核分析技术11课件.ppt
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- 分析 技术 11 课件
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1、核分析基础成都理工大学成都理工大学 核自学院核自学院第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析技术包括:中子活化分析技术包括:辐照源的选择辐照源的选择样品制备和处理样品制备和处理干扰反应影响的考虑干扰反应影响的考虑放射性测量和数据处理放射性测量和数据处理第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l常用的中子核反应常用的中子核反应按按中子能量中子能量范围的不同,中子活化分析范围的不同,中子活化分析可区分为可区分为慢中子活化分析慢中子活化分析和和快中子活化快中子活化分析分析。慢中子活化慢中子活化是通过是通过(n (n,)俘获反应俘获反应生成生成放射性核素。大多数核的慢中子活化
2、放射性核素。大多数核的慢中子活化截截面很大面很大,故分析,故分析灵敏度高灵敏度高。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l常用的中子核反应常用的中子核反应快中子活化快中子活化是通过是通过(n, p)(n, p)、(n, )(n, )、(n, 2n)(n, 2n)、和和(n, n)(n, n)阈能反应阈能反应生成放射性核素。生成放射性核素。l快中子的活化快中子的活化截面截面比慢中子的活化截面比慢中子的活化截面小小,l但对但对轻元素轻元素分析具有较高的分析灵敏度。分析具有较高的分析灵敏度。常用的常用的热中子热中子和和14MeV14MeV快中子快中子核反应列于核反应列于附录表附录表1 1和表
3、和表2 2中,表中也给出了中,表中也给出了活化截面活化截面值和生成的放射性核素的值和生成的放射性核素的半衰期半衰期。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源同位素同位素中子源中子源核反应产生中子核反应产生中子l最早用同位素中子源,有最早用同位素中子源,有Ra-BeRa-Be中子源中子源,优优点点是是RaRa的的半衰期长半衰期长,T T1/21/2=1620a=1620a,缺点缺点是子是子体有体有很强的很强的 、 辐射体辐射体,防护困难防护困难,另外,另
4、外强强度太弱度太弱,只能达到,只能达到1.71.710107 7n/(Sec.cmn/(Sec.cm2 2) ),检出,检出限只能达到限只能达到1010-3 -3(g/gg/g),相当低。),相当低。l还有还有Po-BePo-Be中子源中子源,但,但T T1/21/2=138d =138d ,太短太短。l较实用的是较实用的是锎锎-252-252(252252CfCf),), T T1/21/2= 2.1a= 2.1a,中,中子注量率可达子注量率可达3 310109 9n/(Sec.cmn/(Sec.cm2 2) ),价格昂贵。,价格昂贵。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化
5、分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源加速器加速器中子源中子源l主要由主要由离子源离子源、加速系统加速系统和和靶靶三部分组成。三部分组成。 第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源加速器加速器中子源中子源l根据加速系统产生高压电场的方式或粒子加根据加速系统产生高压电场的方式或粒子加速方式的不同,目前用作中子源的加速器主速方式的不同,目前用作中子源的加速器主要有:要有:高压倍加器高压倍加器(或(或中子发生器中子发生器)、静电)、静电加速器(包括串列式)、回旋加速器和直线加速器(包括串列式)、回旋加速器和直线加速器。加速器。 第一章 中子活化分析
6、第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源加速器加速器中子源中子源lT(dT(d,n) Hen) He反应是最常用的核反应,用反应是最常用的核反应,用100100一一200keV200keV的的高压倍加器高压倍加器做成做成中子发生器中子发生器能获得能获得产额为产额为10109 9n/cmn/cm2 2 s s的单能中子,比的单能中子,比D(dD(d,n)Hen)He反应的中子产额反应的中子产额高高100100倍倍。l14MeV14MeV中子可使许多原子核发生阈能反应,中子可使许多原子核发生阈能反应,而而(n(n,) )反应截面小,用于反应截面小,用于快中子活化分析快
