第五講 核分析技術(shù)

1、1回顧回顧1、核技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。、核技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。2、輻射加工在高分子材料上的應(yīng)用。、輻射加工在高分子材料上的應(yīng)用。3、輻射滅菌、電子束氨法脫硫脫硝技術(shù)。、輻射滅菌、電子束氨法脫硫脫硝技術(shù)。2第五講第五講 核分析技術(shù)核分析技術(shù)1 1、x x射線熒光分析射線熒光分析2 2、中子活化分析、中子活化分析3 3、離子束分析、離子束分析4 4、核效應(yīng)分析、核效應(yīng)分析3越王佩劍1965，出土于湖北荊州望山楚墓群，現(xiàn)藏于湖北省博物館4鳥篆銘文含義 “越王勾踐自作用劍“ 5揭開越王佩劍千古不銹之謎復(fù)旦大學(xué)靜電加速器實驗室上海原子核研究所活化分析組北京鋼鐵學(xué)院6 采用質(zhì)子x熒光非真空分析法對越王勾踐劍

2、進(jìn)行了無損科學(xué)檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，越王勾踐劍的主要成分是銅、錫以及少量的鋁、鐵、鎳、硫組成的青銅合金。劍身的黑色菱形花紋是經(jīng)過硫化處理的，劍刃的精磨工藝水平可同現(xiàn)代在精密磨床上生產(chǎn)出的產(chǎn)品相媲美。 因劍的各個部位作用不同，因此銅和錫的比例不一。劍脊含銅較多，能使劍韌性好，不易折斷；而刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可以防止銹蝕，以保持花紋的艷麗。7 不同成分的配比在同一劍上是怎樣鑄制的呢？ 專家們分析認(rèn)為，古代工匠掌握了當(dāng)今運用成熟的“金屬固體滲透”工藝，也就是類似現(xiàn)在的納米技術(shù)，可使細(xì)小的金屬錫自動覆蓋到劍體，達(dá)到保護(hù)劍體不受侵蝕的目的，而非過去盛傳的“涂鍍說”。 此外，暗

3、格紋飾是以其他物質(zhì)遮擋，在沒有錫層保護(hù)下經(jīng)長期腐蝕產(chǎn)生的。這是一種高難度的復(fù)合金屬工藝，即分兩次澆鑄使之復(fù)合成一體。這種復(fù)合金屬工藝，世界上其他國家是到近代才開始使用的，而我國古代的能工巧匠早在兩千多年前便已采用。8越王佩劍各部位元素成分分析部位CuSnPbFeSAs劍刃80.318.80.40.4黃花紋83.115.20.80.8微量黑花紋73.922.81.41.8微量 微量黑花紋特黑處68.229.10.91.20.5微量劍格邊緣57.229.68.73.40.9微量劍格正中41.542.66.13.75.9微量9痕量元素分析法 光學(xué)方法：分光光度法、原子發(fā)射光譜法、原子熒光光譜法、化學(xué)

4、發(fā)光法等； 電化學(xué)方法：極譜分析法、庫侖分析法、電位法和計時電位法等； 色譜法：氣相色譜法、液相色譜法、離子色譜法等。通過液相色譜、氣相色譜等色譜手段進(jìn)行定量、定性的分析方法稱為色譜分析法。 X射線法：電子微探針法、X射線熒光光譜法等； 放射化學(xué)法：活化分析法、同位素稀釋法、放射性標(biāo)記分析法等； 質(zhì)譜法：二次離子質(zhì)譜分析、火花源固體質(zhì)譜。10（一）核分析技術(shù)基礎(chǔ)（一）核分析技術(shù)基礎(chǔ) 核分析技術(shù)核分析技術(shù)：利用物利用物質(zhì)的天然放射線（質(zhì)的天然放射線（）或者利用人工放射）或者利用人工放射線（線（中子、光子、離子中子、光子、離子和正電子）與物質(zhì)的原和正電子）與物質(zhì)的原子或原子核相互作用，子或原子核相

5、互作用，采用核物理實驗技術(shù)，采用核物理實驗技術(shù)，測定元素測定元素含量含量，或研究，或研究物質(zhì)分子物質(zhì)分子和和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的分析的分析方法。方法。蛋白結(jié)構(gòu)11核分析技術(shù)靶物質(zhì)核探測器射線源核分析技術(shù)最早用于分析鈾礦石樣品中放射性元素的含量。最早用于分析鈾礦石樣品中放射性元素的含量。12 核分析技術(shù)分類 （1 1）X X射線熒光分析射線熒光分析：以一定能量的光子：以一定能量的光子（射線、射線、X X射線）或帶電粒子（電子、質(zhì)射線）或帶電粒子（電子、質(zhì)子、子、射線和其它離子等）轟擊樣品，使射線和其它離子等）轟擊樣品，使樣品中待測元素的原子處于高能激發(fā)態(tài)，樣品中待測元素的原子處于高能激發(fā)態(tài)，而后放出特征而

6、后放出特征X X射線。根據(jù)被測定的特征射線。根據(jù)被測定的特征X X射線能量，可確定被激發(fā)原子所屬元素射線能量，可確定被激發(fā)原子所屬元素（即定性），根據(jù)其強度可確定該元素的（即定性），根據(jù)其強度可確定該元素的含量（即定量）。含量（即定量）。13（2 2）中子活化分析）中子活化分析：通過鑒別和測量試樣受：通過鑒別和測量試樣受中子輻照感生的放射性同位素的特征輻射，中子輻照感生的放射性同位素的特征輻射，進(jìn)行元素和核素分析的核分析方法。進(jìn)行元素和核素分析的核分析方法。是最早發(fā)展的核分析技術(shù)，主要用來分析是最早發(fā)展的核分析技術(shù)，主要用來分析測定物質(zhì)體內(nèi)痕量雜質(zhì)元素的平均濃度。測定物質(zhì)體內(nèi)痕量雜質(zhì)元素的平均

