1、第三章第三章 核分析技术与方法核分析技术与方法第1页，共71页。主要内容主要内容第一节第一节 核分析技术基础核分析技术基础第二节第二节 X射线荧光分析射线荧光分析第三节第三节 中子活化分析技术中子活化分析技术第四节第四节 同位素示踪技术同位素示踪技术第2页，共71页。核分析技术核分析技术核技术应用核技术应用反应堆、加反应堆、加速器等设施速器等设施同位素技术同位素技术引言引言第3页，共71页。p核分析技术原理核分析技术原理p核分析技术的种类核分析技术的种类p核分析技术特点核分析技术特点第4页，共71页。核分析技术原理核分析技术原理核分析技术是基于被测定的材料或样品在射线和粒核分析技术是基于被测定
2、的材料或样品在射线和粒子束的作用下，产生相应的子束的作用下，产生相应的辐射特征辐射特征(射线、粒子、辐射线、粒子、辐射能量射能量)，或者是有的材料或样品本身具有辐射特征，利，或者是有的材料或样品本身具有辐射特征，利用相应的探测器测量材料或样品中某核素辐射特征（如用相应的探测器测量材料或样品中某核素辐射特征（如特征谱线）确定核素种类，经过计数效率刻度可进一步特征谱线）确定核素种类，经过计数效率刻度可进一步确定样品中核素的活度、含量等信息。确定样品中核素的活度、含量等信息。可以可以定性分析定性分析，又可以，又可以定量分析定量分析。第5页，共71页。离子束分析技术离子束分析技术（Ion beam a
3、nalysisIon beam analysis，IBAIBA）超精细相互作用核分析超精细相互作用核分析（Hyper fine effect analysisHyper fine effect analysis）活化分析技术活化分析技术（Activation analysisActivation analysis）核分析技术的种类核分析技术的种类核反应分析（核反应分析（NRA)；卢瑟福背散射（卢瑟福背散射（RBS);质子诱发质子诱发X射线荧光分析（射线荧光分析（PIXE）；）；加速器质谱分析（加速器质谱分析（AMS）；）；沟道效应分析（沟道效应分析（CT）；）；穆斯堡尔效应；穆斯堡尔效应；核磁
4、共振效应（核磁共振效应（NMR）；）；正电子湮灭效应（正电子湮灭效应（PAT）；）；中子衍射中子衍射（Neutron diffraction）；）；中子散射（中子散射（Neutron scattering）；）；带电粒子活化；带电粒子活化；射线活化；射线活化；中子活化中子活化 。第6页，共71页。灵敏度高、准确度好、分辨率高、灵敏度高、准确度好、分辨率高、非破坏性非破坏性、具备多元、具备多元素分析能力、能实施离线和在线测量。素分析能力、能实施离线和在线测量。核分析技术特点核分析技术特点非破坏性分析（非破坏性分析（Non-destructive analysis，NDA）由于铀、钚是核武器的核心
5、材料，是核保障的主要对象，由于铀、钚是核武器的核心材料，是核保障的主要对象，所以发展铀、钚材料的非破坏性辐射探测与分析技术是极为所以发展铀、钚材料的非破坏性辐射探测与分析技术是极为重要的，不仅可以获得铀、钚材料的同位素丰度、化学组分重要的，不仅可以获得铀、钚材料的同位素丰度、化学组分等化学信息，同时还可以获得铀、钚材料的质量、年龄、形等化学信息，同时还可以获得铀、钚材料的质量、年龄、形状、包装容器材料厚度、核设施内部污染分布状况等物理信状、包装容器材料厚度、核设施内部污染分布状况等物理信息。息。NDA NDA技术对核安全保障、军控核查、核设施退役和核污技术对核安全保障、军控核查、核设施退役和核
6、污染物处置等方面起到了积极的支撑作用。染物处置等方面起到了积极的支撑作用。第7页，共71页。物理、化学、生物、地质、考古等学科所研究的各种实物理、化学、生物、地质、考古等学科所研究的各种实体与物质的分析，如文物鉴定、年代测定、产地确定、制作体与物质的分析，如文物鉴定、年代测定、产地确定、制作工艺水平分析等。工艺水平分析等。核分析技术应用核分析技术应用第8页，共71页。pX射线荧光分析的基本原理射线荧光分析的基本原理pX射线荧光光谱仪的基本结构射线荧光光谱仪的基本结构p定性定量分析方法定性定量分析方法pX射线荧光光谱法的特点射线荧光光谱法的特点第9页，共71页。引言引言 X X射线荧光分析（射线
