中子活化分析

中子活化分析是以一定能量和流强的中子轰击试样中元素的同位素发生核反应，通过测定产生的瞬发伽玛或放射性核素衰变产生的射线能量和强度（主要是伽玛射线），进行物质中元素的定性和定量分析。中子活化分析主要分为常规中子活化分析、放射化学中子活化分析和瞬发伽玛中子活化分析。中子活化分析可测定60至80个元素，大部分元素的灵敏度可达到10-6～10-13克。因此中子活化分析以其高灵敏度、高准确度、非破坏性、无试剂空白污染和多元素同时分析等优点广泛地应用于地球化学、宇宙科学、环境科学、考古学、生命医学、材料科学和法医学等领域。在多元素、高准度和非破坏等综合分析优势方面独占鳌头。

简介

中子活化分析，又称仪器中子活化分析，是通过鉴别和测试式样因辐照感生的放射性核素的特征辐射，进行元素和核素分析的放射分析化学方法。活化分析的基础是核反应，以中子或质子照射试样，引起核反应，使之活化产生辐射能，用γ射线分光仪测定光谱，根据波峰分析确定试样成分；根据辐射能的强弱进行定量分析。一般中子源由核动力装置提供，质子源采用回旋加速器或范德格拉夫式加速器。活化分析大体分为5个步骤，即：试样和标准的制备、活化、放射化学分离、核辐射测量和数据处理。本法的特点在于灵敏度极高，准确度和精密度也很高；可测定元素范围广，对原子序数1-83之间的所有元素都能测定，并具有多成分同时测定的功能，在同一试样中，可同时测定30-40种元素。因而适用于环境固体试样中的多元素同时分析，如大气颗粒物、工业粉尘、固体废弃物等中的金属元素测量。由于仪器价格昂贵，分析周期较长，操作技术比较复杂，目前，在我国尚少配置。它是大气颗粒物的多元素同时分析方法中灵敏度较高的一种，在国外环境监测中广为应用。

在GSR的检验中，NAA用于检验射击者手臂上的锑和钡的存在和数量。这些元素是许多子弹底火的成份，如果在手上有高浓度的这些元素的存在，就意味着此最近射击过枪支。因为锑和钡也可能存在于并未开枪的人的手上，所以NAA的依据在于检验元素比正常情况下大得多的数量，以此表明GSR的存在。有些实验室曾经收集和记录过正常人手上这些元素的含量水平。该技术方法，是通过擦或者洗的技术而从手上提取残留物的。它的主要缺陷是需要添置研究用的核反应堆。

简史

1936年匈牙利化学家赫维西和H.莱维用镭-铍中子源 (中子产额约 3×10中子/秒)辐照氧化钇试样，通过Dy（n,γ）Dy反应（活化反应截面为2700靶（恩）, 生成核Dy的半衰期为2.35小时）测定了其中的镝，定量分析结果为10克/克，完成了历史上首次中子活化分析。

分类

根据入射中子的能量的不同通常被分为：

冷中子活化分析

热中子活化分析

超热中子活化分析

快中子活化分析

根据测量不同过程的产生的伽玛射线或者样品处理方式，中子活化分析又被分为：

瞬发伽玛中子活化分析

常规中子活化分析/仪器中子活化分析

放射化学中子活化分析

冷中子活化分析：入射中子为冷中子的活化分析。冷中子通常需要有专门的冷源设施，一般采用液氦对热中子进行冷却，达到接近于单一波长的中子。这样的设施在全世界为数不多，一般设在核反应堆内部。国内中国先进研究堆（CARR）和绵阳研究堆（MYRR）都建立了冷中子源。

热中子活化分析：入射中子能量范围一般在0.025eV-1eV的活化分析，也是中子活化分析最广泛使用的一种。热中子通常指一定的中子。

超热中子活化分析：入射中子能量范围一般在1eV-1MeV的活化分析。单独使用超热中子活化分析使用较少。在实际应用中通常是把待分析样品放在1毫米厚的金属镉（Cd）盒中进行中子辐照。由于镉对热中子的吸收截面非常高，所以镉盒的作用是吸收热中子。透过1毫米镉片的中子被称为超热中子。

快中子活化分析：入射中子能量超过3MeV的活化分析。快中子活化分析主要以（n，p）、（n，a）核反应为主，也有部分（n，n’）、（n，2n）、（n,ng）核反应发生，通常使用反应堆的快中子或者D-T中子源产生的14.7MeV中子进行辐照。

