标准法比相对测量法优越，特别适用于只要想知道元素浓度相对变化情况的那些分析中。此方法也比较容易实现自动度相对变化情况的那些分析中。此方法也比较容易实现自动化分析。单标化分析。单标Ze法的测量准确度与相对法的准确度接近，测法的测量准确度与相对法的准确度接近，测量精密度较好。量精密度较好。

56、 单标准法要求测定单标准法要求测定ki值标准数据时和以后分析样品时的值标准数据时和以后分析样品时的实验条件完全一致。若实验条件实验条件完全一致。若实验条件(例如辐照位置上中子通量例如辐照位置上中子通量密度，探测器性质和几何条件密度，探测器性质和几何条件)稍有变化，就得重新测定稍有变化，就得重新测定ki值值标准数据库，这是这标准数据库，这是这方法的不足之处。方法的不足之处。 在单标准法基础上又发展了在单标准法基础上又发展了k标准化方法标准化方法7，8，把，把k中中 不受辐照条件和测量条件影响，而仅与核参数有关的不受辐照条件和测量条件影响，而仅与核参数有关的k作为作为常量，实验上事先建立常量，实验

57、上事先建立套各种元素相对于单比较器的套各种元素相对于单比较器的k值值作为参考标准，而把与中子能谱和探测器因素有关的作为参考标准，而把与中子能谱和探测器因素有关的k1和和k2：值在分析样品时确定。值在分析样品时确定。K标淮法中的元素浓度计算公式为标淮法中的元素浓度计算公式为000001*ttfQWnSDWn SDk fQ（1.41）第二节第二节 快、慢中子话化分析技术快、慢中子话化分析技术 按中子能量范围的不同，中子活化分析可区分为慢中子活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。慢中子活化是通过化分析和快中子活化分析。慢中子活化是通过(n，)俘获反俘获反应生成放

58、射性核素。大多数核的慢中子活化截面很大，故应生成放射性核素。大多数核的慢中子活化截面很大，故分析灵敏度高。快中子活化是通过分析灵敏度高。快中子活化是通过(n，p)、(n，)、(n，2n)、和、和(n，n)阈能反应生成放射性核素。快中子的活化截面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

59、技术。处理等实验方法和技术。一、一、 常用的中子核反应常用的中子核反应19 常用的热中子和14MeV快小于核反应列于附录表l和表2中，表中也给出了活化截面值和生成的放射性核素的半衰期 中子活化分挤设备中子活化分挤设备1，10 中子活化分析设备主要有：辐照中子源、样品传送设备及必中子活化分析设备主要有：辐照中子源、样品传送设备及必要的放射化学分离设备、射线能量和强度测量设备，以要的放射化学分离设备、射线能量和强度测量设备，以及数及数 由于反应堆中慢化介质不是无限大和均匀的，慢化原子也不是自由粒子，慢化能力不是常数，实际的反应堆超热中子能谱也不是1E谱，而是1E谱，即 1( )1/eEE e（1.

60、42） 00I001/1( )CdvEdEIEE01( )CdREdEEE1/00()()vRII（1.43） (2)加速器中子源加速器中子源 静电加速器、回旋加速器、高压倍加器以及电子加速器上静电加速器、回旋加速器、高压倍加器以及电子加速器上核反应均可产生中子。产生中于的核反应有核反应均可产生中子。产生中于的核反应有(d，n)、 (p，n)、(，n)、 (，n)。T(d，n) He反应是最常用的核反应，用反应是最常用的核反应，用100一一200keV的高压倍加器做成中子发生器能获得产额为的高压倍加器做成中子发生器能获得产额为10 中子中子cms的单能中子，比的单能中子，比D(d，n)He反应