7、濃度。 核分析技術(shù)分類14核分析技術(shù)分類3) 離子束分析（離子束分析（Ion Beam Analysis）：以低能加：以低能加速器為基礎(chǔ)的離子束分析技術(shù)，其中瞬發(fā)核反應(yīng)速器為基礎(chǔ)的離子束分析技術(shù)，其中瞬發(fā)核反應(yīng)分析、盧瑟福背散射分析和溝道技術(shù)是常用的離分析、盧瑟福背散射分析和溝道技術(shù)是常用的離子束分析技術(shù)，已成為固體表面研究不可缺少及子束分析技術(shù)，已成為固體表面研究不可缺少及不可替代的分析手段。不可替代的分析手段。七十年代發(fā)展起來的加速器質(zhì)譜計，能對稀有同位七十年代發(fā)展起來的加速器質(zhì)譜計，能對稀有同位素進(jìn)行超靈敏分析，為采用毫克（素進(jìn)行超靈敏分析，為采用毫克（mg）乃至微克）乃至微克（mg）重

8、量級樣品進(jìn)行放射性斷代等研究開辟了）重量級樣品進(jìn)行放射性斷代等研究開辟了道路。道路。15核分析技術(shù)分類4) 核效應(yīng)分析（核效應(yīng)分析（Nuclear Effect Analysis） 利用核效應(yīng)的各種核分析技術(shù)，如穆斯利用核效應(yīng)的各種核分析技術(shù)，如穆斯堡爾效應(yīng)、正電子湮沒、擾動角關(guān)聯(lián)、核堡爾效應(yīng)、正電子湮沒、擾動角關(guān)聯(lián)、核磁共振等，是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效分磁共振等，是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效分析技術(shù)析技術(shù)16核分析技術(shù)的優(yōu)點核分析技術(shù)的優(yōu)點 1) 靈敏度高靈敏度高（加速器質(zhì)譜計可以達(dá)到克；中（加速器質(zhì)譜計可以達(dá)到克；中子活化分析可分析每克樣品中的子活化分析可分析每克樣品中的 雜質(zhì)含量；背雜質(zhì)含量

9、；背散射分析可達(dá)到樣品表面層散射分析可達(dá)到樣品表面層1nm深度的結(jié)構(gòu)）；深度的結(jié)構(gòu)）； 2) 準(zhǔn)確度好，誤差小，不破壞樣品的宏觀結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確度好，誤差小，不破壞樣品的宏觀結(jié)構(gòu)； 3) 多元素同時分析多元素同時分析（中子活化分析可以同時對幾（中子活化分析可以同時對幾十種元素進(jìn)行分析）；十種元素進(jìn)行分析）； 4) 易于實現(xiàn)自動化分析易于實現(xiàn)自動化分析。每種核分析技術(shù)都有其。每種核分析技術(shù)都有其獨特的優(yōu)點和適用分析范圍，可選擇的余地大。獨特的優(yōu)點和適用分析范圍，可選擇的余地大。1210910 17中科院核分析技術(shù)實驗室18交叉學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物交叉學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物 核分析技術(shù)與考古學(xué)：核分析技術(shù)與考古學(xué)：如碳

10、如碳14斷代年代法；斷代年代法； 核分析技術(shù)與天體物理：核分析技術(shù)與天體物理：粒子天體物理；粒子天體物理； 核分析技術(shù)材料科學(xué)：核分析技術(shù)材料科學(xué)：溝道效應(yīng)溝道效應(yīng) 石油核測井技術(shù)：石油核測井技術(shù)：利用輻射與物質(zhì)相互作用的各利用輻射與物質(zhì)相互作用的各種效應(yīng)或巖石本身的放射性，以射線探測儀探測種效應(yīng)或巖石本身的放射性，以射線探測儀探測地層物理性質(zhì)，元素組成以及井下技術(shù)參數(shù)的物地層物理性質(zhì)，元素組成以及井下技術(shù)參數(shù)的物探方法。核測井包括放射性測井，核磁測井和放探方法。核測井包括放射性測井，核磁測井和放射性示蹤測井。主要用于石油、油氣、煤田和金射性示蹤測井。主要用于石油、油氣、煤田和金屬礦的勘探中。

11、屬礦的勘探中。 19 核分析技術(shù) 基本原理：基本原理：相對測量相對測量。利用樣品本身放射。利用樣品本身放射性核素產(chǎn)生的性核素產(chǎn)生的射線能量和強度來測射線能量和強度來測定樣品中放射性元素的含量。將未知含量定樣品中放射性元素的含量。將未知含量的樣品與已知含量的標(biāo)準(zhǔn)源做對比測量，的樣品與已知含量的標(biāo)準(zhǔn)源做對比測量，也叫對比分析。也叫對比分析。20 放射源的射線在穿過源體的路程中會被源放射源的射線在穿過源體的路程中會被源體自吸收或散射，這種現(xiàn)象稱為體自吸收或散射，這種現(xiàn)象稱為射線的自射線的自吸收吸收。 干擾核素或射線影響的消除：干擾核素或射線影響的消除： （1）分離干擾核素）分離干擾核素 （2）消除干

12、擾射線）消除干擾射線 （3）解方程的方法）解方程的方法21如何分離干擾核素？如何分離干擾核素？1、對樣品做一系列化學(xué)處理，提取待測元素，摒、對樣品做一系列化學(xué)處理，提取待測元素，摒棄干擾元素，然后測量待測核素的某種射線棄干擾元素，然后測量待測核素的某種射線放射化學(xué)分析法。放射化學(xué)分析法。2、利用元素在常溫下的物理狀態(tài)不同，使被測元、利用元素在常溫下的物理狀態(tài)不同，使被測元素與干擾元素分離。比如氡是氣體，可將樣品中素與干擾元素分離。比如氡是氣體，可將樣品中的氡引入測量裝置，達(dá)到與其它輻射體分離的目的氡引入測量裝置，達(dá)到與其它輻射體分離的目的。的。3、利用放射性核素半衰期不同，待半衰期短的核、利用

