月球樣品的中子活化分析技術研究

姚永剛 肖才錦 李玉慶 焦學勝 孫 凱 郭 冰 陳東風

(中國原子能科學研究院,北京 102413)

地外樣品是目前能獲取到的來自其他天體的最直接地質證據。研究地外樣品的目的在于揭示太陽系及其所含天體的宏觀與微觀演化過程,為人類進一步研究行星環境以及探索外星生命等提供認識。地外珍貴樣品成分的非破壞精準分析對于人類認識天體演化以及我國深空探測與資源就地開發利用都具有重要的意義。月球是地球唯一的天然衛星,也是離地球最近的天體,是世界各國開展深空探測活動的首選目標。同時,其獨特的太空環境和豐富的礦產資源使月球成為人類深空探索任務的理想前哨站,開發月球資源和建設月球基地已成為各航空航天大國和新興國家競爭的焦點[1-2]。

月壤是月球上最重要的資源,對月壤的研究將為人類進一步了解行星起源、探索宇宙奧秘、開展星際探測提供重要信息。地球上的土壤是機械作用、化學作用和生物作用的綜合產物,而月壤主要是機械作用的產物如隕石的頻繁撞擊,撞擊濺射物的不斷堆積,宇宙射線的轟擊和劇烈的溫差促使月表巖石破裂和粉碎等[3]。由此看出,月壤的形成是月球表面最重要的過程之一,其記錄了關于月球及其空間環境的歷史,是研究大時間尺度太陽活動的窗口。而月球化學元素和巖石礦物的豐度與分布是月球地質演化研究的基本素材。通過研究化學元素的含量和分布特征反演月球的地質演化過程,從而可進一步分析研究月球的整體化學成分與化學演化歷史[4]。相比于天文觀測和遙感探測,直接利用月球采樣返回任務采集的月壤樣品開展實驗室全面系統的精細化研究對于人類深入認識月球和其演化歷史具有重要作用。1969～1972年期間,美國6次阿波羅(Apollo)任務共采集回月球樣品381.7 kg。蘇聯月球(Luna)任務在1970～1976年間實施了3次無人樣品采集與返回,共采集0.321 kg月球樣品。科學家通過美國Apollo和蘇聯Luna返回月球樣品的地面實驗室分析工作獲得了大量數據和成果,對人類科學認識月球起到了關鍵作用[5]。2020年12月17日,我國嫦娥五號探測器(CE-5)成功采集1 731 g月壤并返回地球,是繼美國和蘇聯探月采樣任務45年后人類再次獲得的月球樣品,也是人類首次在月球表面最年輕火山巖地區進行采樣,彌補了美國和蘇聯采樣區域有限的不足,拓展了月球樣品的代表性[6]。因此,我國首次地外采集的嫦娥五號月壤具有極其重要的科研價值和歷史意義。2021年7月12日,首批嫦娥五號月壤樣品正式發放受到全國人民的關注,迅速點燃了中國科學家對月球和行星科學的研究熱潮。由于CE-5月壤樣品的特殊和珍貴,一般優先選用非破壞分析方法對CE-5月壤開展研究。中子活化分析技術(Neutron Activation Analysis,NAA)是一種核分析方法,利用其多元素、高靈敏和非破壞等特點,適合開展月壤樣品的全元素精準分析。

深空探測事業是拓展人類認知、服務人類文明、增進人類福祉的偉大事業,值得人類永續求索。當前,月球是深空探測熱點,人類已經成功完成了10次月球采樣。月球科學研究對推動空間科學及相關探測技術發展具有重要作用,我國嫦娥五號月球樣品研究已經取得系列原創性成果如月壤樣品基本特性和新礦物、月球火山活動歷史及年輕火山活動成因、月球水和揮發分的含量與來源、月球表面隕石撞擊和太空風化作用等,改變了人類對月球的熱歷史和巖漿歷史的認識,對進一步研究和揭示月球起源和演化具有重要意義[6-8]。本文根據嫦娥五號月壤的儀器中子活化分析研究為基礎,主要介紹中子活化分析技術及其在月球樣品研究中的作用和意義,為我國今后深空探測、月球演化認識和原位資源開發利用提供必要的核分析技術支撐。