7、荧光分析（XRFXRF）技术即是利用初级）技术即是利用初级X X射线或其它射线或其它微观粒子激发待测样品中的原子，使之产生荧光（次级微观粒子激发待测样品中的原子，使之产生荧光（次级X X射射线）而进行物质成份分析和化学形态研究的方法。线）而进行物质成份分析和化学形态研究的方法。X X射线是一种电磁辐射，按传统的说法，其波长介于紫射线是一种电磁辐射，按传统的说法，其波长介于紫外线和外线和射线之间，但随着高能电子加速器的发展，电子轫射线之间，但随着高能电子加速器的发展，电子轫致辐射所产生的致辐射所产生的X X射线，其能量可能远大于射线，其能量可能远大于射线，故射线，故X X射线射线的波长范围没有严
8、格的界限，对于的波长范围没有严格的界限，对于X X射线荧光分析而言，一射线荧光分析而言，一般是指波长为般是指波长为0.001nm0.001nm50nm50nm的电磁辐射。对化学分析来说，的电磁辐射。对化学分析来说，最感兴趣的波段是最感兴趣的波段是0.01nm0.01nm24nm24nm，0.01nm0.01nm附近是超铀元素的附近是超铀元素的K K系谱线，系谱线，24nm24nm则是最轻元素则是最轻元素LiLi的的K K系谱线。系谱线。第10页，共71页。一、一、X射线荧光分析的基本原理射线荧光分析的基本原理 高能高能X X射线与原子发生碰撞，激发出一个内层电子而射线与原子发生碰撞，激发出一个
9、内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命极短，约为发态原子寿命极短，约为1010-12-12s s1010-14-14s s，然后自发地由，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态，这个过程称为能量高的状态跃迁到能量低的状态，这个过程称为弛弛豫过程豫过程。弛豫过程可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。弛豫过程可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。第11页，共71页。荧光荧光X X射线及俄歇电子产生过程射线及俄歇电子产生过程荧光荧光X X射线及俄歇电子产生过程示意图射线及俄歇电子产生过程示意图俄歇电子的能量是俄歇电子
10、的能量是特征性的。特征性的。X X射线荧光的能量射线荧光的能量或波长是特征性的。或波长是特征性的。与元素有一一对与元素有一一对应的关系。应的关系。第12页，共71页。谱线系谱线系产生产生K K系和系和L L系辐射示意图系辐射示意图原子原子K K层电子被逐层电子被逐出后，其空穴可以出后，其空穴可以被外层中任一电子被外层中任一电子所填充，从而可产所填充，从而可产生一系列的谱线，生一系列的谱线，称为称为K K系谱线系谱线：由：由L L层跃迁到层跃迁到K K层辐射的层辐射的X X射线叫射线叫K K射线射线，由，由M M层跃迁到层跃迁到K K层辐射层辐射的的X X射线叫射线叫K K射线射线第13页，共7
11、1页。莫斯莱定律莫斯莱定律莫斯莱（莫斯莱（H G MoseleyH G Moseley）发现，）发现，荧光荧光X X射线的波长射线的波长与元素与元素的原子序数的原子序数Z Z满足满足=k(Z-s)=k(Z-s)-2-2 式中式中 k k和和s s对同组谱线来说是常数对同组谱线来说是常数 荧光荧光X X射线的能量为：射线的能量为：E E=h h=hChC/只要测出荧光只要测出荧光X X射线的波长或者能量，就可以确定元射线的波长或者能量，就可以确定元素的种类，即进行元素的定性分析。测出荧光素的种类，即进行元素的定性分析。测出荧光X X射线射线的强度即可进行元素的定量分析。的强度即可进行元素的定量分
12、析。第14页，共71页。二、二、X射线荧光光谱仪的基本结构射线荧光光谱仪的基本结构 由于由于X X射线具有一定射线具有一定波长，又有一定能量，波长，又有一定能量，因此，因此，X X射线荧光光谱射线荧光光谱仪有两种类型：仪有两种类型：波长色波长色散型散型和和能量色散型能量色散型。X X射线荧光光谱仪射线荧光光谱仪主要由主要由激发激发、色散色散、探探测测、记录及数据处理记录及数据处理等等单元组成。单元组成。第15页，共71页。1、X射线管射线管 X X射线管产生的射线管产生的X X射线透过铍窗入射到样品上，激射线透过铍窗入射到样品上，激发出样品元素的特征发出样品元素的特征X X射线射线。X X射线
13、管所消耗功率的射线管所消耗功率的0.2%0.2%左右转变为左右转变为X X射线辐射，其余均变为热能使射线辐射，其余均变为热能使X X射线射线管升温，因此必须不断的通冷却水冷却靶电极。管升温，因此必须不断的通冷却水冷却靶电极。第16页，共71页。2、分分光系统光系统主要部件是主要部件是晶体分晶体分光器光器，它的作用是，它的作用是通过晶体衍射现象通过晶体衍射现象把不同波长的把不同波长的X X射射线分开。线分开。晶体的布拉格衍射定律晶体的布拉格衍射定律 2dsin=n 2dsin=n 改变改变可观测到不同可观测到不同的的荧光荧光X X射线射线。分光晶体转。分光晶体转动动角角,检测器必须转动检测器必须
