嫦娥五號(hào)月壤中子活化分析研究

姚永剛，肖才錦，王平生，孫 凱，鮑 杰，焦學(xué)勝，郭 冰， 張永保，彭 旦，張亞東，李春來，周 琴，陳東風(fēng)

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101)

2020年12月17日凌晨1時(shí)59分，嫦娥五號(hào)返回器攜帶月壤樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸，標(biāo)志著我國(guó)首次地外天體采樣返回任務(wù)圓滿完成，實(shí)現(xiàn)了探月工程三步走的最后一步——“回”。嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器帶回了44年來第一批新鮮的月球巖石和碎片樣本，采樣點(diǎn)位于風(fēng)暴洋東北部的月海地區(qū)——這是月表最年輕的月海玄武巖區(qū)域，是此前美國(guó)和前蘇聯(lián)月球采樣任務(wù)均未到達(dá)的采樣緯度最高的新區(qū)域(經(jīng)緯度為51.916°W,43.058°N)，該區(qū)域可能保留了月球最年輕的火山活動(dòng)[1-2]。因此，我國(guó)嫦娥五號(hào)采集的月壤樣品彌補(bǔ)了之前采樣區(qū)域有限的不足，拓展了月壤樣品的代表性，具有極其重要的科研價(jià)值。近期研究表明，嫦娥五號(hào)月壤樣品玄武巖形成年齡為(20.30±0.04)億年[3]，并排除了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)巖石初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期巖漿活動(dòng)過程[4]。此外，對(duì)于采樣地區(qū)的巖漿源區(qū)是否富含水，研究獲得的結(jié)果為月幔源區(qū)的水含量?jī)H為1～5 μg/g[5]。然而對(duì)月壤樣品化學(xué)成分的精準(zhǔn)測(cè)定, 有助于了解和探討月壤的成因及其形成的物理化學(xué)條件,對(duì)進(jìn)一步推導(dǎo)月球的演化歷史模型有較大的意義和科學(xué)價(jià)值。以反應(yīng)堆為中子源的中子活化分析(neutron activation analysis, NAA)是一種以核反應(yīng)為基礎(chǔ)的核分析技術(shù)，具有較低的探測(cè)極限、較高的選擇性、高精密度和準(zhǔn)確度，廣泛應(yīng)用于地球化學(xué)、宇宙科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值等領(lǐng)域[6-8]。

本文主要針對(duì)嫦娥五號(hào)任務(wù)獲得的月球表面鏟取樣品，利用反應(yīng)堆中子活化分析的高靈敏、多元素、非破壞等固有優(yōu)勢(shì)開展了主量元素、微量元素研究，使用兼容k0法和相對(duì)法的活化分析軟件ADVNAA進(jìn)行元素定量分析，獲得了嫦娥五號(hào)月壤樣品中39種主量和微量元素信息，并與1978年美國(guó)國(guó)家安全事務(wù)助理布熱津斯基贈(zèng)送給中國(guó)的禮物——Apollo-17號(hào)月壤樣品元素成分?jǐn)?shù)據(jù)[9]進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)分析過程采用多種有證標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)如沉積物標(biāo)物SRM2703、玄武巖成分標(biāo)物GBW07105以及GBW07727、GBW07896、GSP2等標(biāo)物進(jìn)行質(zhì)控，確保嫦娥五號(hào)月壤樣品分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

因樣品中不同元素(每種至少一種同位素)通過中子輻照后生成的待測(cè)放射性核素的半衰期不同，一般根據(jù)待測(cè)放射性核素需求采用不同的輻照時(shí)間、冷卻時(shí)間和測(cè)量時(shí)間進(jìn)行樣品中子活化分析。本實(shí)驗(yàn)利用中國(guó)原子能科學(xué)研究院微型中子源反應(yīng)堆(MNSR)開展了嫦娥五號(hào)月壤樣品(圖1中右圖，編號(hào)CE5C0800YJFM003，重量100.08 mg)的短照中子活化分析實(shí)驗(yàn)，輻照時(shí)間為300 s，測(cè)量了Al、V、Mg、Ca、Ti、Dy、Na、K等元素；利用中國(guó)原子能科學(xué)研究院49-2泳池堆(SPR)輻照孔道開展了嫦娥五號(hào)月壤樣品(圖1中左圖，編號(hào)CE5C0800YJFM002，重量99.97 mg)的長(zhǎng)照中子活化分析實(shí)驗(yàn)，輻照時(shí)間為24 h，測(cè)量了Fe、Co、Na、K、Sc、Ba、Sr、Hf、U、Th、Cr、Zr、Zn和稀土元素(REE, rare earth elements)等元素。實(shí)驗(yàn)中采用相對(duì)探測(cè)效率為60%和能量分辨率為1.85 keV@60Co(1 332.5 keV)的高純鍺探測(cè)器(HPGe, ORTEC)和一體化數(shù)字多道譜儀(DSPEC50, ORTEC)進(jìn)行輻照后樣品的γ能譜測(cè)量，最后采用中國(guó)原子能科學(xué)研究院兼容k0法和相對(duì)法的活化分析軟件ADVNAA進(jìn)行了元素定量分析。

