您的位置:首页

详情

CARR堆中子活化分析平台及其化学元素分析应用拓展

2020-04-16

 

中子活化分析具有高准确度、高灵敏度和非破坏多元素同时分析等特点,我国的中子活化分析(NAA)工作始于20世纪60年代初,并于1971年在中国原子能科学研究院成立了活化分析实验室。先后为我国的核爆、核能、月样等分析作出了重要贡献。随着新建的中国先进研究堆(China Advanced Research Reactor,CARR)中子活化分析先进研究平台(图1)的完善和运行,使得活化分析具有更高的中子注量率,建成的高度集成自动活化分析、瞬发伽玛分析、中子深度剖面分析、微束分析和缓发中子测量等现代先进水平的活化分析设施,具有自主辐照控制和三套高度自动控制测量系统,可测定H、B等80种元素,其准确度和分析速度也有大幅提高,大部分元素的灵敏度将提高到10-810-15 g。
 
1 中子活化分析原理
中子活化分析是利用中子与元(核)素的核作用产生的种种核信息对该元(核)素进行定性和定量分析的方法。由于中子特别是热中子对物质的强穿透能力和对多种元(核)素高的作用截面,构成了活化分析家族的主流。
中子活化分析是利用中子轰击待分析的样品,通过核反应使其中多种元素(每种元素的至少一种同位素)生成放射性核素,根据这些核素衰变中发射特征射线的性质和强度,对相应元素进行定性、定量分析的方法。图2为中子活化分析原理图,按活化后产物可分为常规中子活化分析NAA、瞬发伽马活化分析PGAA和中子深度剖面分析NDP。
 
2 平台简介
CARR堆中子活化分析研究平台是目前世界上较先进的中子活化分析研究平台,包括5种分析技术:常规中子活化分析、缓发中子测量技术、瞬发伽马活化分析、中子深度剖面技术、微束中子活化分析;以及3条中子束流管道:垂直辐照孔道(常规中子活化分析系统INAA)、HT6热中子水平孔道(热中子瞬发伽玛活化分析系统TPGAA)、冷中子导管(冷中子瞬发伽玛活化分析系统CPGAA)。常规中子活化分析的仪器设备包括:反应堆,高纯锗探测器,样品辐照、传输控制系统,以及放射性样品储存、分装等辅助设备。图3为CARR堆常规中子活化分析系统图。
 
3 推广应用
中子活化分析具有非破坏样品、高准确度、高灵敏度、低污染、基体无关性、无试剂空白和多元素同时分析等优点,广泛地应用于地球科学、环境科学、材料科学、生物医学、法医学、考古学、宇宙科学、质量评价和质量控制、食品卫生健康等领域。
3.1 地球和宇宙科学
地球化学的主要任务是测定化学元素在各种地质物质中的丰度和分布,以研究岩石、矿物的形成和演化机制。NAA以其高准确度测定地质样品中含量范围在亚ng/g级至百分级的50余种元素的优势,在地球化学研究中发挥着重要作用。活化分析专家与地质学家合作,发展了深部隐伏矿探测的“地气法”,即通过收集和测定深部矿体的金属气溶胶经地壳毛细作用升至地面的痕量多元素,推断矿体的存在。
 3.2 环境科学
大气颗粒物(APM)对健康的影响受到了普遍重视。近年来的研究表明,粒径小于10μm,特别是小于2.5μm的APM构成主要的健康危害。NAA的高灵敏度、多元素(典型地测定4050种元素)和非破坏(APM样品中常含有极难溶解的颗粒)特点,很好地满足了分粒径APM多元素分析的要求。1994年以来,中国原子能科学研究院活化分析实验室一直用核分析方法分析北京地区的大气颗粒物PM10和PM2.5,进行多元素污染源指纹识别和源追踪。NAA技术目前在大气污染治理中发挥了重要作用。
3.3 生命科学
以必需微量元素和维生素为主的微量营养元素缺乏,是当前和未来相当一段时间内我国和全球面临的主要营养问题。另一方面,环境污染带来的毒性元素和化合物摄入亦对人类和生物健康构成威胁。人体中的头发、指甲等与人体疾病和元素代谢有很强的关联性,通过NAA分析头发、指甲等多元素组成。活化分析实验室采用NAA研究了中国人Ca、Fe、Se、Zn生物利用率研究等。
3.4 材料科学
20世纪50年代至60年代,NAA作为亚ppm水平多元素分析的仅有方法,在电子级高纯Si分析中发挥了重要作用。活化分析实验室为上海某公司进行了Si半导体器件中50余种杂质元素的体分析、表面分析和灵敏层深度分布分析,探测极限在10-910-15g。目前国内发展芯片产业所需的高纯半导体材料的分析也需要中子活化分析方法。
3.5 考古学和法医学
不同来源的同类物品有相似的主要元素组成,而痕量多元素含量则迥异,据此建立的多元素“化学指纹学”广泛用于考古学中文物产地鉴定和法医学中犯罪嫌疑人的指认。以多元素、非破坏分析见长的NAA在这一领域发挥了重要作用。NAA用于景德镇制瓷业1 000余年发展历史的研究。NAA利用毛发、弹药、玻璃等各种现场物证材料对犯罪嫌疑人进行指证。活化分析实验室通过犯罪现场1根眉毛(约8μg)中5种元素“模式”的分析,为罪犯指认提供了重要证据。
3.6 锂电池新材料研发和原位测试
中子深度剖面技术(Neutron Depth Profiling,NDP)是目前仅有的直接测量锂元素的技术。该技术可以直接测量材料纳米层锂的含量和分布,并应用于锂电池材料和锂电池在充放电过程中锂的动态迁移过程分析,包括锂电池SEI层的形成过程、锂的失效机制研究等,是我国锂电池新材料研发和测试的急需技术。随着国家支持的中国先进研究堆中子活化分析先进研究平台的完善和运行,中国原子能科学研究院活化分析课题组深入调研国内锂电池材料研究以及锂电池安全方面的测试需求,不断改进探测系统与相关的算法,于2019年6月在CARR堆NDP装置上成功实现了锂电池原位在线动态测量。利用CARR NDP装置,对无机有机电解质界面锂离子在充放电过程的分布进行了测试,获得了理想的锂离子分布谱。活化分析课题组正根据国内锂电行业对NDP的迫切需求,组建NDP锂电池充放电动态测试专用平台,满足新型高能量密度锂电池材料研发和锂电池安全测试需求,推动国家锂电池行业的发展,为解决锂电行业发展瓶颈问题作出贡献。
3.7 微束中子活化分析对物体中元素的分布定位测试
CARR堆冷中子微束中子活化分析装置与中子照相装置相结合的元素分布(Elements Imaging/Mapping)技术,将对物体关键部件中的关键元素进行定位。从而为器件的制作工艺质量改进以及新材料研发提供技术支持。比如材料中的氢或氦分布均匀性与含量引起的氢脆、氦脆研究;发电机汽缸磨损效应以及考古等珍贵文物的非破坏结构和组成成分研究等。