13、放射性核素半衰期不同，待半衰期短的核素衰變完再測量。素衰變完再測量。22（二）（二）X射線熒光分析射線熒光分析 原理：原理：以一定能量的光子（以一定能量的光子（射線、射線、X X射線）射線）或帶電粒子（電子、質(zhì)子、或帶電粒子（電子、質(zhì)子、射線和其它射線和其它離子等）轟擊樣品，使樣品中待測元素的離子等）轟擊樣品，使樣品中待測元素的原子處于高能激發(fā)態(tài)，而后放出特征原子處于高能激發(fā)態(tài)，而后放出特征X X射線。射線。根據(jù)被測定的特征根據(jù)被測定的特征X X射線能量，可確定被激射線能量，可確定被激發(fā)原子所屬元素（即定性），根據(jù)其強度發(fā)原子所屬元素（即定性），根據(jù)其強度可確定該元素的含量（即定量）?？纱_定該

14、元素的含量（即定量）。23熒光分析儀 X射線熒光分析具有射線熒光分析具有高高靈敏度、非破壞性、靈敏度、非破壞性、多元素定量分析等特多元素定量分析等特點點。廣泛應(yīng)用于實驗。廣泛應(yīng)用于實驗室和工礦企業(yè)，包括室和工礦企業(yè)，包括材料、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)材料、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、考古學(xué)等領(lǐng)境保護(hù)、考古學(xué)等領(lǐng)域。域。24X射線熒光分析射線熒光分析 X射線熒光分析已成為實驗室和工礦企業(yè)中射線熒光分析已成為實驗室和工礦企業(yè)中元素分析的常規(guī)手段。激發(fā)源從元素分析的常規(guī)手段。激發(fā)源從X光管、放光管、放射源激發(fā)的射源激發(fā)的X射線熒光分析，發(fā)展到用質(zhì)子射線熒光分析，發(fā)展到用質(zhì)子激發(fā)的激發(fā)的X射線熒光分析及同步輻射射線熒光分

15、析及同步輻射X射線熒射線熒光分析。探測器從正比計數(shù)器、閃爍晶體光分析。探測器從正比計數(shù)器、閃爍晶體發(fā)展到半導(dǎo)體探測器測量發(fā)展到半導(dǎo)體探測器測量X射線。射線。25 X X射線熒光分析基本原理射線熒光分析基本原理 X射線的獲得：射線的獲得：1. 1. 韌致輻射韌致輻射-連續(xù)譜連續(xù)譜 X X射線管示意圖射線管示意圖2. 2. 特征特征X X射線的產(chǎn)生機制射線的產(chǎn)生機制 當(dāng)原子受外來粒子或輻射的轟擊，原子核外的內(nèi)當(dāng)原子受外來粒子或輻射的轟擊，原子核外的內(nèi)層電子（以層電子（以K K層為主）被擊出原子而留下空位，即原子層為主）被擊出原子而留下空位，即原子處于激發(fā)態(tài)，稱之為原子的受激。處于激發(fā)態(tài)，稱之為原子

16、的受激。26激發(fā)源：光子激發(fā)源激發(fā)源：光子激發(fā)源 光子激發(fā)包括：光子激發(fā)包括：X射線管激發(fā)；放射性同位素激發(fā)；射線管激發(fā)；放射性同位素激發(fā)；同步輻射激發(fā)。用同步輻射激發(fā)。用XIXE-X-ray Induced X-ray Emission表示。表示。 由于不同元素的內(nèi)層電子結(jié)合能不同，故針對不同由于不同元素的內(nèi)層電子結(jié)合能不同，故針對不同的被測元素有選擇地使用激發(fā)源，可得到最大靈敏的被測元素有選擇地使用激發(fā)源，可得到最大靈敏度。度。 因為因為x射線管或同位素放射源輕便易于購置，故射線管或同位素放射源輕便易于購置，故XIXE分析技術(shù)已被工礦、醫(yī)院、地質(zhì)等部門廣泛分析技術(shù)已被工礦、醫(yī)院、地質(zhì)等部門

17、廣泛使用。使用。27X射線管28電子激發(fā) 電子激發(fā)包括：電子束由電子槍、電子探電子激發(fā)包括：電子束由電子槍、電子探針或針或放射性源產(chǎn)生。用放射性源產(chǎn)生。用EIXE-Electron Induced X-ray Emission表示。表示。 電子束產(chǎn)生較強的軔致輻射本底，所以電子束產(chǎn)生較強的軔致輻射本底，所以EIXE分析方法靈敏度較低。分析方法靈敏度較低。29質(zhì)子激發(fā) 質(zhì)子激發(fā)：用加速器產(chǎn)生的各種重帶電粒子，質(zhì)子激發(fā)：用加速器產(chǎn)生的各種重帶電粒子，如質(zhì)子、如質(zhì)子、粒子作為激發(fā)粒子，尤其以質(zhì)子粒子作為激發(fā)粒子，尤其以質(zhì)子激發(fā)為主，所以一般稱為質(zhì)子激發(fā)。用激發(fā)為主，所以一般稱為質(zhì)子激發(fā)。用PIXE-