7、中子活化分析。中子发生器价格便宜,操作方便、易于推。中子发生器价格便宜,操作方便、易于推广使用,可做成小型中子管用于地质勘探。广使用,可做成小型中子管用于地质勘探。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源加速器加速器中子源中子源l中子发生器上中子发生器上D(dD(d,n)n)3 3HeHe反应产生的反应产生的中子能中子能量较低量较低(2.6MeV)(2.6MeV),对许多原子核不能引起中,对许多原子核不能引起中子阈能反应,而这种能量的中子的子阈能反应,而这种能量的中子的(n(n,) )反反应应对活化却有贡献。对活化却有贡献。第一章 中子活化分
8、析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源l 中子活化分析的中子源主要依靠反应堆,反中子活化分析的中子源主要依靠反应堆,反应堆一般能产生应堆一般能产生1010121210101515 n/(Sec.cm n/(Sec.cm2 2)的中子)的中子,是理想的中子源。,是理想的中子源。l自然界中,自然界中,U U有三个同位素,有三个同位素,238238U U、235235U U、234234U U,它们的同位素丰度分别为,它们的同位素丰度分别为99.28%99.28%,0.71%0.71%,6 61010-3 -3%。其中。其中235235U
9、U叫做叫做易裂变物质易裂变物质,它能吸收中子,产生裂变,同时产生二个,它能吸收中子,产生裂变,同时产生二个以上(以上(2.442.44个)的新中子。个)的新中子。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源l反应堆由反应堆由四个基本部分四个基本部分构成构成 活性区(堆芯)、反射层、屏蔽层和控制系统活性区(堆芯)、反射层、屏蔽层和控制系统第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源l在在活性区活性区和和反射层反射层中都设有许多中都设有许多辐照孔道辐照孔道
10、,用来放置接受中子用来放置接受中子 照射的样品照射的样品 。中子通量。中子通量密度可达密度可达1010121210101414 n. cmn. cm-2 -2ss-1 -1;l高通量高通量反应堆可达反应堆可达10101515 n.cmn.cm-2 -2ss-1 -1以上;以上;第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源l裂变吸收裂变吸收:产生更多的新中子:产生更多的新中子l非裂变吸收非裂变吸收,泄漏泄漏:损失中子,:损失中子,l仅当新产生的中子,平均至少有一个中子再仅当新产生的中子,平均至少有一个中子再去引起核裂变,则去
11、引起核裂变,则链式反应链式反应才能自续进行下才能自续进行下去。一个反应堆能不能实现去。一个反应堆能不能实现自续裂变自续裂变反应,反应,取决于裂变产生的中子数与非裂变吸收和泄取决于裂变产生的中子数与非裂变吸收和泄漏所消失的总数之间的平衡,为了研究链式漏所消失的总数之间的平衡,为了研究链式反应的条件,定义反应的条件,定义增值系数增值系数K Keffeff。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源lK Keffeff= =反应堆内中子反应堆内中子产生率产生率/ /(反应堆内中子(反应堆内中子吸收率吸收率+ +反应堆内中子反应
12、堆内中子泄漏率泄漏率) K Keffeff=1=1时时 ,反应堆内中子产生率等于中子消失率,反应堆内中子产生率等于中子消失率,裂变稳裂变稳定运行定运行-核电厂核电厂 K Keffeff11时,反应堆内中子产生率大于中子消失率,相当于时,反应堆内中子产生率大于中子消失率,相当于启动启动或或提升功率提升功率。 K Keffeff11时,反应堆内中子产生率小于中子消失率,相当于时,反应堆内中子产生率小于中子消失率,相当于降低功率降低功率或或停堆停堆。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源堆芯堆芯l核燃料核燃料:235235
13、U U、239239PuPu, 235235U U为自然界中的为自然界中的天然放射性核素,是天然放射性核素,是238238U U的的1/140 1/140 , 239239PuPu用人用人工方法转换得到。工方法转换得到。浓缩的浓缩的 UOUO2 2+ +镁粉镁粉是主要是主要的核燃料,做成直径的核燃料,做成直径D=7mmD=7mm,长,长L=500mmL=500mm,浓缩越高,其体积越小,反应堆的核燃料,浓缩越高,其体积越小,反应堆的核燃料一般只有几一般只有几%。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源 堆芯堆芯l冷却剂