瞬发伽玛中子活化分析：直接测量（n,g）反应产生的瞬发伽玛所进行的活化分析。瞬发伽玛的优势在于分析速度快，可以进行在线分析，对氢（H）、硼（B）等难以通过测量衰变伽玛进行分析的元素的灵敏度很高，缺点是用于瞬发伽玛活化分析的中子注量率都很低，因而对大部分元素的灵敏度不如常规中子活化分析。

常规中子活化分析/仪器中子活化分析：通常是指将待分析式样直接送入反应堆进行中子（热中子、超热中子、快中子）辐照，然后经过一定时间的冷却（衰变），将式样分装后直接使用高纯锗探测器进行测量和分析。通常被称为常规中子活化分析或仪器中子活化分析。

放射化学中子活化分析：样品需要进行化学处理的中子活化分析。有时候式样中的待测元素含量很低或者有其它因素干扰，这时需要通过化学处理把待测元素从样品中分离出来或者把主要干扰元素去掉。为了在化学处理过程中不引入污染，人们通常先把待测样品进行中子辐照，把待分析元素变成放射性元素。然后在化学处理过程中通过加入非放射性载体元素进行放射化学分离。从而提高分析灵敏度和准确度。

原理

中子是电中性的，所以当用中子辐照试样时，中子与靶核之间不存在库仑斥力，一般通过核力与核发生相互作用。核力是一种短程力，作用距离为10fm，表现为极强的吸引力。中子接近靶核至10fm时，由于核力作用，被靶核俘获，形成复合核。复合核一般处于激发态（用*表示）,寿命为10-12～10-14秒，它通过各种方式退激发，可用下式表示：中子与靶核碰撞时，有三种作用方式：①弹性散射，靶核与中子的动能之和在散射作用前后不变，这种作用方式无法应用于活化分析；②非弹性散射，若靶核与中子的动能之和在作用前后不等，则该能量差导致复合核的激发，引起非弹性散射，此时生成核为靶核的同质异能素，一些同质异能素的特征辐射可通过探测器测定，这种作用方式可用于活化分析；③核反应，若靶核俘获中子形成复合核后放出光子，则被称为中子俘获反应，即(n,γ)反应，这就是中子活化分析利用的主要反应，此外(n,2n)、(n,p)、(n,a)和 (n,f)等反应也可用于中子活化分析。中子辐照试样所产生的放射性活度取决于下列因素：①试样中该元素含量的多少，严格地讲，是产生核反应元素的某一同位素含量的多少；②辐照中子的注量；③待测元素或其某一同位素对中子的活化截面；④辐照时间等。（见活化分析）

特点

分析元素多:理论上可以分析80种元素，实际上一个式样一般可以测定40～50个元素

灵敏度高：对大部分元素可达到10 ～ 10g

非破坏：一般式样不需要作破坏性处理，可直接送入反应堆照射、然后进行测量和分析。

基体无关性：由于中子和伽玛的穿透性很强，一般说来与式样基体种类关系不大。但是式样在辐照过程中不能影响反应堆安全，如液体、气体等式样需要进行辐照安全处理。

准确度高：由于中子和伽玛穿透性强，高纯锗探测器的能量分辨率很高，伽玛谱清晰，且同时使用相对法和K0法进行定量，还有标准物质进行质量监测。目前非破坏高准度多元素分析优势仍然是其他分析方法难以逾越。

样品量范围宽：可进行亚微克～公斤的式样进行分析。

低污染：由于式样可以直接照射和测量，无丢失、无空白试剂影响。

自动化：可以进行自动辐照、式样自动测量和自动分析。

缺点：需要反应堆，有放射性，而且式样需要对不同半衰期的核素进行分次测量，大部分元素的分析周期较长。

NAA法特别适合考古学中的元素分析。它与其他元素分析法相比较，有许多优点：

其一，灵敏度高，准确度、精确度高。NAA法对周期表中80%以上的元素的灵敏度都很高，一般可达10-6-10-12g，其精度一般在±5%。

其二，多元素分析，它可对一个样品同时给出几十种元素的含量，尤其是微量元素和痕量元素，能同时提供样品内部和表层的信息，突破了许多技术限于表面分析的缺点。

第三，样量少，属于非破坏性分析，不易沾污和不受试剂空白的影响。还有仪器结构简单，操作方便，分析速度快。它适合同类文物标本的快速批量自动分析，其缺点是检测不到不能被中子活化的元素及含量，半衰期短的元素也无法测量。此外，探测仪器也较昂贵。