18、Proton Induced X-ray Emission表表示。示。 加速器產(chǎn)生的加速器產(chǎn)生的p粒子能量在粒子能量在MeV量級，因設(shè)量級，因設(shè)備龐大，僅限于實驗室使用。備龐大，僅限于實驗室使用。30X射線探測器射線探測器 一般用一般用NaI（Tl）晶體，正比計數(shù)管，半導(dǎo)）晶體，正比計數(shù)管，半導(dǎo)體探測器（體探測器（Ge（Li）、）、Si（Li）、高純鍺）、高純鍺等）。前二者能量分辨率低，但計數(shù)率高，等）。前二者能量分辨率低，但計數(shù)率高，可用于常溫條件下便攜式儀器，在現(xiàn)場測可用于常溫條件下便攜式儀器，在現(xiàn)場測量。半導(dǎo)體探測器能量分辨率高，適用于量。半導(dǎo)體探測器能量分辨率高，適用于多元素同時分析，

19、但計數(shù)率低，需低溫液多元素同時分析，但計數(shù)率低，需低溫液氮保存，可用于實驗室測量。氮保存，可用于實驗室測量。31NaI晶體與半導(dǎo)體探測器32PIXE分析的實驗技術(shù)分析的實驗技術(shù) 實驗技術(shù)比較復(fù)雜，涉及到實驗技術(shù)比較復(fù)雜，涉及到樣品制備樣品制備、實實驗條件的選擇驗條件的選擇和和定量分析定量分析等很多實驗方法等很多實驗方法和數(shù)據(jù)處理方法。和數(shù)據(jù)處理方法。 （一）（一）樣品制備樣品制備：包括靶襯底材料的選擇、：包括靶襯底材料的選擇、采樣方法、樣品加工和制靶等程序。一般采樣方法、樣品加工和制靶等程序。一般選取低本底、抗輻照的有機膜作襯底，取選取低本底、抗輻照的有機膜作襯底，取樣過程所用器具要經(jīng)嚴(yán)格清潔

20、處理，制樣樣過程所用器具要經(jīng)嚴(yán)格清潔處理，制樣品時要加入已知濃度的參考元素作為內(nèi)標(biāo)品時要加入已知濃度的參考元素作為內(nèi)標(biāo)元素以便定量分析時相對比。元素以便定量分析時相對比。33 （二）（二）實驗條件的選擇實驗條件的選擇：如選擇質(zhì)子作為：如選擇質(zhì)子作為入射粒子，既要考慮降低本底，又要盡可入射粒子，既要考慮降低本底，又要盡可能地增大能地增大X射線的產(chǎn)生截面，所以質(zhì)子的轟射線的產(chǎn)生截面，所以質(zhì)子的轟擊能量一般選取擊能量一般選取1至至3MeV；束流強度不能；束流強度不能太大，測量時間不能太長以免損壞樣品，太大，測量時間不能太長以免損壞樣品，樣品不能太厚；探測器應(yīng)放置在樣品不能太厚；探測器應(yīng)放置在X射線產(chǎn)

21、額射線產(chǎn)額較大的方向和位置上。較大的方向和位置上。34 （三）（三）定量分析定量分析：主要包括：主要包括X射線能譜解析射線能譜解析和元素濃度計算。實驗測得的和元素濃度計算。實驗測得的X射線能譜包射線能譜包含著許多元素的特征含著許多元素的特征X射線，還有逃逸峰、射線，還有逃逸峰、康普頓散射峰，特征譜線的重疊峰、高計康普頓散射峰，特征譜線的重疊峰、高計數(shù)率是的相加峰，數(shù)率是的相加峰，X射線能譜相當(dāng)復(fù)雜，必射線能譜相當(dāng)復(fù)雜，必須用計算機的專門程序?qū)δ茏V進(jìn)行解析。須用計算機的專門程序?qū)δ茏V進(jìn)行解析。35X射線能譜36PIXE分析的實驗技術(shù)分析的實驗技術(shù)特點特點：1) 軔致輻射本底小，靈敏度高；軔致輻射

22、本底小，靈敏度高； 2) 可聚焦成微束而成微探針；可聚焦成微束而成微探針； 3) 質(zhì)子束在空氣中的彌散遠(yuǎn)小于電子，可在空質(zhì)子束在空氣中的彌散遠(yuǎn)小于電子，可在空氣中分析一些特殊的樣品。氣中分析一些特殊的樣品。應(yīng)用應(yīng)用：越王寶劍的分析；環(huán)保方面，河水中微量元：越王寶劍的分析；環(huán)保方面，河水中微量元素的分析，大氣氣溶膠分析；地質(zhì)方面，南極冰素的分析，大氣氣溶膠分析；地質(zhì)方面，南極冰川樣品元素含量分析；考古，古陶器的成分分析；川樣品元素含量分析；考古，古陶器的成分分析；生物醫(yī)學(xué)，食道癌、矽肺病病人頭發(fā)樣品微量元生物醫(yī)學(xué)，食道癌、矽肺病病人頭發(fā)樣品微量元素分析；刑偵調(diào)查等等。素分析；刑偵調(diào)查等等。37（

23、二）中子活化分析（NAA） 1936年由年由Hevesy和和Levi兩個人首先提出，而后各兩個人首先提出，而后各國學(xué)者競相研究使其發(fā)展。隨著反應(yīng)堆工程和中子國學(xué)者競相研究使其發(fā)展。隨著反應(yīng)堆工程和中子發(fā)生器等技術(shù)及同位素中子源的發(fā)展，以及高分辨發(fā)生器等技術(shù)及同位素中子源的發(fā)展，以及高分辨率探測器的出現(xiàn)和計算機的應(yīng)用，大大提高了中子率探測器的出現(xiàn)和計算機的應(yīng)用，大大提高了中子活化分析的元素鑒別能力和自動分析水平。可以分活化分析的元素鑒別能力和自動分析水平?？梢苑治龊哿浚ㄎ龊哿浚?）和超痕量（）和超痕量（ ）元素。廣泛）元素。廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、冶金、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)用于地質(zhì)、冶金、工業(yè)