圖1 嫦娥五號(hào)月壤樣品圖Fig.1 Chang’E-5 lunar samples

1.1 短照中子活化分析

嫦娥五號(hào)樣品(CE5C0800YJFM003)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別用萬(wàn)分之一天平稱取，其中月壤稱取重量80.1 mg，分別密封于高純聚乙烯薄膜內(nèi)待輻照。高純聚乙烯薄膜事先是用1∶3配比稀釋后的HNO3溶液浸泡1 d，然后用去離子水清洗、晾干。將待測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一并裝入聚乙烯輻照盒，再通過CIAE-MNSR專用中子活化分析跑兔裝置將輻照盒傳輸?shù)蕉研据椪瘴恢瞄_展短照中子活化分析實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表1。

表1 短照中子活化分析實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters for short-time irradiation of INAA

1.2 長(zhǎng)照中子活化分析

嫦娥五號(hào)樣品(CE5C0800YJFM002)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別用萬(wàn)分之一天平稱取，其中月壤稱取重量86.0 mg，分別封裝于事先用酒精清洗、晾干后的高純鋁箔內(nèi)待輻照。長(zhǎng)照中子活化分析實(shí)驗(yàn)是在CIAE-SPR反應(yīng)堆輻照孔道進(jìn)行，高純鐵絲用于k0法比較器，Zr片用于監(jiān)測(cè)器。熱中子注量率為3.9 ×1013n·cm-2·s-1，熱中子和超熱中子注量率比Φth/Φepi為24，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表2。

表2 長(zhǎng)照中子活化分析實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters for long-time irradiation of INAA

2 結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)利用CIAE活化分析實(shí)驗(yàn)室專用分析軟件ADVNAA進(jìn)行元素定量分析，采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(SRM2703、GBW07727，GBW07105，GBW07896、GSP2)進(jìn)行質(zhì)控，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)元素測(cè)量值與認(rèn)證值在不確定度范圍內(nèi)一致。元素測(cè)量結(jié)果與上世紀(jì)80年代CIAE活化分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的Apollo-17月壤樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，具體元素含量列于表3。

表3 嫦娥五號(hào)月壤樣品與Apollo-17樣品元素含量Table 3 Elemental contents of Chang’E-5 and Apollo-17 lunar samples

由表3數(shù)據(jù)可知，月壤中的Ti、Cr、Sc等元素含量比地球高很多，但Na，K等元素含量比地球低1個(gè)量級(jí)。Sr、Zr、Ba、Th、U以及稀土元素中的La、Ce、Nd等元素含量與上世紀(jì)80年代本實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的Apollo-17月壤樣品差別較大，如Th(Chang’E-5)/Th(Apollo17)比值達(dá)11.24，這可能與不同的月球采樣地點(diǎn)有較大的關(guān)聯(lián)，再次說明了我國(guó)嫦娥五號(hào)采集的月壤樣品彌補(bǔ)了此前美國(guó)Apollo月球采樣區(qū)域有限的不足，拓展了月壤樣品的代表性。此外，與上世紀(jì)80年代相比，本次實(shí)驗(yàn)還給出了Au、Ir、K、W等元素的含量信息，為珍貴地外樣品的演化研究提供了更多的元素信息。

3 結(jié)論

本文利用儀器中子活化分析技術(shù)測(cè)量了嫦娥五號(hào)月壤樣品中39種元素含量。樣品測(cè)試完后原樣返回，整個(gè)測(cè)試過程沒有樣品損失，樣品還可以用于其他方法分析測(cè)試。由于月壤樣品非常珍貴，樣品的分析方法首先考慮非破壞的分析方法。儀器中子活化分析技術(shù)非破壞的特點(diǎn)使其相對(duì)于電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)等分析方法具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

隨著探測(cè)器技術(shù)和電子學(xué)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備與上世紀(jì)80年代相比，性能指標(biāo)有很大提高。比如采用先進(jìn)的電子學(xué)一體化數(shù)字多道譜儀和高探測(cè)效率和分辨率的HPGe探測(cè)器進(jìn)行能譜測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了不同幾何條件下全能峰效率、快中子閾反應(yīng)干擾、裂變干擾、伽馬級(jí)聯(lián)符合效應(yīng)等參量化，集成在k0法和相對(duì)法中子活化分析軟件ADVNAA中。此次嫦娥五號(hào)月壤活化分析實(shí)驗(yàn)過程采用了多種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)控，其中SRM2703、GBW07896、GBW07105等本實(shí)驗(yàn)室都參與了元素分析和定值。另外，為了實(shí)現(xiàn)元素含量的準(zhǔn)確定值，活化分析實(shí)驗(yàn)室采用了元素標(biāo)準(zhǔn)溶液和高純金屬(或氧化物)溶解液滴定在無(wú)灰濾紙上，作為單元素化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)此次嫦娥五號(hào)月壤樣品中元素及元素含量精準(zhǔn)的探測(cè)，為嫦娥五號(hào)月壤的深入研究提供重要的科學(xué)數(shù)據(jù)。

對(duì)于儀器中子活化分析未能測(cè)到的H、B、P、S、Si、O等元素，可結(jié)合反應(yīng)堆瞬發(fā)γ中子活化分析裝置[6]以及快中子活化分析給出更多更全面的元素含量信息，為月球研究及月球演化提供豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)。

致謝

特別感謝中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)提供的嫦娥五號(hào)月壤樣品，感謝中國(guó)原子能科學(xué)研究院微型中子源反應(yīng)堆和49-2泳池堆提供的中子輻照，并對(duì)實(shí)驗(yàn)期間反應(yīng)堆運(yùn)行和活化分析跑兔裝置操作人員表示感謝，感謝中國(guó)原子能科學(xué)研究院放射化學(xué)研究所楊磊等在實(shí)驗(yàn)過程給予的大力支持，感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所潘含江提供的幾種標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)。