14、转动22角。角。第17页，共71页。3、检测记录系统检测记录系统将将X X射线光子能射线光子能量转化为电信号。量转化为电信号。检测器有检测器有流气流气正比计数器正比计数器和和闪烁计数器闪烁计数器。流气正比计数器主要由金属圆筒负极和芯线正极组成流气正比计数器主要由金属圆筒负极和芯线正极组成,筒内充氩（筒内充氩（90%90%）和甲烷（）和甲烷（10%10%）的混合气体。）的混合气体。适用于轻元适用于轻元素的检测。素的检测。第18页，共71页。3、检测记录系统检测记录系统将将X X射线光子能射线光子能量转化为电信号。量转化为电信号。检测器有检测器有流气流气正比计数器正比计数器和和闪烁计数器闪烁计数器
15、。闪烁计数器适用于重元素的检测。闪烁计数器适用于重元素的检测。第19页，共71页。荧光荧光X射线谱图射线谱图由由X X光激发产生的光激发产生的荧光荧光X X射线，经晶射线，经晶体分光后，由检测体分光后，由检测器检测。器检测。2-荧光荧光X射线强度关系曲线射线强度关系曲线这种方法分辨率高，这种方法分辨率高，但探测效率低，主但探测效率低，主要用于化学环境下要用于化学环境下的精细结构研究。的精细结构研究。第20页，共71页。4、能量色散谱仪能量色散谱仪利用荧光利用荧光X X射线具有不同能量的特点，将其分开并检测，射线具有不同能量的特点，将其分开并检测，不必使用分光晶体，而是依靠半导体探测器来完成。不
16、必使用分光晶体，而是依靠半导体探测器来完成。最大优点是可以同时测定样品中几乎所有的元素、分析速最大优点是可以同时测定样品中几乎所有的元素、分析速度快。度快。对对X X射线的总检测效率比波谱高射线的总检测效率比波谱高，因此可以使用，因此可以使用小功率小功率X X光管激发荧光光管激发荧光X X射线。工作稳定，仪器体积小。射线。工作稳定，仪器体积小。缺点是能量分辨率差，探测器必须在低温下保存。缺点是能量分辨率差，探测器必须在低温下保存。对轻对轻元素检测困难元素检测困难。得到计数率随光子能量变化的得到计数率随光子能量变化的分布曲线，即分布曲线，即X X光能谱图。光能谱图。第21页，共71页。三、三、定
17、性定量分析方法定性定量分析方法 样品的形态可以是固态（块状、粉末），也可以样品的形态可以是固态（块状、粉末），也可以是液态。是液态。X X射线荧光光谱分析是一种相对分析方法，需要通过射线荧光光谱分析是一种相对分析方法，需要通过测试标准样品确定待测样品的含量。测试标准样品确定待测样品的含量。所测样品不能含有水、油和挥发性成份，更不能含有腐所测样品不能含有水、油和挥发性成份，更不能含有腐蚀性溶剂。蚀性溶剂。样品的制备情况对测定结果的不确定度很大。样品的制备情况对测定结果的不确定度很大。第22页，共71页。定性分析定性分析 不同元素的荧光不同元素的荧光X X射线具有各自的特定波长或能量，射线具有各自
18、的特定波长或能量，因此根据荧光因此根据荧光X X射线的波长或能量可以确定元素的组成。射线的波长或能量可以确定元素的组成。波长色散型光谱仪波长色散型光谱仪检测器转动的检测器转动的22角可以求出角可以求出X X射线的波长射线的波长，从而确定元，从而确定元素成份。素成份。能量色散型光谱仪能量色散型光谱仪由谱线对应能量确定是何种由谱线对应能量确定是何种元素及成份。元素及成份。第23页，共71页。定量分析定量分析含量定量分析的依据：含量定量分析的依据：元素的荧光元素的荧光X X射线强度射线强度I Ii i与试样与试样中该元素的含量中该元素的含量C Ci i成正比。成正比。C Ci i为待测元素浓度；为待
19、测元素浓度；K Ki i仪器校正因子；仪器校正因子；I Ii i待测元素的荧光待测元素的荧光X X射线净强度；射线净强度；M Mi i元素间吸收增强效应校正因子；元素间吸收增强效应校正因子；S Si i与样品的物理形态（均匀性、厚度、表面结构等）与样品的物理形态（均匀性、厚度、表面结构等）有关的因子。有关的因子。C Ci i=K=Ki iI Ii iM Mi iS Si iI Ii iC Ci i定量分析定量分析方法：方法：标准曲线法、增量法、内标法等标准曲线法、增量法、内标法等第24页，共71页。定量分析定量分析内标法内标法在工业分析中较多采用。例如，采用在工业分析中较多采用。例如，采用X射