1 活化分析原理

活化分析的基礎是核反應,原理是使用一定能量和流強的中子、光子或其他帶電粒子(如質子等)照射待測樣品,使樣品中被測元素/核素的原子受激活化,利用探測器測量核反應生成的放射性核素衰變時放出的緩發輻射或直接測量核反應時放出的瞬發輻射,從而實現元素/核素定量和定性分析的核分析技術[9]。按照輻照粒子不同,活化分析可以分為中子活化分析、帶電粒子活化分析和光子活化分析,其中以中子活化分析應用最廣。而中子活化分析根據不同的方式可進一步劃分為:1)根據入射中子能量的不同可分為冷中子活化分析、熱中子活化分析、超熱中子活化分析和快中子活化分析;2)根據中子源類型可分為反應堆中子活化分析、加速器中子源和同位素中子源活化分析;3)根據測量反應過程中不同的γ射線又可分為瞬發γ中子活化分析和緩發γ中子活化分析;4)根據照射后樣品是否需要進行化學分離,可分為儀器中子活化分析(或常規中子活化分析,屬于非破壞性分析)和放射化學中子活化分析(屬于破壞性分析)。由于反應堆中子源中子注量率高、對多數元素活化截面大以及中子注量率的空間均勻性好等特點,因此,以反應堆為中子源的中子活化分析具有較低的探測極限、較高的選擇性和準確度等優勢,是活化分析的主流[9-10]。

2 活化分析技術

2.1 儀器中子活化

儀器中子活化分析(Instrumental Neutron Activation Analysis,INAA)通常是指樣品輻照后不進行任何化學處理,直接進行測量的分析方法。一般先將待測樣品和質控標樣以及堆中子參數測量活化片(如Fe、Zr、Au等高純材料)通過傳輸裝置送入到反應堆內進行中子輻照,然后經過一定冷卻時間后,再利用高純鍺探測器和數字化多道譜儀進行樣品中緩發γ射線的測量和分析。INAA絕對定量公式如式(1)所示[15]:

(1)

式(1)中,m為樣品中待測元素的含量,g;M為待測元素的摩爾質量,g/mol;A為待測元素分析峰的強度,s-1;NA為阿伏伽德羅常數6.02×1023,mol-1;θ為靶核素的同位素豐度,%;φ為樣品輻照所接受的中子注量率,cm-2·s-1;σ為核素與中子發生核反應的有效截面,cm2;γ為分析峰的γ分支比,%;ε為分析峰的探測效率,%;S為飽和因子,S=1-exp(-0.693ti/t);D為衰變因子,D=exp(-0.693td/t);C為測量因子,C=[1-exp(-0.693tc/t)]/(0.693tc/t)。其中S、D和C因子公式中的ti、td和tc分別是指樣品受中子照射時間、衰變/冷卻時間和測量時間,s;t是樣品中子活化后生成的放射性核素的半衰期,s。在實際定量分析方面,由于有關核參數和實驗參數準確度不高,一般主要采用k0法和相對法進行元素定量[11-12]。

INAA作為一種多元素分析方法,具有非破壞性、靈敏度高、準確度好、無需樣品預處理、無試劑空白和可測元素種類多等優點,廣泛應用于地球化學、宇宙科學、環境科學、考古學以及標準物質定值等領域。鑒于上述中子活化分析的特點和優勢,INAA成為美國Apollo月球樣品的主微量元素含量的主要分析方法之一[12-14]。此外,有時為提高樣品分析靈敏度,也采用將中子輻照后的樣品先進行化學處理(即分離富集待分析的放射性核素)后再進行樣品測量和分析,此方法稱為放射化學中子活化分析(Radiochemical Neutron Activation Analysis,RNAA)[9,14-15]。