14、冷却剂:裂变产生的能量以热能的形式向:裂变产生的能量以热能的形式向外传递,所以必须采用液态或气态加以冷却外传递,所以必须采用液态或气态加以冷却,以保证反应堆安全运行。对固体燃料和固,以保证反应堆安全运行。对固体燃料和固态慢化剂的反应堆,必须采用液态或气态冷态慢化剂的反应堆,必须采用液态或气态冷却剂,常用的液态冷却剂有却剂,常用的液态冷却剂有轻水轻水、重水重水及及液液态金属态金属钠或钠钾金属等。钠或钠钾金属等。 第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源 堆芯堆芯l慢化剂慢化剂:在热中子反应堆内,慢化剂是重:在热中子反应堆
15、内,慢化剂是重要的组成之一,它使裂变中子慢化成热中子要的组成之一,它使裂变中子慢化成热中子。常用的慢化剂分为二大类:。常用的慢化剂分为二大类:固体慢化剂固体慢化剂和和液体慢化剂液体慢化剂。常用的固体慢化剂有。常用的固体慢化剂有石墨石墨、铍铍及及氧化铍氧化铍等,其中石墨是最常用的慢化剂。等,其中石墨是最常用的慢化剂。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源l反射层反射层 一般由石墨和铍来做一般由石墨和铍来做l控制系统控制系统 包括控制棒(由包括控制棒(由Be-CdBe-Cd合金做成)、自动控制系统。合金做成)、自动控制系
16、统。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源实验孔道实验孔道l实验型反应堆的实验孔道很重要,孔道的布实验型反应堆的实验孔道很重要,孔道的布置除了一个置除了一个中心孔道中心孔道外,还有一些外,还有一些其它孔道其它孔道。l中心孔道中心孔道的特点是的特点是中子通量密度最高中子通量密度最高(比其(比其他孔道高一个数量级),他孔道高一个数量级),镉比镉比R Rcdcd小小,对于热,对于热中子中子R Rcdcd=150170=150170。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源
17、反应堆反应堆中子源中子源实验孔道实验孔道l例如一个功率为例如一个功率为3MW3MW反应堆,其中心可得到反应堆,其中心可得到5.75.710101313n.sn.s-1 -1cmcm-2 -2中子通量密度。中心孔道的中子通量密度。中心孔道的周围可布置一些垂直或水平孔道。周围可布置一些垂直或水平孔道。l有些还有有些还有“快速启动装置快速启动装置”跑兔装置跑兔装置,可作为可作为短寿命短寿命(秒、分级)(秒、分级)核素的分析核素的分析使用使用。跑兔速度为。跑兔速度为20m/s20m/s左右。例如利用跑兔装左右。例如利用跑兔装置很容易测置很容易测2828AlAl(T T1/21/2=2.25m=2.25
18、m)。)。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备辐照源辐照源反应堆反应堆中子源中子源l中子通量密度的变化中子通量密度的变化 孔道内孔道内不同的位置不同的位置其中子其中子通量密度通量密度可能可能不同不同,这是我们不,这是我们不希望的,在希望的,在中心孔道中心孔道堆芯处有一个堆芯处有一个相当平缓区相当平缓区。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备能谱探测系统能谱探测系统生成的放射性核素生成的放射性核素B B通常进行通常进行衰变,并衰变,并放出放出射线,用于测量射线,用于测量射线能量的探射线能量的探测器,必须是测器,
19、必须是高分辨率高分辨率的的探测器探测器,现在,现在通常使用通常使用HPGeHPGe探测器或者探测器或者Ge(Li)Ge(Li)半导体探半导体探测器,这二种探测器都必须在低温(液测器,这二种探测器都必须在低温(液氮温度氮温度-197C-197C)下使用,)下使用, HPGeHPGe探测器可探测器可以在以在常温下保存常温下保存。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备能谱探测系统能谱探测系统探测器使不同能量的探测器使不同能量的射线输出不同的射线输出不同的脉冲幅度,即脉冲幅度脉冲幅度,即脉冲幅度V E (V E (射射线的能量线的能量) ),然后通过,然后通过
