中子活化分析

中子活化分析，又稱儀器中子活化分析，是通過鑑別和測試式樣因輻照感生的放射性核素的特徵輻射，進行元素和核素分析的放射分析化學方法。活化分析的基礎是核反應，以中子或質子照射試樣，引起核反應，使之活化產生輻射能，用γ射線分光儀測定光譜，根據波峯分析確定試樣成分；根據輻射能的強弱進行定量分析。一般中子源由核動力裝置提供，質子源採用迴旋加速器或范德格拉夫式加速器。活化分析大體分為5個步驟，即：試樣和標準的製備、活化、放射化學分離、核輻射測量和數據處理。本法的特點在於靈敏度極高，準確度和精密度也很高；可測定元素範圍廣，對原子序數1-83之間的所有元素都能測定，並具有多成分同時測定的功能，在同一試樣中，可同時測定30-40種元素。因而適用於環境固體試樣中的多元素同時分析，如大氣顆粒物、工業粉塵、固體廢棄物等中的金屬元素測量。由於儀器價格昂貴，分析週期較長，操作技術比較複雜，目前，在我國尚少配置。它是大氣顆粒物的多元素同時分析方法中靈敏度較高的一種，在國外環境監測中廣為應用。

在GSR的檢驗中，NAA用於檢驗射擊者手臂上的銻和鋇的存在和數量。這些元素是許多子彈底火的成份，如果在手上有高濃度的這些元素的存在，就意味着此最近射擊過槍支。因為銻和鋇也可能存在於並未開槍的人的手上，所以NAA的依據在於檢驗元素比正常情況下大得多的數量，以此表明GSR的存在。有些實驗室曾經收集和記錄過正常人手上這些元素的含量水平。該技術方法，是通過擦或者洗的技術而從手上提取殘留物的。它的主要缺陷是需要添置研究用的核反應堆。

1936年匈牙利化學家赫維西和H.萊維用鐳-鈹中子源 (中子產額約 3×10中子/秒)輻照氧化釔試樣，通過Dy（n,γ）Dy反應（活化反應截面為2700靶（恩）, 生成核Dy的半衰期為2.35小時）測定了其中的鏑，定量分析結果為10克/克，完成了歷史上首次中子活化分析。

根據入射中子的能量的不同通常被分為：

超熱中子活化分析

快中子活化分析

根據測量不同過程的產生的伽瑪射線或者樣品處理方式，中子活化分析又被分為：

瞬發伽瑪中子活化分析

常規中子活化分析/儀器中子活化分析

放射化學中子活化分析

冷中子活化分析：入射中子為冷中子的活化分析。冷中子通常需要有專門的冷源設施，一般採用液氦對熱中子進行冷卻，達到接近於單一波長的中子。這樣的設施在全世界為數不多，一般設在核反應堆內部。國內中國先進研究堆（CARR）和綿陽研究堆（MYRR）都建立了冷中子源。

熱中子活化分析：入射中子能量範圍一般在0.025eV-1eV的活化分析，也是中子活化分析最廣泛使用的一種。熱中子通常指一定的中子。

超熱中子活化分析：入射中子能量範圍一般在1eV-1MeV的活化分析。單獨使用超熱中子活化分析使用較少。在實際應用中通常是把待分析樣品放在1毫米厚的金屬鎘（Cd）盒中進行中子輻照。由於鎘對熱中子的吸收截面非常高，所以鎘盒的作用是吸收熱中子。透過1毫米鎘片的中子被稱為超熱中子。

快中子活化分析：入射中子能量超過3MeV的活化分析。快中子活化分析主要以（n，p）、（n，a）核反應為主，也有部分（n，n’）、（n，2n）、（n,ng）核反應發生，通常使用反應堆的快中子或者D-T中子源產生的14.7MeV中子進行輻照。

瞬發伽瑪中子活化分析：直接測量（n,g）反應產生的瞬發伽瑪所進行的活化分析。瞬發伽瑪的優勢在於分析速度快，可以進行在線分析，對氫（H）、硼（B）等難以通過測量衰變伽瑪進行分析的元素的靈敏度很高，缺點是用於瞬發伽瑪活化分析的中子注量率都很低，因而對大部分元素的靈敏度不如常規中子活化分析。