1958年,我國第一座反應堆(簡稱101堆)和第一臺加速器在中國科學院原子能所(現為中國原子能科學研究院)建成并投入運行,奠定了我國核技術應用的基礎。20世紀80年代,中國科學院原子能所(現中國原子能科學研究院)、中國科學院高能物理研究所和地球化學研究所曾利用INAA和RNAA技術開展了美國贈送給中國的Apollo17月球樣品中元素含量的分析工作[15-16]。此外,日本Itokawa小行星樣品、宇宙塵以及月球和火星隕石等珍貴樣品也是把INAA作為其中主微量元素分析的主要分析方法之一[17-20]。

我國嫦娥五號(CE-5)成功采集1 731 g月壤并返回地球后,鑒于CE-5月壤樣品的珍貴和特殊意義,中國原子能科學研究院聯合中科院國家天文臺針對CE-5任務采集的月球表面鏟取樣品,利用INAA技術的高靈敏、多元素、非破壞等優勢開展了CE-5樣品中49種元素的分析[21]。此次CE-5月壤INAA實驗中,利用微型中子源反應堆(Miniature Neutron Source Reactor,MNSR)開展月壤樣品的短照實驗(輻照時間為300 s),測量了Al、V、Mg、Ca、Ti、Dy、K等元素含量;以及利用49-2泳池堆(Swimming Pool Reactor,SPR)開展了月壤樣品長照實驗(輻照時間為24 h),測量了Fe、Co、Na、Sc、Ba、U、Th、Cr、Zr、Zn、Ir、Au和稀土元素等元素含量信息,實驗參數如表1所示。為確保CE-5月壤樣品分析的準確性和可靠性,實驗中采用多種認證參考標準物質和單元素化學標準進行質控。實驗研究結果與美國Apollo和蘇聯Luna月球樣品元素含量數據進行了對比研究。由于鉑族元素在地殼中高度虧損,但在大部分地外物質中富集,因此,通常將鉑族元素銥(Ir)含量異常作為是否有地外物質加入的重要依據之一。例如柴之芳院士團隊[22-23]曾利用INAA技術研究了白堊系和第三系界限(距今6 500萬年)黏土層中Ir豐度的異常,并提出了恐龍滅絕的地外物質碰撞模型。

表1 中子活化分析實驗參數

除了在月球直接采取珍貴的月壤外,月球隕石也是研究地月系統中重要的樣品資源。月球隕石是月球遭受小行星或彗星撞擊飛濺出來并降落到地球上的巖石,其獨特的化學成分與地球巖石有明顯差異,直接反映了月殼的關鍵演化信息。人類從月球直接采集樣品,其樣品種類和采樣區域有限,且所需人員和經費投入巨大。而月球隕石隨機來源于月球的各個部位,代表了來自月球表面隨機區域的樣品,是除人類取回的珍貴月壤之外研究月球物質成分和演化歷史重要的樣品補充來源[18-19]。在隕石研究方面,國內外科研人員利用INAA技術也開展了大量的工作,比如吉林隕石研究、阿德倫隕石、月球隕石以及其他隕石等[24-27]。當然,INAA技術也有其不足,比如不能輻照液態或氣體(需要樣品制備成固態),主要適用于分析固態樣品;不能測量樣品中元素的化學價態;不同元素的分析元素靈敏度差異較大;不適合分析低原子序數的元素含量如H、B等。因此,針對月球樣品或珍貴地外樣品開展地面實驗室多角度、全元素和精細化研究,需要結合不同技術方法的特點和優勢才能完成。歐陽自遠等[28]在《吉林隕石研究的十年》文章中寫道:“吉林隕石研究的十年,在我國逐步形成了一支多學科、能進行綜合研究的隕石學、宇宙化學和空間地質學科研隊伍。正是這支隊伍在我國地學界最早采用儀器中子活化分析、放射化學中子活化分析、快中子活化分析、高分辨電鏡、質子激發X射線分析、稀有氣體同位素質譜分析、低水平放射性宇宙成因核素分析、離子探針質譜分析、火花源質譜分析、加速器質譜分析、裂變徑跡和熱釋光分析等先進技術研究。吉林隕石研究對促進我國地學研究的設備與技術更新、提高研究水平起了重要的推動作用?！蓖瑯?針對美國贈送的1 g Apollo月壤樣品和我國自主采集的CE-5月壤開展綜合性精細化研究,對于我國優化整合國內科研單位技術優勢、建立和培養深空探測人才隊伍等起到了非常重要的作用。