24、、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、天體化學(xué)、考古等領(lǐng)域。天體化學(xué)、考古等領(lǐng)域。681010至9121010至38 中子活化分析的基礎(chǔ)是中子活化分析的基礎(chǔ)是核反應(yīng)核反應(yīng)。用中子照射試樣，。用中子照射試樣，使被測元素轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫酝凰亍Ｊ贡粶y元素轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫酝凰亍?定性分析定性分析根據(jù)所生成同位素的半衰期以及發(fā)根據(jù)所生成同位素的半衰期以及發(fā)出的射線的性質(zhì)、能量等，以確定該元素是否存出的射線的性質(zhì)、能量等，以確定該元素是否存在。在。 定量分析定量分析測量所生成的放射性同位素的放射測量所生成的放射性同位素的放射性強度或在生成放射性同位素反應(yīng)過程中發(fā)出的性強度或在生成放射性同位素反應(yīng)過程中發(fā)出的射線，可以計算試

25、樣中該元素的含量。射線，可以計算試樣中該元素的含量。39 中子活化分析主要利用的核反應(yīng)有（中子活化分析主要利用的核反應(yīng)有（n、）、（）、（n、p）和（）和（n、），熱中子反應(yīng)），熱中子反應(yīng)幾乎都是（幾乎都是（n、），反應(yīng)載面一般比較大，），反應(yīng)載面一般比較大，而且很少有副反應(yīng)產(chǎn)生，因此熱中子活化而且很少有副反應(yīng)產(chǎn)生，因此熱中子活化分析在中子活化分析中一直占有首要地位。分析在中子活化分析中一直占有首要地位。中子活化分析可以測定原子序數(shù)中子活化分析可以測定原子序數(shù)183中的中的77種元素。種元素。40 因為每一種生成的放射性核素發(fā)出的特征 射線的能量都不一樣，所以分析其能譜就可以確定是哪一種核素

26、根據(jù)測量到的特征 射線的強度可以分析出樣品中該核數(shù)的含量中子活化分析的基本原理：中子活化分析的基本原理：41中子活化分析五個步驟 A、樣品制備 B、輻照：瞬發(fā)中子活化分析利用中子源或中子發(fā)生器。 C、冷卻 D、測量 E、數(shù)據(jù)處理4243中子活化分析的應(yīng)用中子活化分析的應(yīng)用1.水樣品的中子活化分析水樣品的中子活化分析中科院高能物理所中子活化實驗室水分析小組，經(jīng)過中科院高能物理所中子活化實驗室水分析小組，經(jīng)過取樣、貯存、濃集、照射、測量分析五個步驟。取樣、貯存、濃集、照射、測量分析五個步驟。長江水系水分析長江水系水分析：不同地區(qū)水中的微量元素的含量與：不同地區(qū)水中的微量元素的含量與水的成因及存在形

27、式、人類活動的影響（人口、污水的成因及存在形式、人類活動的影響（人口、污染）和巖性有關(guān)。染）和巖性有關(guān)。中關(guān)村居民飲用水井水分析中關(guān)村居民飲用水井水分析：水中多數(shù)元素隨季節(jié)和：水中多數(shù)元素隨季節(jié)和年度無明顯變化，全部元素濃度低于允許值。年度無明顯變化，全部元素濃度低于允許值。442.土壤的中子活化分析土壤的中子活化分析 土壤中的有害物質(zhì)，尤其是重金屬元素的土壤中的有害物質(zhì)，尤其是重金屬元素的過量，將會使生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重威脅人過量，將會使生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重威脅人類和生物的生存與發(fā)展。例如，在日本流類和生物的生存與發(fā)展。例如，在日本流行的行的“痛痛病痛痛病”是土壤中的鎘污染所造成，是土壤中的鎘污

28、染所造成，水俁病實際是汞污染造成的，我國東北的水俁病實際是汞污染造成的，我國東北的地區(qū)的克山病，大骨節(jié)病及動物的白肌病地區(qū)的克山病，大骨節(jié)病及動物的白肌病是由于該地區(qū)土壤中低硒造成。是由于該地區(qū)土壤中低硒造成。454647土壤中微量元素的分類土壤中微量元素的分類分類所屬元素生物必需元素鉀鈉鎂鐵鈷鎳鋅碘氟錳鉬錫硒銅等有害元素砷鎘汞鉛鉻未確定元素鋰銣銫鋇鋁鍺釷等48 中子活化分析方法研究元素在土壤中的含中子活化分析方法研究元素在土壤中的含量分布、分配及其變化規(guī)律，可以用來探量分布、分配及其變化規(guī)律，可以用來探礦。例如，我國南方花崗巖地區(qū)發(fā)現(xiàn)一種礦。例如，我國南方花崗巖地區(qū)發(fā)現(xiàn)一種新型富重稀土礦床新

29、型富重稀土礦床花崗巖風(fēng)化巖離子花崗巖風(fēng)化巖離子吸附型稀土礦，該礦床規(guī)模大，品位高，吸附型稀土礦，該礦床規(guī)模大，品位高，成本低廉，尋找它用的就是中子活化分析成本低廉，尋找它用的就是中子活化分析技術(shù)。技術(shù)。493.地球災(zāi)變的研究（銥）地球災(zāi)變的研究（銥） 地球的年齡為地球的年齡為46億年，其間發(fā)生過億年，其間發(fā)生過25次大次大災(zāi)變，其中有五次規(guī)模較大造成古生物滅災(zāi)變，其中有五次規(guī)模較大造成古生物滅絕。絕。 美國伯克利國家實驗室利用中子活化分析美國伯克利國家實驗室利用中子活化分析法測定了白堊系法測定了白堊系/第三系界線粘土的銥，發(fā)第三系界線粘土的銥，發(fā)現(xiàn)此界線中銥異常富集，由此提出白堊系現(xiàn)此界線中銥