20、线衍射内标射线衍射内标法测定烧结矿中法测定烧结矿中FeO含量时，选择含量时，选择NaCl为内标物质，将为内标物质，将其以其以20%的质量比例掺入已知的质量比例掺入已知FeO含量的磁铁矿和烧结含量的磁铁矿和烧结矿标准样品中，通过测量样品中矿标准样品中，通过测量样品中Fe3O4衍射峰和内标物衍射峰和内标物NaC1衍射峰的强度，获得衍射强度比值衍射峰的强度，获得衍射强度比值IFe3O4/INaCl，然，然后根据后根据IFe3O4/INaCl与已知样品中与已知样品中FeO物相含量，作出物相含量，作出定标定标曲线曲线。实测样品时，按同样方法掺入内标物质，获得。实测样品时，按同样方法掺入内标物质，获得样品
21、中样品中Fe3O4和和NaCl衍射强度比值衍射强度比值IFe3O4/INaCl，即可快速，即可快速获得待测样品中获得待测样品中FeO含量。含量。第25页，共71页。定量分析定量分析基体效应基体效应是指样品的基本化学组成和物理化学状态的变是指样品的基本化学组成和物理化学状态的变化对化对X射线荧光强度所造成的影响。射线荧光强度所造成的影响。化学组成的变化，会影响样品对初级化学组成的变化，会影响样品对初级X射线和射线和X射线射线荧光的吸收，也会改变荧光增强效应。荧光的吸收，也会改变荧光增强效应。例如，在测定不锈例如，在测定不锈钢中钢中Fe和和Ni等元素时，由于初级等元素时，由于初级X射线的激发会产生
22、射线的激发会产生NiK荧光荧光X射线，射线，NiK在样品中可能被在样品中可能被Fe吸收，使吸收，使Fe激发产生激发产生FeK。测定。测定Ni时，因为时，因为Fe的吸收效应使结果偏低；测定的吸收效应使结果偏低；测定Fe时，由于荧光增强效应使结果偏高。因此，对于成时，由于荧光增强效应使结果偏高。因此，对于成份和结构复杂的样品基体，需要用各种算法进行修正，份和结构复杂的样品基体，需要用各种算法进行修正，以实现准确分析。以实现准确分析。第26页，共71页。厚度定量分析厚度定量分析厚度定量分析的依据厚度定量分析的依据是厚度为是厚度为T的某种元素的薄膜的荧光的某种元素的薄膜的荧光X射线强度射线强度IT与无
23、限厚（实际达到饱和厚度即可）薄膜元与无限厚（实际达到饱和厚度即可）薄膜元素的荧光素的荧光X射线强度射线强度I有如下关系：有如下关系：IT /I=1e-s*T=1e-kT kk与薄膜有关的一个常数与薄膜有关的一个常数 对于单层薄膜厚度，可直接由对于单层薄膜厚度，可直接由上式计算获得。多层上式计算获得。多层薄膜厚度的定量分析与单层薄膜类似，但是需要考虑薄膜厚度的定量分析与单层薄膜类似，但是需要考虑外层薄膜对内层薄膜荧光的吸收作用，算法更加复杂。外层薄膜对内层薄膜荧光的吸收作用，算法更加复杂。第27页，共71页。四、四、X射线荧光光谱法的特点射线荧光光谱法的特点p分析的元素范围广分析的元素范围广，从
24、原子序数为，从原子序数为1111的的NaNa到到9292的的U U均可测均可测定。定。p荧光荧光X X射线谱线简单射线谱线简单，相互干扰少，样品不必分离，相互干扰少，样品不必分离，分析方法比较简便。分析方法比较简便。p分析浓度范围较宽分析浓度范围较宽，从常量到微量都可分析。重元，从常量到微量都可分析。重元素的检测限可达素的检测限可达1ppm1ppm。p可用于样品的无损分析可用于样品的无损分析，且快速、准确、自动化程，且快速、准确、自动化程度高。度高。第28页，共71页。第三节第三节 中子活化分析技术中子活化分析技术p活化分析的分类活化分析的分类p活化分析的原理活化分析的原理p中子活化分析技术基
25、础中子活化分析技术基础p中子活化分析的特点中子活化分析的特点p中子活化分析技术的应用中子活化分析技术的应用第29页，共71页。引言引言 活化分析是核分析技术中一种重要的分析方法。具有活化分析是核分析技术中一种重要的分析方法。具有高灵敏度、快速、非破坏性、可多元素同时分析等特点。高灵敏度、快速、非破坏性、可多元素同时分析等特点。第30页，共71页。中子活化分析的应用举例（中子活化分析的应用举例（1）p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 1958年年5 5月月1 1日傍晚，日傍晚，1616岁的加拿大小女孩加埃塔恩岁的加拿大小女孩加埃塔恩布查德离家去埃布查德