2.2 瞬發γ中子活化

瞬發γ中子活化分析技術(Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis,PGNAA)與INAA不同,原理是通過探測器(如高純鍺)測量中子與樣品輻照時產生的瞬發γ射線的能量和強度來進行元素定量的分析方法。INAA測量的是中子與樣品輻照生成放射性核素的緩發γ射線,是一種離線分析方法,其可分析元素周期表中大部分元素,但不適合對中子俘獲生成核為非放射性核、純β衰變和γ分支比相對較低的核素測量。而PGNAA技術是一種多元素在線檢測方式,為INAA的補充,對H、B、C、N、S等有較好的靈敏度。具體見公式(2)[29]:

(2)

式(2)中,P為特征γ射線峰計數,s-1;N為靶核素原子數;σ為中子俘獲截面,cm2;φ為樣品輻照處中子注量率,cm-2·s-1;ε為全能峰的探測效率,%;γ為分支比,%;t為照射時間,s;NA為阿弗加德羅常數6.02×1023,mol-1;θ為靶核素豐度,%;m為靶元素的質量,g;M為靶元素的原子摩爾質量,g/mol。

月球沒有磁場和大氣的保護,已經風化的細小月壤顆粒經過太陽風輻照后被注入太陽風物質中的氫是月球表面水的主要來源,月球永久陰影區中可能存在的大量水冰有重要的科學意義與利用價值。通過分析月球水冰中氫元素的同位素豐度,可探究月球水的來源和演化機制,反演地月系統的起源與演化歷史。月球上的水冰也可能是未來人類月球活動的重要資源。但目前月球極區水冰探測結果主要基于雷達、中子、光譜等軌道遙感手段,存在探測精度低、空間分辨率低、信噪比低等問題,難以獲得精細的月球極區水冰分布與含量信息[30-31]。依托反應堆水平孔道高通量中子優勢,利用PGNAA技術可直接非破壞在線測量月球樣品中H含量(或水,是指存在于礦物中的結構水,不是通常意義的水)。具體原理是利用測量樣品中的H與中子產生的瞬發γ特征射線(射線能量2 223 keV)強度進行元素的定量分析,而且PGNAA對于H比較靈敏,其探測限可達0.1～1 μg[32]。中國原子能科學研究院依托中國先進研究堆(China Advanced Research Reactor,CARR)冷中子導管初步建立了PGNAA實驗裝置,并已開展了多種樣品的瞬發γ分析研究,圖1為PGNAA測量NH4Cl樣品中的氫元素瞬發γ能譜示例[33]。圖1中可以看出H的特征γ射線(能量2 223 keV)非常明顯,也無其他γ射線干擾。因此,PGNAA技術非常適合測量樣品中的H,若用于測量月球樣品中更低含量的H,還需要將樣品靶室抽真空或充4He氣體,以減少空氣中水分(H)的本底干擾。除了H,PGNAA也適合測量月球樣品中的Cl、Fe、Ca、Mg、Cd、Gd和稀土元素(Rare Earth Element,REE)等20余種INAA也適合分析的元素,進一步交叉驗證元素分析的可靠性和準確度。此外PGNAA技術是一種整體樣品實時在線分析方法,與INAA相比其優勢有可測量低原子序數元素的含量、不受堆內樣品輻照管道尺寸和樣品形態限制以及可分析大體積樣品元素含量和分布等,可與INAA技術進行優勢互補。

圖1 NH4Cl樣品中H瞬發γ能譜Figure 1 Prompt gamma-ray spectrum of H in the NH4Cl sample.