30、異常富集，由此提出白堊系小行星撞擊地球?qū)е律餃缃^。小行星撞擊地球?qū)е律餃缃^。 我國科學(xué)家也用此方法在國內(nèi)地區(qū)測量，我國科學(xué)家也用此方法在國內(nèi)地區(qū)測量，也發(fā)現(xiàn)銥的高度富集，證實了此學(xué)說。也發(fā)現(xiàn)銥的高度富集，證實了此學(xué)說。50 地球表層中銥含量極低（低于地球表層中銥含量極低（低于1g/kg），），而地外物質(zhì)如隕石中，銥的含量高達(dá)數(shù)百而地外物質(zhì)如隕石中，銥的含量高達(dá)數(shù)百g/kg，比地殼中銥的含量高出幾個數(shù)量級，比地殼中銥的含量高出幾個數(shù)量級，因此銥可以作為地外物質(zhì)的指示元素。在因此銥可以作為地外物質(zhì)的指示元素。在K/T界線粘土層發(fā)現(xiàn)銥高度富集，可以推斷界線粘土層發(fā)現(xiàn)銥高度富集，可以推斷周圍天體活

31、動參與了地球的地址演化過程，周圍天體活動參與了地球的地址演化過程，即小行星撞擊地球造成地球災(zāi)變。即小行星撞擊地球造成地球災(zāi)變。514.人體的微量元素的測定人體的微量元素的測定 利用中子活化技術(shù)研究人體微量元素的含利用中子活化技術(shù)研究人體微量元素的含量，主要是頭發(fā)，因為頭發(fā)內(nèi)微量元素的量，主要是頭發(fā)，因為頭發(fā)內(nèi)微量元素的含量比血液中高，可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、營養(yǎng)學(xué)含量比血液中高，可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、營養(yǎng)學(xué)等方面的檢測。等方面的檢測。 拿破侖之死：從頭發(fā)中砷含量研究拿破倫拿破侖之死：從頭發(fā)中砷含量研究拿破倫之死。之死。 兒童缺鋅兒童缺鋅硫酸鋅糖漿硫酸鋅糖漿52刑事偵察刑事偵察 開槍后留在手上的極其微量的鋇，銻元

32、素，開槍后留在手上的極其微量的鋇，銻元素，也可以用測出來也可以用測出來53（三）離子束分析技術(shù)（三）離子束分析技術(shù) 離子束分析離子束分析是利是利用離子束與物質(zhì)用離子束與物質(zhì)相互作用來對物相互作用來對物質(zhì)進(jìn)行元素的定質(zhì)進(jìn)行元素的定性、定量分析和性、定量分析和結(jié)構(gòu)分析。已成結(jié)構(gòu)分析。已成為固體表面層研為固體表面層研究不可缺少的分究不可缺少的分析手段。析手段。溝道效應(yīng)等離子束瞬發(fā)核反應(yīng)背散射離子束分析54（1）盧瑟福背散射）盧瑟福背散射 “探險者探險者V”粒子探測器粒子探測器55嫦娥探月工程與氦3324He+ H= He+P+18.4MeV234H+ H= He+n+17.2MeV56盧瑟福背散射盧

33、瑟福背散射(RBS) 定義定義：入射離子與靶原子核之間的大角度庫：入射離子與靶原子核之間的大角度庫侖散射稱為侖散射稱為盧瑟福背散射盧瑟福背散射。 盧瑟福背散射的研究屬于彈性散射，簡稱背盧瑟福背散射的研究屬于彈性散射，簡稱背散射，已發(fā)展成十分成熟的核分析技術(shù)。散射，已發(fā)展成十分成熟的核分析技術(shù)。 1967年背散射技術(shù)首次成功地用于月球土年背散射技術(shù)首次成功地用于月球土壤成分分析，經(jīng)過三十多年的發(fā)展完善已成壤成分分析，經(jīng)過三十多年的發(fā)展完善已成為十分成熟的核分析技術(shù)。為十分成熟的核分析技術(shù)。57 當(dāng)一束具有一定能量的離子入射到靶物質(zhì)當(dāng)一束具有一定能量的離子入射到靶物質(zhì)時，大部分離子沿入射方向透進(jìn)去

34、，并于靶原時，大部分離子沿入射方向透進(jìn)去，并于靶原子的電子相互碰撞而損失能量，只有小部分離子的電子相互碰撞而損失能量，只有小部分離子與靶原子核發(fā)生大角度庫侖散射。用探測器子與靶原子核發(fā)生大角度庫侖散射。用探測器對這些背散射粒子進(jìn)行測量，能獲得有關(guān)靶原對這些背散射粒子進(jìn)行測量，能獲得有關(guān)靶原子的質(zhì)量、含量和深度分布等信息。子的質(zhì)量、含量和深度分布等信息。 盧瑟福背散射盧瑟福背散射(RBS)基本原理基本原理58 （2）溝道效應(yīng)及溝道分析技術(shù)溝道效應(yīng)及溝道分析技術(shù) 溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)離子的離子的運動受晶軸或晶面原運動受晶軸或晶面原子勢的控制，相互作子勢的控制，相互作用概率與入射角關(guān)系用概率與入射角關(guān)系