26、离家去埃德蒙斯顿地区的新布朗斯威克镇上买东西。结果在城外的一处早已经废弃的德蒙斯顿地区的新布朗斯威克镇上买东西。结果在城外的一处早已经废弃的采煤厂里被人杀害。重点嫌疑人约翰采煤厂里被人杀害。重点嫌疑人约翰沃莱曼，他在几个月前的一个舞会沃莱曼，他在几个月前的一个舞会上和埃塔恩上和埃塔恩布查德相识并开始交往。当警方找到他并审讯时，他始终布查德相识并开始交往。当警方找到他并审讯时，他始终坚持说他有几个月没有见过埃塔恩。第二次尸检时，警方在女孩的指甲坚持说他有几个月没有见过埃塔恩。第二次尸检时，警方在女孩的指甲上发现缠绕着一根头发，有上发现缠绕着一根头发，有2525英寸长。为了验证是否是嫌疑人的头发，
27、警探英寸长。为了验证是否是嫌疑人的头发，警探们把注意力转到了当时尚有争议的中子活化分析上。把约翰们把注意力转到了当时尚有争议的中子活化分析上。把约翰沃莱曼头上取下的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通过中子活化分析技术测定硫、磷的头发样本和死者的头发，以及现场发现的头发通过中子活化分析技术测定硫、磷的比例，发现死者的头发是比例，发现死者的头发是2 20202，约翰，约翰沃莱曼的头发和死者手上的这根头发则沃莱曼的头发和死者手上的这根头发则分别是分别是1 10707和和1 10202，死者手上的头发非常接近约翰，死者手上的头发非常接近约翰沃莱曼的头发。法庭沃莱曼的头发。法庭上
28、受审时约翰上受审时约翰沃莱曼开始仍辩解说自己无罪，但是，当一些科学家作沃莱曼开始仍辩解说自己无罪，但是，当一些科学家作为专家证人解释这种新技术以及整个检验过程时，法庭的态度明显倾向为专家证人解释这种新技术以及整个检验过程时，法庭的态度明显倾向于约翰于约翰沃莱曼有罪。最后，约翰沃莱曼有罪。最后，约翰沃莱曼收回自己的无罪辩解，承认自沃莱曼收回自己的无罪辩解，承认自己杀了埃塔恩。被判死刑，后改为缓期执行。己杀了埃塔恩。被判死刑，后改为缓期执行。第31页，共71页。中子活化分析的应用举例（中子活化分析的应用举例（2）p法国皇帝拿破仑死亡之谜。法国皇帝拿破仑死亡之谜。1815 1815年，在滑铁卢战役失
29、败后，拿破仑被流放于南大西年，在滑铁卢战役失败后，拿破仑被流放于南大西洋的圣赫勒拿岛，六年之后死于该岛，终年洋的圣赫勒拿岛，六年之后死于该岛，终年5252岁。拿破仑之岁。拿破仑之死一直是一个谜。外界对法国皇帝拿破仑之死是众说纷纭，死一直是一个谜。外界对法国皇帝拿破仑之死是众说纷纭，有说他是砒霜中毒而死，有说他是被情妇所杀，还有说他有说他是砒霜中毒而死，有说他是被情妇所杀，还有说他是得胃癌而死，其中以死于砒霜中毒的说法最为盛行。是得胃癌而死，其中以死于砒霜中毒的说法最为盛行。19611961年人们用中子活化分析对他被保存的头发进行分析后发现含年人们用中子活化分析对他被保存的头发进行分析后发现含有
30、大量砷，因此认为他是因慢性砷中毒而死的。有大量砷，因此认为他是因慢性砷中毒而死的。20072007年美国科年美国科学家研究后认为拿破仑是死于胃癌晚期，而非此前外界广学家研究后认为拿破仑是死于胃癌晚期，而非此前外界广为传说的砒霜中毒，这与拿破仑死亡当年的尸体解剖和临为传说的砒霜中毒，这与拿破仑死亡当年的尸体解剖和临床症状结论是一致的。床症状结论是一致的。第32页，共71页。一、活化分析的分类一、活化分析的分类按照辐照粒子的不同按照辐照粒子的不同 应用最广应用最广活化分析技术活化分析技术带电粒子活化带电粒子活化 射线活化射线活化中子活化中子活化主要利用（主要利用（n n，）、（）、（n n，p p
31、）和（和（n n，）核反应。）核反应。主要利用（主要利用（p p，n n）、（）、（d d，n n）、）、（d d，p p）、（）、（，n n）等。适宜）等。适宜于作表面分析，锂、铍等轻元素。于作表面分析，锂、铍等轻元素。主要核反应是（主要核反应是（，n n），对于），对于原子序数小的轻元素，核反应原子序数小的轻元素，核反应（，p p）也重要。）也重要。第33页，共71页。二、活化分析的原理二、活化分析的原理 用一定能量和流强的中子、带电粒子或者高能用一定能量和流强的中子、带电粒子或者高能光子轰击待测试样，使试样光子轰击待测试样，使试样“活化活化”，“活化活化”后的后的核素将按照自身的规律进行
32、衰变，同时放出核素将按照自身的规律进行衰变，同时放出射线。由于射线。由于核素放出的核素放出的射线与核素之间存在特定的对应关系，射线与核素之间存在特定的对应关系，通过测定通过测定射线的能量和强度，便可完成元素的定性和定射线的能量和强度，便可完成元素的定性和定量分析。这就是量分析。这就是“活化分析活化分析”的基本过程。的基本过程。第34页，共71页。核指纹核指纹 不同放射性同位素的不同放射性同位素的半衰期半衰期和和发射发射射线的能量射线的能量都是都是不同的，如同人的指纹一样；没有发现两个不同的放射不同的，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性同位素有相同的半衰期或射线能