對于珍貴的隕石塊狀樣品,可結合PGNAA與中子成像(Neutron Tomography,NT)技術實現不對樣品切片和取樣,對其內部元素成分進行三維分布分析,即瞬發γ射線活化成像技術(Prompt Gamma-ray Activation Image,PGAI)[34-35]。PGAI是一種新型元素成像方法,該技術基于瞬發γ射線中子活化分析并結合準直測量手段,可以實現對樣品內部元素空間分布分析。相比NT成像技術,PGAI技術不僅能對樣品內部元素含量進行定量定性分析,還可以得到樣品中元素分布的3D信息,與中子成像方法優勢互補。此外,PGAI元素成像技術與激光誘導擊穿光譜(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)成像技術和激光剝蝕電感耦合等離子體質譜(Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,LA-ICP-MS)技術原位微區多元素掃描成像等不同,其利用的是中子探針和特征γ射線的深穿透性,測量的是中子輻照區域體樣品的元素含量,而不是樣品表面。由于中子具有良好的穿透能力,這一優勢使該技術十分適用于大塊樣品的成分和結構分析。例如,德國科研人員利用PGAI技術對一塊墨西哥Allende隕石塊(重量220 mg)進行了二維元素分布掃描分析,測量了隕石中硅(Si,γ射線能量3 539 keV)、鐵(Fe,γ射線能量7 631 keV)和鎂(Mg,γ射線能量585 keV)元素分布,研究結果發現隕石中這些元素含量分布非常不均勻[36]。

此外,月球是離地球最近的天體,獨特的太空環境和豐富的礦產資源使月球成為深空探索任務的關鍵中轉站,開發月球資源和建設月球基地已成為各航空航天大國和新興國家競爭的焦點。鑒于將材料從地球運送到月球的高難度和高成本,原位資源利用(In-situ Resource Utilization,ISRU)已成為月球基地建設中的關鍵內容[37]。除了利用PGNAA或PGAI技術非破壞精準測量月球返回樣品和隕石中的多元素含量和分布外,還可利用移動式中子源(同位素中子源如252Cf、小型加速器中子源如D-D或D-T中子發生器)研制小型化PGNAA裝置。利用小型化PGNAA技術優勢將其搭載到未來月球移動實驗室或月球科研車上,可進行月球表面大體積塊狀石頭元素含量原位分析,或開展礦產資源(如Ti、Fe、REE等)和生活必需資源(如水)分布勘探,為我國月球科研基地建設和原位資源利用提供核技術力量。

2.3 中子深度剖面分析

中子深度剖面分析(Neutron Depth Profiling,NDP)是一種高靈敏、高分辨測量材料近表面深度分布信息的無損檢測技術。NDP原理是基于輕元素核素(如3He、6Li和10B等)俘獲熱中子后發生(n,p)或(n,α)反應,出射粒子具有特定的能量,通過測定出射粒子(如質子p和阿爾法α粒子)特定的能量和強度進行元素定性和定量分析。因為出射帶電粒子穿過材料時會損失能量,通過測量反應發生的位置到樣品表面的能量損失則可以得到該元素的深度分布。深度X和剩余能量E(X)之間的關系滿足方程(3)[38]:

(3)