35、很大，這種強烈的方很大，這種強烈的方向效應(yīng)稱溝道效應(yīng)。向效應(yīng)稱溝道效應(yīng)。 利用溝道效應(yīng)，可以探測、檢查晶體的晶格的是否完整，是否有缺陷，雜質(zhì)等等廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的檢測59溝道效應(yīng)的應(yīng)用溝道效應(yīng)的應(yīng)用 強強粒子束的產(chǎn)生成為現(xiàn)實；高分辨率粒子束的產(chǎn)生成為現(xiàn)實；高分辨率半導(dǎo)體探測器的發(fā)明；計算機和電子學(xué)系半導(dǎo)體探測器的發(fā)明；計算機和電子學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，促進(jìn)了溝道效應(yīng)分析的應(yīng)用。統(tǒng)的發(fā)展，促進(jìn)了溝道效應(yīng)分析的應(yīng)用。 利用溝道效應(yīng)，可以探測、檢查晶體的利用溝道效應(yīng)，可以探測、檢查晶體的晶格是否完整，是否有缺陷，雜質(zhì)等。廣晶格是否完整，是否有缺陷，雜質(zhì)等。廣泛應(yīng)用于固體物理和半導(dǎo)體材料的檢測，泛應(yīng)用于固

36、體物理和半導(dǎo)體材料的檢測，成為材料科學(xué)研究不可缺少的測試分析手成為材料科學(xué)研究不可缺少的測試分析手段。段。60（3 3）加速器質(zhì)譜儀）加速器質(zhì)譜儀(AMS)(AMS) Accelerator Mass Spectrometry Accelerator Mass Spectrometry Al-26（半衰期（半衰期74萬年）研究鋁對神經(jīng)系統(tǒng)萬年）研究鋁對神經(jīng)系統(tǒng)的毒性。的毒性。 夏商周斷代工程與碳夏商周斷代工程與碳-14-14斷代年代法斷代年代法61 更高精度和靈敏度的需要，測量超痕量元素更高精度和靈敏度的需要，測量超痕量元素分析方法靈敏度（克）化學(xué)分析X射線熒光分析中子活化分析加速器質(zhì)譜分析6

37、101210791010至1510121214101 CC62 質(zhì)譜儀原理質(zhì)譜儀原理 實際儀器中，實際儀器中， 固定，固定， 已知。改變加速電位已知。改變加速電位 ，測，測量不同的離子質(zhì)量量不同的離子質(zhì)量 。 對對普通質(zhì)譜儀普通質(zhì)譜儀，質(zhì)量為，質(zhì)量為 的離子在電場中加速得的離子在電場中加速得到能量為到能量為被加速的離子在磁場被加速的離子在磁場 中作半徑為中作半徑為 圓弧運動圓弧運動兩式聯(lián)立，解得兩式聯(lián)立，解得M221MvqV RMvqvB2 VRqBM222 RB,qVMBR63 把把加速器加速器與與質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀，以及，以及輻射探測器輻射探測器組合組合起來，成為為一種超高靈敏的質(zhì)譜儀。能測定同

38、位起來，成為為一種超高靈敏的質(zhì)譜儀。能測定同位素比十分低的元素，能用毫克的樣品進(jìn)行分析。素比十分低的元素，能用毫克的樣品進(jìn)行分析。質(zhì)譜儀的性能指標(biāo)質(zhì)譜儀的性能指標(biāo): : 質(zhì)量分辨率質(zhì)量分辨率 和分析靈敏度。和分析靈敏度。加速器質(zhì)譜儀中的串列加速器有效的消除同量加速器質(zhì)譜儀中的串列加速器有效的消除同量異位素原子離子和分子離子的干擾，如分析異位素原子離子和分子離子的干擾，如分析 時時 的干擾。有效的消除本底，將質(zhì)譜的干擾。有效的消除本底，將質(zhì)譜儀的靈敏度提高三個量級。用來做同位素比極低（儀的靈敏度提高三個量級。用來做同位素比極低（ ）的研究工作。）的研究工作。 MM C14CHCHN1321214

39、,1510 64 如如 ，一般樣品的比放射性活度為一般樣品的比放射性活度為 ，毫克樣品僅為每分鐘計數(shù)僅毫克樣品僅為每分鐘計數(shù)僅0.0150.015個個，由于統(tǒng)計漲落的存在，用放射性測量法根本無法，由于統(tǒng)計漲落的存在，用放射性測量法根本無法實現(xiàn)。實現(xiàn)。 但對但對AMS AMS 而言，每而言，每mgmg樣品含有的原子數(shù)為樣品含有的原子數(shù)為121214101 CC gdpm15個原子個原子2210 ANNA65加速器質(zhì)譜設(shè)備加速器質(zhì)譜設(shè)備 離子源離子源 注入系統(tǒng)注入系統(tǒng) 加速器加速器 高能分析系統(tǒng)高能分析系統(tǒng) 粒子探測器粒子探測器 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)與控制系統(tǒng)66 斷代年代法斷代年代

40、法* 宇宙射線宇宙射線(Cosmic ray)和和 形成。形成。 初級宇宙射線，初級宇宙射線，來自外層空間，由重帶電粒子組成，其來自外層空間，由重帶電粒子組成，其中質(zhì)子（氫核）中質(zhì)子（氫核）85.9%; 粒子（氦核）粒子（氦核）2.7% ;N,O,Ne,C,Si,Mg,Fe核核1.4%。能量高達(dá)。能量高達(dá) 。大氣中的大氣中的N,O作用，產(chǎn)生作用，產(chǎn)生次級宇宙射線次級宇宙射線在在 處完成。處完成。 次級宇宙射線由次級宇宙射線由 介子，中子及高能介子，中子及高能 組成，其密組成，其密度為度為 。中子平均能量為。中子平均能量為 慢化得到慢化得到熱中子熱中子發(fā)生核反應(yīng)發(fā)生核反應(yīng) 在大氣高空中形成的在大