33、量。射线能量。不同的稳定元素被中子照射，活化生成不同的放射性不同的稳定元素被中子照射，活化生成不同的放射性同位素，其半衰期和同位素，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”特特征，判别材料中含有的元素种类及其含量。征，判别材料中含有的元素种类及其含量。第35页，共71页。活化方程式活化方程式绝对分析方法绝对分析方法“冷却冷却”（即衰变）一段时间（即衰变）一段时间tt后的放射性活度：后的放射性活度：上式就是活化分析中最基本的活化方程式。从原理上讲，上式就是活化分析中最基本的活化方程式。从原理上讲，活化分析是一种
34、绝对分析方法活化分析是一种绝对分析方法。照射照射t t时间时生成的放射性核素的放射性总活度时间时生成的放射性核素的放射性总活度：)1(2/1/693.0TtteNfA2/12/1/693.0/693.0)1(TtTtttteeNfeAAMWN23106.023将将N N值代入，得值代入，得 2/12/1/693.0/693.023)1(106.023TtTtteeMWfA第36页，共71页。活化方程式活化方程式相对分析方法相对分析方法所谓相对法所谓相对法，就是用标准样与试样在相同条件下照射和就是用标准样与试样在相同条件下照射和测量，标准样中待测元素的含量是已知的。测量，标准样中待测元素的含量是
35、已知的。绝对法分析时遇到的问题：绝对法分析时遇到的问题：和和f f不容易准确测出。不容易准确测出。2/12/1/693.0/693.0)1(TtTtststteeNfA2/12/1/693.0/693.0)1(TtTtspspteeNfAsttsptstspstspsttsptnnWWNNAAmnWnCsttstspt计数率计数率 第37页，共71页。三、中子活化分析技术基础三、中子活化分析技术基础 19361936年年，化学家赫维西（，化学家赫维西（G.HevesyG.Hevesy）和列维）和列维（H.LevyH.Levy）进行了）进行了历史上的第一次中子活化分析历史上的第一次中子活化分析（
36、Neutron activation analysisNeutron activation analysis，NAANAA）。当时他们）。当时他们用用Ra-BeRa-Be中子源通过中子源通过164164DyDy（n,)n,)165165DyDy反应（活化截面为反应（活化截面为39003900300bar300bar，生成核的半衰期为，生成核的半衰期为139.2min139.2min），测定了），测定了氧化钇（氧化钇（Y Y2 2O O3 3）中的镝。）中的镝。中子活化分析从中子活化分析从19361936年诞生至今，已有年诞生至今，已有7070余年历余年历史史。现已成为常量、次量、微量乃至超微量
37、元素的重要分。现已成为常量、次量、微量乃至超微量元素的重要分析方法之一，是现代核分析技术中最重要的方法之一。析方法之一，是现代核分析技术中最重要的方法之一。第38页，共71页。（一）中子活化源（一）中子活化源中子活化源中子活化源反应堆反应堆中子源中子源加速器中子加速器中子源源同位素中同位素中子源子源(alpha,n)(alpha,n)中子源中子源:9 9Be+Be+4 4He He 1212C+nC+n 10 10Be+Be+4 4He He 1313N+n+e+1.07MeVN+n+e+1.07MeV自发裂变中子源：自发裂变中子源：252252CfCf热中子注量率高，且有好的空间均匀热中子注
38、量率高，且有好的空间均匀性和时间稳定性；性和时间稳定性；对多数元素活化截面大；对多数元素活化截面大；反应道单纯反应道单纯多为（多为（n n，）；（p,np,n）：）：7 7Li(p,n)Li(p,n)7 7Be;Be;3 3H(p,n)H(p,n)3 3He He （d,nd,n）：）：2 2H(d,n)H(d,n)3 3He;He;3 3H(d,n)H(d,n)4 4HeHe中子能量及其产额受多因素影响。中子能量及其产额受多因素影响。占全部活化分析占全部活化分析95%95%以上。以上。第39页，共71页。定义定义及及特点特点n定义：定义：用中子照射稳定核素，稳定核素吸收中子变成放射性核素，用