式中:E0是出射粒子的初始能量,MeV;E(X)是反應產生的出射粒子經過X(μm)深度后的剩余能量,MeV;S(E)是材料的阻止本領。

氦元素位于元素周期表上第二位,是一種重要的戰略性稀有氣體資源,在醫療科研、航天軍工、半導體等尖端產業都有著無可替代的用途。氦有兩種同位素(4He和3He),地球上氦元素主要是4He,而3He在地球上非常稀少(天然豐度僅為0.000134%)儲量只有0.5 t左右,遠遠無法滿足現有需求。3He也是一種近乎完美的核聚變燃料,是科學研究上獲得極低溫環境的重要制冷劑,為超導、量子計算等前沿研究提供重要保障,因此,3He是重要的戰略資源[39]。而在月球上,因為沒有磁場和大氣的保護,已經風化的細小月壤顆粒經過太陽風輻照會被注入太陽風物質(主要是氫和氦)。太陽風注入的3He主要集中于月球表層1 μm以內,由于受各種尺度小天體的撞擊,使深層月壤與表層月壤相混合,因此月壤深層也含有3He。通過遙感估算月球表面月壤中3He含量達到一百萬噸量級,能夠為人類提供萬年的能源需求[40]。近期,我國科學家通過研究嫦娥五號月壤樣品中膠結質玻璃和氦原子探測研究發現,鈦鐵礦的表面有一層納米級厚度的玻璃物質,并且有大量氦-3氣泡被捕獲并保存在月壤中鈦鐵礦顆粒表面的玻璃層中[41]。美國Apollo月球樣品中的3He一般都采用破壞性的質譜分析技術,測量的含量范圍在1.4～15.1 ng/g[42]。因太陽風注入的3He主要在月壤樣品近表面微米,而利用中子與3He的高反應截面特性和中子深度剖面分析技術優勢,可非破壞直接開展月壤近表面中3He含量分析。NDP技術測量3He的探測限為1.5×1012atom/cm2,具體是利用探測器測量3He與中子發生核反應3He(n,p)3H后生成的帶電粒子(質子p能量572 keV和氚3H能量191 keV)進行樣品中3He核素的定量分析[43-44]。中國原子能科學研究院(簡稱原子能院)依托CARR堆高中子通量優勢建立了NDP裝置并開展了標準樣品近表面元素含量的深度分布研究和定量技術研究[38,45]。因此,可嘗試利用NDP非破壞技術開展研究月樣或地外樣品近表面中3He含量的分析。

2.4 緩發中子測量技術

緩發中子測量(Delayed Neutron Counting,DNC)是一種靈敏、快速、無損、準確測定裂變核素(如235U和239Pu)的方法,具體原理是利用樣品中235U和239Pu經反應堆中子輻照后發生裂變反應,裂變產物以零點幾秒至幾十秒的半衰期釋放緩發中子,測量緩發中子計數即可得出樣品中235U和239Pu的含量,裂變產生的緩發中子總計數公式如式(4)所示[46]:

(4)

式中,N為樣品中可裂變核數;σ為裂變截面,cm2;ε為緩發中子探測器的探測效率,%;φ為樣品輻照處中子注量率,cm-2s-1;ti、td和tc分別為樣品輻照、冷卻和測量時間,s;αn和λn分別為第n組緩發中子的絕對產額和衰變常量。研究人員利用原子能院微堆垂直孔道輻照235U和239Pu樣品(輻照時間30 s、冷卻2 s、測量100 s),DNC系統測量裂變核素的探測限為235U(0.14 μg)和239Pu(0.18 μg)。如果利用CARR高中子注量率優勢(8×1014cm-2·s-1)和8個緩發中子探測器(如3He管)進行測量,則DNC系統的探測限可降低約2～3個量級[46-48]。因此,可利用DNC技術非破壞測量月壤樣品中的可裂變核素235U和239Pu的含量。此外,可進一步結合INAA技術開展月壤樣品中238U/235U同位素比值研究,具體方法為:樣品中裂變核素235U含量可利用DNC測量與中子發生裂變反應后生成的緩發中子進行定量,而238U含量可利用INAA技術測量與中子俘獲反應后生成的239U-239Np特征γ 射線(能量為277.6 keV)進行定量分析。

2.5 快中子活化

快中子活化分析(Fast Neutron Activation Analysis,FNAA)是利用加速器氘氚核反應T(d,n)4He產生的14 MeV中子輻照待測樣品,使樣品中的元素(某一種穩定同位素)與快中子產生閾能核反應如(n,p)、(n,α)和(n,2n)等,然后利用探測器測量樣品活化后生成的放射性特征γ射線進行元素定量分析的方法[48],具體測量的γ射線與元素定量之間的關系如式(5)所示:

(5)

式中,各物理量含義與式(2)中一致,都是測量樣品活化后放射性生成核產生的緩發γ射線,區別只是在于樣品輻照選用中子的能量不同,產生的核反應道不同。INAA采用(n,γ)反應,而FNAA根據測量不同的元素選用不同的反應如(n,p)或(n,α)等。因而FNAA和INAA選用的核參數(如反應截面σ,其隨著中子的能量不同而變化)也不同。