中子活化分析亦存在一些缺点如下：

1、一般情况下，只能给出元素的含量，不能测定元素的化学形态及其结构。

2、灵敏度因元素而异，且变化很大。例如，中子活化分析对铅的灵敏度很差而对锰、金等元素的灵敏度很高，可相差达10个数量级。

3、由于核衰变及其计数的统计性，致使中子活化分析法存在的独特的分析误差。误差的减少与样品量的增加不成线性关系。

发展趋势

首次中子活化分析是1936年由匈牙利化学家赫维斯（Hevesy）等引入的，他们用Ra+Be中子源通过Dy(n,g)Dy反应和气体电离探测器，成功地测定了Y2O3中含量约0.1%的Dy。随着NaI探测器（1948）和反应堆（1951）的发展，中子活化分析的元素数量、灵敏度都有了很大的提高。1960年代，当第一台高分辨率Ge伽玛谱仪与计算机相结合的中子活化分析问世以后，中子活化分析更以其高灵敏度、高准确度、非破坏性、无试剂空白污染和多元素同时分析等优点成为元素分析领域的明星。广泛地应用于地球化学、宇宙科学、环境科学、考古学、生命医学、材料科学和法医学等领域。

目前中子活化分析的发展主要有两个方面:一是以反应堆中子源为主的高灵敏、超痕量和高准度多元素分析。主要应用于高新材料的痕量杂质对材料的性能影响研究、微分析标准物质的定值分析、二维/三维微束多元素分布分析。另一方面则是以同位素中子源为主的工业现场在线检测分析。主要用于工业过程的质量监测和现场物品成份检测，比如水泥生产实时配料监测、燃煤电厂煤质在线检查、地下矿产资源勘探、隐蔽危险物品快速检测等等。

①从单纯的元素分析扩展到化学状态的测定:随着中子活化分析应用领域的扩大,不仅需要测定样品中元素的含量，而且还要求深入研究元素的分布和状态。例如,在环境科学研究中分析水中痕量元素时,增加超过滤法前处理，将水样分解成低分子量组分、胶体、假胶体和颗粒物，再用中子活化法分别测定处于不同状态的元素含量。

②瞬发分析的应用：常规中子活化分析无法利用核反应截面高而生成稳定核素的核反应，例如113Cd(n,γ)114Cd(反应截面为 2×104靶)；而瞬发γ射线中子活化分析却能够克服这一困难。应用瞬发法可以测定河流沉积物中的硅、硫、铜、镉和汞等元素，这些都是常规中子活化分析很难测定的元素。

③计算机的广泛应用:70年代以来，中子活化分析的样品日趋复杂,例如，环境科学中的大气颗粒物，生命科学中的生物组织，地球化学中的陨石，考古学中的陶、瓷器等，都要求同时提供数百个样品中的几十种元素的含量。计算机与自动活化分析装置配合使用，可以控制照射时间、冷却时间、计数时间，控制样品的输运、分析操作以及数据处理等。

应用

中子活化分析在考古学中主要用来测量陶瓷器、玻璃、银币、铜镜、燧石、骨头化石等样品中的微量元素和痕量元素，进行统计分析，寻找共同性和差异性，从而确定元素成分的演变、产地及矿源等。不同地区的陶瓷土的元素组成差异，特别是微量、痕量元素组成差异大于它们在同一陶土源不同部位的涨落。以我国古瓷研究为例，古代瓷器原料就地取材，其中所含的微量元素种类不多，一般不影响瓷器质量，但在瓷器中长期保存，因而成为各类瓷器的分辨特征。经中子活化分析不仅确定了古瓷中微量元素的古瓷窑窑系，分析了各处古窑的瓷土来源，瓷釉中元素含量的分布说明了原料配方上的差别。更重要的是利用中子活化分析的测量数据建立了各窑系、各瓷类的微量元素特征谱系，瓷类特征谱系因配料不同而形成，其中所含的元素和含量有明显差别，如浙江龙泉窑青瓷釉的宋代和明代特征迥异。外国学者用中子活化分析技术已积累了许多资料。通过对古陶瓷的大量数据积累从中选出地域性特征微量、痕量元素及其含量，用现代陶器、源粘土进行对比，进一步推断古陶瓷的制作年代和烧制地点。我国也用此法进行研究.

中子活化分析在水泥生产过程中用来测量物料成分。特别适用于生料配料及预均化堆场。不需取样，直接测量通过皮带的大宗物料，即时给出成分结果，参与自动控制，提高产品合格率。

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