41、氣高空中形成的 是自然界的唯一來源。是自然界的唯一來源。 C14 GeV10 Km15 , e 22108 . 1cms 個個 MeVEn105 NCpnNT147,14614721, C14年年573021 TC1467 年代斷代法的原理年代斷代法的原理 由于生物鏈及自然界的交換，大氣、海洋、生物由于生物鏈及自然界的交換，大氣、海洋、生物界都含有大量界都含有大量 ，且，且各自保持一定的水平各自保持一定的水平，總量達(dá)，總量達(dá)到到 。 若生物死亡而停止交換，若生物死亡而停止交換， 得不到補充，得不到補充， 按其按其半衰期衰變。測量半衰期衰變。測量 的放射性活度或測量的放射性活度或測量 的的原子數(shù)

42、，與相同活體的樣品比較，即可知生物體停原子數(shù)，與相同活體的樣品比較，即可知生物體停止交換的年代。止交換的年代。 遺址中總還有大量生物遺骸，如木頭、骨殖、貝遺址中總還有大量生物遺骸，如木頭、骨殖、貝殼，從而完成年代測量。殼，從而完成年代測量。214214COOC C14MCi3000C14C14C14C14C1468 生物體死亡距今的年代生物體死亡距今的年代下標(biāo)下標(biāo) 為參考樣品，海水為為參考樣品，海水為 。 測量的年代范圍為測量的年代范圍為100年年10萬年。萬年。 tToCCCCS2112141214693.exp1212141021:.: CCC14s69（4 4）瞬發(fā)核反應(yīng)分析）瞬發(fā)核反應(yīng)

43、分析 問題：問題：樣品活化后的半衰期非常短，導(dǎo)致樣品活化后的半衰期非常短，導(dǎo)致來不及測量。來不及測量。 解決辦法：測量與核反應(yīng)同步解決辦法：測量與核反應(yīng)同步! ! 帶電粒子核反應(yīng)瞬發(fā)分析是直接測量核反帶電粒子核反應(yīng)瞬發(fā)分析是直接測量核反應(yīng)過程中伴隨發(fā)生的輻射來確定反應(yīng)原子應(yīng)過程中伴隨發(fā)生的輻射來確定反應(yīng)原子核的種類和元素濃度的方法。核的種類和元素濃度的方法。 可做成便攜式分析裝置，進(jìn)行實時在線測可做成便攜式分析裝置，進(jìn)行實時在線測量量，用于野外地質(zhì)勘探分析及表面分析。用于野外地質(zhì)勘探分析及表面分析。70應(yīng)用：樣品表面層輕元素的測定應(yīng)用：樣品表面層輕元素的測定 金屬和半導(dǎo)體材料中往往含有氧元素，

44、分析氧元金屬和半導(dǎo)體材料中往往含有氧元素，分析氧元素的含量是很重要的，可以采用反應(yīng)來分析，素的含量是很重要的，可以采用反應(yīng)來分析， 氘束能量可選氘束能量可選830 keV830 keV，探測角度，探測角度150150。 氟元素可采用氟元素可采用 反應(yīng)分析，在反應(yīng)分析，在Ep=870keVEp=870keV時，反應(yīng)截面很大，分析靈敏度高，可時，反應(yīng)截面很大，分析靈敏度高，可用來分析生物樣品（例如牙齒、骨骼）中的氟含用來分析生物樣品（例如牙齒、骨骼）中的氟含量。量。1617OdpO（ ， ）1916FpO（ ，）71人體骨骼中微量元素的平均含量人體骨骼中微量元素的平均含量72（5）等離子束分析技術(shù)

45、）等離子束分析技術(shù) 物質(zhì)的第四態(tài)，與固、物質(zhì)的第四態(tài)，與固、液、氣并列。液、氣并列。 目前正處于發(fā)展期目前正處于發(fā)展期73（二）核效應(yīng)分析（二）核效應(yīng)分析（1 1）鐵鑰匙）鐵鑰匙穆斯堡爾譜學(xué)技術(shù)穆斯堡爾譜學(xué)技術(shù) 共振吸收，音叉，吉他調(diào)弦共振吸收，音叉，吉他調(diào)弦74 原子系統(tǒng)中的共振現(xiàn)象：鈉光源原子系統(tǒng)中的共振現(xiàn)象：鈉光源與鈉蒸汽玻璃瓶的共振吸收。與鈉蒸汽玻璃瓶的共振吸收。 原子核中是否也存在共振吸收？原子核中是否也存在共振吸收？存在存在! !由德國物理學(xué)家穆斯堡爾由德國物理學(xué)家穆斯堡爾于于19571957年發(fā)現(xiàn)。年發(fā)現(xiàn)。 定義：原子核輻射的無反沖共振定義：原子核輻射的無反沖共振吸收稱為穆斯堡爾效應(yīng)。吸收稱為穆斯堡爾效應(yīng)。75為何難以觀察到？76為何稱為鐵鑰匙？為何稱為鐵鑰匙？77穆斯堡爾效應(yīng)實驗儀器78穆斯堡爾效應(yīng)分析應(yīng)用穆斯堡爾效應(yīng)分析應(yīng)用 穆斯堡爾共振譜：即無反沖條件下的核穆斯堡爾共振譜：即無反沖條件下的核射射線共振譜。線共振譜。 能量分辨能力極高，對核外電子狀態(tài)的微能量分辨能力極高，對核外電子狀態(tài)的微小變化也能測定，因此可以得到化學(xué)位移、小變化也能測定，因此可以得到化學(xué)位移、分子內(nèi)的結(jié)合狀態(tài)及分子間相互作用等核分子內(nèi)的結(jié)合狀態(tài)及分子間相互作用等核外電子的信息。外電子的信息。 鋼鐵腐蝕的研究、煤的穆斯堡爾研究、隕鋼鐵腐蝕的研究、煤的穆斯堡爾研究、隕石