39、中子照射稳定核素，稳定核素吸收中子变成放射性核素，发射发射射线，测量射线，测量射线的能量和强度可以得知原来稳定核素的射线的能量和强度可以得知原来稳定核素的元素名称和含量。元素名称和含量。n特点：特点：检出限好检出限好 热中子活化分析，对热中子活化分析，对8080多种元素的分析检出限好，可达多种元素的分析检出限好，可达到到10106 610101111g g，少数元素可高达，少数元素可高达1010131310101414，这是其它分析方，这是其它分析方法所不及的。法所不及的。分析速度快、精度高分析速度快、精度高 采用微机控制多道脉冲幅度分析器及自动化分析采用微机控制多道脉冲幅度分析器及自动化分析
40、装置，使样品的转移、照射、分析及数据处理等全部自动化，每天可分装置，使样品的转移、照射、分析及数据处理等全部自动化，每天可分析数百个样品。析数百个样品。能作多元素同时分析。能作多元素同时分析。能作非破坏性分析能作非破坏性分析 这点对需要保持样品完好状态的分析工作具有这点对需要保持样品完好状态的分析工作具有重要意义。重要意义。第40页，共71页。四、中子活化分析步骤四、中子活化分析步骤第41页，共71页。样品的放射性活度随时间的变化样品的放射性活度随时间的变化第42页，共71页。辐照时间内放射性核素产额辐照时间内放射性核素产额第43页，共71页。冷却时间内放射性活度冷却时间内放射性活度第44页，
41、共71页。测量阶段的放射性计数测量阶段的放射性计数第45页，共71页。靶样品中某种核素的含量与相应靶样品中某种核素的含量与相应计数关系计数关系第46页，共71页。靶样品中某种核素含量的相对测量方法靶样品中某种核素含量的相对测量方法第47页，共71页。靶样品中某种核素含量的相对测量方法靶样品中某种核素含量的相对测量方法第48页，共71页。五、中子活化分析中的干扰反应五、中子活化分析中的干扰反应第49页，共71页。初级干扰反应的排除初级干扰反应的排除p样品的元素分离；样品的元素分离；p用纯热中子，增大（用纯热中子，增大（n,n,）反应；）反应；p由反应阈能改变中子能量；由反应阈能改变中子能量；p通
42、过另外的核反应，测定干扰元素含量；通过另外的核反应，测定干扰元素含量；第50页，共71页。次级次级干扰反应干扰反应第51页，共71页。六、中子活化分析的应用六、中子活化分析的应用p工业工业(如冶金、煤炭、水泥、玻璃、食品等如冶金、煤炭、水泥、玻璃、食品等)p农业农业(如农作物生长，元素分布调查等如农作物生长，元素分布调查等)p地球和宇宙科学地球和宇宙科学(如研究元素在地质物质中的丰度和分如研究元素在地质物质中的丰度和分布，岩石、矿物的形成和演化，矿藏资源考察分析等布，岩石、矿物的形成和演化，矿藏资源考察分析等)p环境科学环境科学方面方面(如大气污染和水生环境中的污染研究；土壤如大气污染和水生环
43、境中的污染研究；土壤环境背景值调查等环境背景值调查等)p生命科学生命科学(如痕量元素与疾病和健康关联的研究，组织和体如痕量元素与疾病和健康关联的研究，组织和体液中痕量元素的含量测量，痕量元素代谢机制及生理、病理液中痕量元素的含量测量，痕量元素代谢机制及生理、病理作用等作用等)p材料科学材料科学领域以及领域以及考古学和参考物认证考古学和参考物认证等方面均有广泛的等方面均有广泛的应用。应用。第52页，共71页。第四节第四节 同位素示踪技术同位素示踪技术p基本原理和特点基本原理和特点p同位素示踪技术在生命科学中的应用同位素示踪技术在生命科学中的应用第53页，共71页。引言引言19231923年，赫维
44、西（年，赫维西（HevesyHevesy）首先）首先创建了同位素示踪实验，采用创建了同位素示踪实验，采用天然放射性核素天然放射性核素212212PbPb研究了铅研究了铅盐在豆科植物内的分布及转移。盐在豆科植物内的分布及转移。19431943年荣获诺贝尔化学奖，获年荣获诺贝尔化学奖，获奖原因奖原因“使用同位素作为化学过使用同位素作为化学过程研究的示踪剂程研究的示踪剂”。是核医学的。是核医学的创立者。创立者。第54页，共71页。引言引言HevesyHevesy在卢瑟福实验室工作期在卢瑟福实验室工作期间，因怀疑女房东总是把剩菜间，因怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃。于是，改头换面之后给他吃。于
45、是，他在剩菜中放上微量的钍，然他在剩菜中放上微量的钍，然后在下一次的菜中检验是否有后在下一次的菜中检验是否有放射性，结果他都能准确地判放射性，结果他都能准确地判断是剩菜还是新菜。断是剩菜还是新菜。第55页，共71页。一、一、基本原理和特点基本原理和特点利用同位素及其化合物具有相同的化学性质和生物学性质，只利用同位素及其化合物具有相同的化学性质和生物学性质，只是具有不同的核物理性质，将同位素作为一种标识物，制成含是具有不同的核物理性质，将同位素作为一种标识物，制成含有同位素的标记化合物（如标记食物、药物、代谢物等）代替有同位素的标记化合物（如标记食物、药物、代谢物等）代替相应的非标记化合物。相应