常規中子活化分析/儀器中子活化分析：通常是指將待分析式樣直接送入反應堆進行中子（熱中子、超熱中子、快中子）輻照，然後經過一定時間的冷卻（衰變），將式樣分裝後直接使用高純鍺探測器進行測量和分析。通常被稱為常規中子活化分析或儀器中子活化分析。

放射化學中子活化分析：樣品需要進行化學處理的中子活化分析。有時候式樣中的待測元素含量很低或者有其它因素干擾，這時需要通過化學處理把待測元素從樣品中分離出來或者把主要干擾元素去掉。為了在化學處理過程中不引入污染，人們通常先把待測樣品進行中子輻照，把待分析元素變成放射性元素。然後在化學處理過程中通過加入非放射性載體元素進行放射化學分離。從而提高分析靈敏度和準確度。

中子是電中性的，所以當用中子輻照試樣時，中子與靶核之間不存在庫侖斥力，一般通過核力與核發生相互作用。核力是一種短程力，作用距離為10fm，表現為極強的吸引力。中子接近靶核至10fm時，由於核力作用，被靶核俘獲，形成複合核。複合核一般處於激發態（用*表示）,壽命為10-12～10-14秒，它通過各種方式退激發，可用下式表示： 中子與靶核碰撞時，有三種作用方式：①彈性散射，靶核與中子的動能之和在散射作用前後不變，這種作用方式無法應用於活化分析；②非彈性散射，若靶核與中子的動能之和在作用前後不等，則該能量差導致複合核的激發，引起非彈性散射，此時生成核為靶核的同質異能素，一些同質異能素的特徵輻射可通過探測器測定，這種作用方式可用於活化分析；③核反應，若靶核俘獲中子形成複合核後放出光子，則被稱為中子俘獲反應，即(n,γ)反應，這就是中子活化分析利用的主要反應，此外(n,2n)、(n,p)、(n,a)和 (n,f)等反應也可用於中子活化分析。 中子輻照試樣所產生的放射性活度取決於下列因素：①試樣中該元素含量的多少，嚴格地講，是產生核反應元素的某一同位素含量的多少；②輻照中子的注量；③待測元素或其某一同位素對中子的活化截面；④輻照時間等。（見活化分析）

分析元素多:理論上可以分析80種元素，實際上一個式樣一般可以測定40～50個元素

靈敏度高：對大部分元素可達到10 ～ 10g

非破壞：一般式樣不需要作破壞性處理，可直接送入反應堆照射、然後進行測量和分析。

基體無關性：由於中子和伽瑪的穿透性很強，一般説來與式樣基體種類關係不大。但是式樣在輻照過程中不能影響反應堆安全，如液體、氣體等式樣需要進行輻照安全處理。

準確度高：由於中子和伽瑪穿透性強，高純鍺探測器的能量分辨率很高，伽瑪譜清晰，且同時使用相對法和K0法進行定量，還有標準物質進行質量監測。目前非破壞高準度多元素分析優勢仍然是其他分析方法難以逾越。

樣品量範圍寬：可進行亞微克～公斤的式樣進行分析。

低污染：由於式樣可以直接照射和測量，無丟失、無空白試劑影響。

自動化：可以進行自動輻照、式樣自動測量和自動分析。

缺點：需要反應堆，有放射性，而且式樣需要對不同半衰期的核素進行分次測量，大部分元素的分析週期較長。

NAA法特別適合考古學中的元素分析。它與其他元素分析法相比較，有許多優點：

其一，靈敏度高，準確度、精確度高。NAA法對週期表中80%以上的元素的靈敏度都很高，一般可達10-6-10-12g，其精度一般在±5%。

其二，多元素分析，它可對一個樣品同時給出幾十種元素的含量，尤其是微量元素和痕量元素，能同時提供樣品內部 和表層的信息，突破了許多技術限於表面分析的缺點。

第三，樣量少，屬於非破壞性分析，不易沾污和不受試劑空白的影響。還有儀器結構簡單，操作方便，分析速度快。它適合同類文物標本的快速批量自動分析，其缺點是檢測不到不能被中子活化的元素及含量，半衰期短的元素也無法測量。此外，探測儀器也較昂貴。