FNAA使用的14 MeV快中子是利用加速器產生的,與反應堆中子源不同的是其能量較大(一般INAA利用的是反應堆熱中子,最可幾能量0.025 3 eV),其優勢是針對INAA和其他方法難以測定或不靈敏的元素如O、Si、P、N等。比如利用14 MeV中子與氧同位素16O發生16O(n,p)16N反應,通過測量16N生成的緩發γ射線(如能量6.13 MeV)進行O定量分析。1980年,廣東省測試分析研究所(現中國廣州分析測試中心)和中國科學院地球化學研究所研究人員曾利用14 MeV快中子活化分析測量了美國Apollo17號月壤(70017-291)中的O、Si、Al、Mg、Ti和Ca等主要元素含量,并與地球巖石和阿倫德隕石樣品進行了對比研究[49]。因此,利用14 MeV快中子活化分析可以開展月壤樣品中Si、O等其他活化分析技術難以測量的元素,還可測量Mg、Ti、Ca、Al等元素與INAA和PGNAA等方法結果進行對比驗證,進一步提高NAA元素定量分析結果的準確性。

此外,加速器中子源根據中子能量不同分為D-D源(氘氘中子源,中子能量約2.5 MeV)和D-T源(氘氚中子源,中子能量約14 MeV)兩種。一般T(d,n)4He反應截面比D(d,n)3He大2個量級,所以D-T中子源產額一般比D-D中子源高2個量級。而進一步根據應用場所或使用方式不同,加速器中子源可分為固定式大型加速器和移動式小型中子發生器/中子管,且一般固定式大型加速器中子源通量比移動式中子發生器/中子管高。比如,中國原子能科學研究院600 kV高壓倍加器可提供1×1011s-1的D-T中子,利用飛行時間法測得中子能量為14.65 MeV中子源[50]。此外,若選擇利用伴隨粒子標記技術的快中子發生器作為小型化PGNAA裝置中子源搭載到月球科研車上,還可精確聚焦待測大塊狀巖石感興趣區域產生的瞬發γ射線(或可開展大塊巖石元素含量分布測量),降低樣品周圍引起的γ本底干擾,進一步提高分析的靈敏度和準確度。

3 其他

除了上述中子活化分析技術在月球樣品分析測量以外,利用反應堆中子可為月球樣品40Ar-39Ar定年提供中子輻照。40Ar-39Ar定年法是在40K-40Ar定年法的基礎上發展起來的,二者的橋梁是樣品在反應堆用快中子(能量大于100 keV)輻照后,39K通過39K(n,p)39Ar核反應轉化為39Ar,而地球巖石礦物樣品的40K/39K為恒定值(恒定是相對的,實際上地球巖石樣品中的40K/39K值是有微小差異的,但這種差異已經被40Ar-39Ar定年的不確定度所覆蓋),由此建立起40Ar和39Ar之間的關系[51-52]。

此外,地外物質(如月球樣品、隕石、宇宙塵等)長期在宇宙空間運行,直接接受銀河宇宙射線和太陽宇宙射線輻照,通過多種核反應產生了多種穩定的和放射性同位素即宇宙成因核素如26Al、60Co、54Mn等。根據宇宙成因核素的含量和產率,可研究地外物質在宇宙射線中的暴露年齡或宇宙射線的組成、通量及時空穩定性等問題[53]。因此,利用低本底高純鍺探測裝置可以非破壞測量月球樣品(月壤、月球巖塊、月球隕石)中宇宙射線產生的宇生核素,進而為研究月球樣品暴露年齡以及宇宙射線通量研究等提供數據。比如,研究人員利用反宇宙射線低本底γ譜儀測量了一個目擊隕石樣品(質量為113 g)中的γ放射性核素,測量時間14.2 d,測量發現樣品中共含有11種放射性核素如7Be、22Na、26Al、54Mn、46Sc、60Co、40K和51Cr等[54]。