46、的非标记化合物。放射性核素放射性核素特征射线特征射线核探测器跟踪它在体内或体核探测器跟踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等外的位置、数量及其转变等稳定性同位素稳定性同位素质量之差质量之差通过质谱仪、气相色谱仪、核磁通过质谱仪、气相色谱仪、核磁共振等分析仪器来测定。共振等分析仪器来测定。第56页，共71页。放射性同位素示踪技术具有放射性同位素示踪技术具有的的特点特点：灵敏度高灵敏度高 可测到可测到10-11g10-18g水平，比目前较敏感的重量分析天水平，比目前较敏感的重量分析天平要敏感平要敏感107倍倍108倍。化学分析法很难测定到倍。化学分析法很难测定到10-12g水水平。平。2.方法简便
47、方法简便 不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的化不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的化学分离步骤。（体内示踪学分离步骤。（体内示踪无损分析无损分析）3.定位定量准确定位定量准确 能准确定量地测定代谢物质的转移和转变能准确定量地测定代谢物质的转移和转变,与某些形态学与某些形态学技术相结合，可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定技术相结合，可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。亚细胞水平乃至分子水平。第57页，共71页。放射性同位素示踪技术具有放射性同位素示踪技术
48、具有的的特点特点：4.符合生理条件符合生理条件 所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体内原有的相应物质的含量改变是微不足道的，体内生体内原有的相应物质的含量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果不仅符理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果不仅符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。5、存在一些缺点、存在一些缺点u 工作人员要接受一定的专门训练，操作应具备相应的安工作人员要接受一定的专门训练，操作应具备相应的安全防护设施和条件；全防护设施和条件；u 示踪实验时，必
49、须注意示踪剂的示踪实验时，必须注意示踪剂的同位素效应同位素效应和和辐射效应辐射效应问题问题。第58页，共71页。二、二、同位素示踪技术在生命科学中的应用同位素示踪技术在生命科学中的应用放射性核素示踪在放射性核素示踪在生物化学和分子生物学生物化学和分子生物学领域应用极为广领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的奥秘、阐明生命泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的奥秘、阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。活动的物质基础起了极其重要的作用。在生命科学中，同位素示踪技术主要用于在生命科学中，同位素示踪技术主要用于测定生物样品中微测定生物样品中微量物质的成份量物质的成份，研究，研究物质在生物体
50、内的转移、代谢、转变物质在生物体内的转移、代谢、转变三个方面。三个方面。第59页，共71页。1.生物样品中微量物质的测定生物样品中微量物质的测定（1）同位素稀释法）同位素稀释法 适用于分析微量或测定难于同其它物质定量分离的物适用于分析微量或测定难于同其它物质定量分离的物质。质。例如，例如，在生物化学中，可用同位素稀释法测定蛋白质水解在生物化学中，可用同位素稀释法测定蛋白质水解液中酪氨酸的质量。液中酪氨酸的质量。把具有放射性的把具有放射性的14C-酪氨酸加到该水解液中，充分酪氨酸加到该水解液中，充分混合后，分出一部分酪氨酸溶液，加以提纯，测定其混合后，分出一部分酪氨酸溶液，加以提纯，测定其放射性