中子活化分析亦存在一些缺點如下：

1、一般情況下，只能給出元素的含量，不能測定元素的化學形態及其結構。

2、靈敏度因元素而異，且變化很大。例如，中子活化分析對鉛的靈敏度很差而對錳、金等元素的靈敏度很高，可相差達10個數量級。

3、由於核衰變及其計數的統計性，致使中子活化分析法存在的獨特的分析誤差。誤差的減少與樣品量的增加不成線性關係。

首次中子活化分析是1936年由匈牙利化學家赫維斯（Hevesy）等引入的，他們用Ra+Be中子源通過Dy(n,g)Dy反應和氣體電離探測器，成功地測定了Y₂O₃中含量約0.1%的Dy。隨着NaI探測器（1948）和反應堆（1951）的發展，中子活化分析的元素數量、靈敏度都有了很大的提高。1960年代，當第一台高分辨率Ge伽瑪譜儀與計算機相結合的中子活化分析問世以後，中子活化分析更以其高靈敏度、高準確度、非破壞性、無試劑空白污染和多元素同時分析等優點成為元素分析領域的明星。廣泛地應用於地球化學、宇宙科學、環境科學、考古學、生命醫學、材料科學和法醫學等領域。

目前中子活化分析的發展主要有兩個方面:一是以反應堆中子源為主的高靈敏、超痕量和高準度多元素分析。主要應用於高新材料的痕量雜質對材料的性能影響研究、微分析標準物質的定值分析、二維/三維微束多元素分佈分析。另一方面則是以同位素中子源為主的工業現場在線檢測分析。主要用於工業過程的質量監測和現場物品成份檢測，比如水泥生產實時配料監測、燃煤電廠煤質在線檢查、地下礦產資源勘探、隱蔽危險物品快速檢測等等。

①從單純的元素分析擴展到化學狀態的測定:隨着中子活化分析應用領域的擴大,不僅需要測定樣品中元素的含量，而且還要求深入研究元素的分佈和狀態。例如,在環境科學研究中分析水中痕量元素時,增加超過濾法前處理，將水樣分解成低分子量組分、膠體、假膠體和顆粒物，再用中子活化法分別測定處於不同狀態的元素含量。

②瞬發分析的應用：常規中子活化分析無法利用核反應截面高而生成穩定核素的核反應，例如113Cd(n,γ)114Cd(反應截面為 2×104靶)；而瞬發γ射線中子活化分析卻能夠克服這一困難。應用瞬發法可以測定河流沉積物中的硅、硫、銅、鎘和汞等元素，這些都是常規中子活化分析很難測定的元素。

③計算機的廣泛應用:70年代以來，中子活化分析的樣品日趨複雜,例如，環境科學中的大氣顆粒物，生命科學中的生物組織，地球化學中的隕石，考古學中的陶、瓷器等，都要求同時提供數百個樣品中的幾十種元素的含量。計算機與自動活化分析裝置配合使用，可以控制照射時間、冷卻時間、計數時間，控制樣品的輸運、分析操作以及數據處理等。

中子活化分析在考古學中主要用來測量陶瓷器、玻璃、銀幣、銅鏡、燧石、骨頭化石等樣品中的微量元素和痕量元素，進行統計分析，尋找共同性和差異性，從而確定元素成分的演變、產地及礦源等。不同地區的陶瓷土的元素組成差異，特別是微量、痕量元素組成差異大於它們在同一陶土源不同部位的漲落。以我國古瓷研究為例，古代瓷器原料就地取材，其中所含的微量元素種類不多，一般不影響瓷器質量，但在瓷器中長期保存，因而成為各類瓷器的分辨特徵。經中子活化分析不僅確定了古瓷中微量元素的古瓷窯窯系，分析了各處古窯的瓷土來源，瓷釉中元素含量的分佈説明了原料配方上的差別。更重要的是利用中子活化分析的測量數據建立了各窯系、各瓷類的微 量元素特徵譜系，瓷類特徵譜系因配料不同而形成，其中所含的元素和含量有明顯差別，如浙江龍泉窯青瓷釉的宋代和明代特徵迥異。外國學者用中子活化分析技術已積累了許多資料。通過對古陶瓷的大量數據積累從中選出地域性特徵微量、痕量元素及其含量，用現代陶器、源粘土進行對比，進一步推斷古陶瓷的製作年代和燒製地點。我國也用此法進行研究.

中子活化分析在水泥生產過程中用來測量物料成分。特別適用於生料配料及預均化堆場。不需取樣，直接測量通過皮帶的大宗物料，即時給出成分結果，參與自動控制 ，提高產品合格率。