20、模模- -数转换数转换,即,即A/DA/D转换,把模拟量转换成数字量,根据不转换,把模拟量转换成数字量,根据不同的数字大小放入不同的道址。例如同的数字大小放入不同的道址。例如l10V10V的脉冲的脉冲 40964096道(道(chnchn)l5V5V的脉冲的脉冲 20482048道(道(chnchn)l2.5V2.5V的脉冲的脉冲 10241024道(道(chnchn)第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析设备中子活化分析设备能谱探测系统能谱探测系统结构结构第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术探探测测器器前置前置电路电路主主放大器放大器多道脉多道脉冲幅度冲幅度分
21、析器分析器微计算微计算机系统机系统高压电源高压电源低压电源低压电源接口接口l中子活化分析设备中子活化分析设备能谱探测系统能谱探测系统第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析工作方法中子活化分析工作方法在开展这一工作之前,首先要对在开展这一工作之前,首先要对核参数核参数进行了解,内容包括:进行了解,内容包括:l靶核元素靶核元素(A)(A)的同位素的同位素丰度丰度、l它的它的反应截面反应截面、l生成核生成核(B)(B)的的半衰期半衰期T T1/21/2、l 射线的射线的能量能量E E 、 l它的它的干扰干扰情况等。情况等。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化
22、分析工作方法中子活化分析工作方法测量核素的选择测量核素的选择l靶核靶核A A的同位素有很多个,选择哪个合适?的同位素有很多个,选择哪个合适?第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术靶靶 核核Yb-168Yb-168Yb-170Yb-170Yb-171Yb-171Yb-172Yb-172Yb-173Yb-173Yb-174Yb-174Yb-176Yb-176丰度(丰度(% %) 000.1350.1353.033.0314.3114.3121.8221.8216.1316.1331.8431.8412.7312.7332003200949452520.380.38191946466 6 T
23、 T1/21/2 32d 32d 稳定稳定 4d 4d 1.9h 1.9h E(KeV) E(KeV)63,177,19763,177,197282,396282,396150,1079.8,1240.9150,1079.8,1240.9l中子活化分析工作方法中子活化分析工作方法测量核素的选择测量核素的选择选择原则选择原则l热中子(或超热中子)的热中子(或超热中子)的反应截面反应截面要要大大;l有有适当的适当的半衰期半衰期(T T1/21/2); ;l有可供测量的有可供测量的 能谱,能谱,干扰干扰要尽量要尽量小小;l有有稳定稳定的同位素丰度,且宜选择的同位素丰度,且宜选择同位素丰同位素丰度度大
24、大的。的。第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术l中子活化分析工作方法中子活化分析工作方法测量核素的选择测量核素的选择l靶核靶核A A的同位素有很多个,选择哪个合适?的同位素有很多个,选择哪个合适?第一章 中子活化分析 第二节 中子活化分析技术靶靶 核核Yb-168Yb-168Yb-170Yb-170Yb-171Yb-171Yb-172Yb-172Yb-173Yb-173Yb-174Yb-174Yb-176Yb-176丰度(丰度(% %) 000.1350.1353.033.0314.3114.3121.8221.8216.1316.1331.8431.8412.7312.733200
25、3200949452520.380.38191946466 6 T T1/21/2 32d 32d 稳定稳定 4d 4d 1.9h 1.9h E(KeV) E(KeV)63,177,19763,177,197282,396282,396150,1079.8,1240.9150,1079.8,1240.9l中子活化分析工作方法中子活化分析工作方法样品的制备样品的制备l制样包括:制样包括:样品;样品;标准。标准和样品需标准。标准和样品需放在一起入堆照射。放在一起入堆照射。 取样取样 样品前处理样品前处理 制样制样l制样工作是中子活化分析工作中最重要的内制样工作是中子活化分析工作中最重要的内容之一,
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