中子活化分析技術還可以測量地外樣品中宇生核素53Mn含量(半衰期3.74×106a),樣品中53Mn主要是由宇宙射線與Fe元素通過散裂反應生成,也是一種用來研究樣品在空間受到宇宙射線輻照歷史的核素[55]。因樣品中原有的Fe等元素與快中子反應會造成測量干擾[如54Fe(n,p)54Mn、55Mn(n,2n)54Mn反應],所以,在INAA分析之前一般采用Fe和Mn化學分離(破壞性)后再利用反應堆中子輻照樣品,通過熱中子俘獲53Mn(n,γ)54Mn核反應生成放射性核素54Mn,再利用高純鍺探測器測量54Mn特征γ射線(半衰期312.2 d,γ能量為834.8 keV)來進行53Mn核素的定量分析。

4 總結與展望

人類已經成功完成了10次月球采樣。20世紀,科學家利用地面實驗室設備系統研究和分析了Apollo和Luna任務返回的月球樣品,獲得了豐富的分析數據和研究成果,對科學認識月球起到了關鍵作用。我國首次地外采樣返回-嫦娥五號探月任務的圓滿完成,也為我國探月工程“繞、落、回”三個發展階段的戰略規劃畫上了圓滿句號。嫦娥五號月球樣品的研究進一步加深和擴展了人類對于月球演化的認識,取得了系列突破性的原創成果。當前月球是世界深空探測熱點,我國將在2024年前后發射嫦娥六號探測器,實現人類首次月球背面采樣返回;2026年前后發射嫦娥七號,實現月球南極資源勘查;2028年前后發射嫦娥八號,和嫦娥七號一起構成月球科研站基本型以及2030年前實現中國人首次登陸月球,開展月球科學考察及相關技術實驗,進一步深化人類對月球和太陽系起源與演化的認識,為月球科學的發展貢獻中國智慧。

而核分析技術主要是提供一種對樣品科學的分析手段,生命力在于與物理、化學、材料、醫學、地質、環境等學科領域的高度融合,交叉學科及技術的融合應用才能最大發揮核分析技術的優勢,以及推動核分析技術的廣泛應用。柴之芳院士在《現代核分析技術》序中寫道:“從實際應用領域看,上至天文、下到深海,大到宇宙、小到細胞,遠溯到考古、近到當代高新技術,都是核分析技術的用武之地?！贝送?中子活化分析技術的每種分析方法都有其自身的特點和最佳分析范圍,比如INAA一般測量Na到U元素之間60余種元素含量信息,而不能進行樣品中元素化學種態分析和低原子序數如H、B含量分析。同時,INAA測量的是樣品在反應堆內輻照活化后的緩發γ射線,其本質決定了離線測量方式和小樣品分析,而不是實時在線測量如PGNAA。PGNAA或PGAI技術優勢是利用中子的深穿透性,可非破壞在線測量大體積樣品中元素含量或分布,而不是樣品表征分析技術如NDP。因此,需要根據樣品種類實際情況和具體分析要求,重點選擇不同的分析方法組合進行全元素分析。我國是核能與核技術利用大國,而中國原子能科學研究院作為我國核科學技術的發祥地和基礎性、前瞻性、先導性、工程性的核科研綜合基地,可依托其反應堆高熱中子注量率和加速器快中子優勢,并結合多種核分析技術開展月球和地外珍貴樣品的非破壞分析研究。

本文主要通過介紹中子活化分析技術及其在月球或地外樣品分析中的能力,期望為我國未來深空探測中提供核分析技術支持。通過我國嫦娥五號月球樣品的分析,國內建立了跨越多學科多部門的聯合攻關力量,結合核分析技術和非核分析技術,充分發揮各自優勢開展了綜合性和精細化的分析研究工作,建立的研究團隊和先進的分析技術將為后續世界各國月球探測和深空探測這一人類共同的事業繼續貢獻中國方案和中國力量。

致謝：感謝中國原子能科學研究院(簡稱原子能院)劉蘊韜研究員、鮑杰研究員、喻宏研究員、柳衛平研究員、羅琦院士以及中科院國家天文臺李春來研究員、常進院士、劉建軍研究員、左維研究員、周琴副研究員的大力支持和幫助。感謝原子能院中國先進研究堆、49-2泳池堆和微堆及工作人員提供的樣品輻照工作。