月球样品的中子活化分析技术研究

姚永刚 肖才锦 李玉庆 焦学胜 孙 凯 郭 冰 陈东风

(中国原子能科学研究院,北京 102413)

地外样品是目前能获取到的来自其他天体的最直接地质证据。研究地外样品的目的在于揭示太阳系及其所含天体的宏观与微观演化过程,为人类进一步研究行星环境以及探索外星生命等提供认识。地外珍贵样品成分的非破坏精准分析对于人类认识天体演化以及我国深空探测与资源就地开发利用都具有重要的意义。月球是地球唯一的天然卫星,也是离地球最近的天体,是世界各国开展深空探测活动的首选目标。同时,其独特的太空环境和丰富的矿产资源使月球成为人类深空探索任务的理想前哨站,开发月球资源和建设月球基地已成为各航空航天大国和新兴国家竞争的焦点[1-2]。

月壤是月球上最重要的资源,对月壤的研究将为人类进一步了解行星起源、探索宇宙奥秘、开展星际探测提供重要信息。地球上的土壤是机械作用、化学作用和生物作用的综合产物,而月壤主要是机械作用的产物如陨石的频繁撞击,撞击溅射物的不断堆积,宇宙射线的轰击和剧烈的温差促使月表岩石破裂和粉碎等[3]。由此看出,月壤的形成是月球表面最重要的过程之一,其记录了关于月球及其空间环境的历史,是研究大时间尺度太阳活动的窗口。而月球化学元素和岩石矿物的丰度与分布是月球地质演化研究的基本素材。通过研究化学元素的含量和分布特征反演月球的地质演化过程,从而可进一步分析研究月球的整体化学成分与化学演化历史[4]。相比于天文观测和遥感探测,直接利用月球采样返回任务采集的月壤样品开展实验室全面系统的精细化研究对于人类深入认识月球和其演化历史具有重要作用。1969～1972年期间,美国6次阿波罗(Apollo)任务共采集回月球样品381.7 kg。苏联月球(Luna)任务在1970～1976年间实施了3次无人样品采集与返回,共采集0.321 kg月球样品。科学家通过美国Apollo和苏联Luna返回月球样品的地面实验室分析工作获得了大量数据和成果,对人类科学认识月球起到了关键作用[5]。2020年12月17日,我国嫦娥五号探测器(CE-5)成功采集1 731 g月壤并返回地球,是继美国和苏联探月采样任务45年后人类再次获得的月球样品,也是人类首次在月球表面最年轻火山岩地区进行采样,弥补了美国和苏联采样区域有限的不足,拓展了月球样品的代表性[6]。因此,我国首次地外采集的嫦娥五号月壤具有极其重要的科研价值和历史意义。2021年7月12日,首批嫦娥五号月壤样品正式发放受到全国人民的关注,迅速点燃了中国科学家对月球和行星科学的研究热潮。由于CE-5月壤样品的特殊和珍贵,一般优先选用非破坏分析方法对CE-5月壤开展研究。中子活化分析技术(Neutron Activation Analysis,NAA)是一种核分析方法,利用其多元素、高灵敏和非破坏等特点,适合开展月壤样品的全元素精准分析。

深空探测事业是拓展人类认知、服务人类文明、增进人类福祉的伟大事业,值得人类永续求索。当前,月球是深空探测热点,人类已经成功完成了10次月球采样。月球科学研究对推动空间科学及相关探测技术发展具有重要作用,我国嫦娥五号月球样品研究已经取得系列原创性成果如月壤样品基本特性和新矿物、月球火山活动历史及年轻火山活动成因、月球水和挥发分的含量与来源、月球表面陨石撞击和太空风化作用等,改变了人类对月球的热历史和岩浆历史的认识,对进一步研究和揭示月球起源和演化具有重要意义[6-8]。本文根据嫦娥五号月壤的仪器中子活化分析研究为基础,主要介绍中子活化分析技术及其在月球样品研究中的作用和意义,为我国今后深空探测、月球演化认识和原位资源开发利用提供必要的核分析技术支撑。

1 活化分析原理

活化分析的基础是核反应,原理是使用一定能量和流强的中子、光子或其他带电粒子(如质子等)照射待测样品,使样品中被测元素/核素的原子受激活化,利用探测器测量核反应生成的放射性核素衰变时放出的缓发辐射或直接测量核反应时放出的瞬发辐射,从而实现元素/核素定量和定性分析的核分析技术[9]。按照辐照粒子不同,活化分析可以分为中子活化分析、带电粒子活化分析和光子活化分析,其中以中子活化分析应用最广。而中子活化分析根据不同的方式可进一步划分为:1)根据入射中子能量的不同可分为冷中子活化分析、热中子活化分析、超热中子活化分析和快中子活化分析;2)根据中子源类型可分为反应堆中子活化分析、加速器中子源和同位素中子源活化分析;3)根据测量反应过程中不同的γ射线又可分为瞬发γ中子活化分析和缓发γ中子活化分析;4)根据照射后样品是否需要进行化学分离,可分为仪器中子活化分析(或常规中子活化分析,属于非破坏性分析)和放射化学中子活化分析(属于破坏性分析)。由于反应堆中子源中子注量率高、对多数元素活化截面大以及中子注量率的空间均匀性好等特点,因此,以反应堆为中子源的中子活化分析具有较低的探测极限、较高的选择性和准确度等优势,是活化分析的主流[9-10]。

2 活化分析技术

2.1 仪器中子活化

仪器中子活化分析(Instrumental Neutron Activation Analysis,INAA)通常是指样品辐照后不进行任何化学处理,直接进行测量的分析方法。一般先将待测样品和质控标样以及堆中子参数测量活化片(如Fe、Zr、Au等高纯材料)通过传输装置送入到反应堆内进行中子辐照,然后经过一定冷却时间后,再利用高纯锗探测器和数字化多道谱仪进行样品中缓发γ射线的测量和分析。INAA绝对定量公式如式(1)所示[15]:

(1)

式(1)中,m为样品中待测元素的含量,g;M为待测元素的摩尔质量,g/mol;A为待测元素分析峰的强度,s-1;NA为阿伏伽德罗常数6.02×1023,mol-1;θ为靶核素的同位素丰度,%;φ为样品辐照所接受的中子注量率,cm-2·s-1;σ为核素与中子发生核反应的有效截面,cm2;γ为分析峰的γ分支比,%;ε为分析峰的探测效率,%;S为饱和因子,S=1-exp(-0.693ti/t);D为衰变因子,D=exp(-0.693td/t);C为测量因子,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分别是指样品受中子照射时间、衰变/冷却时间和测量时间,s;t是样品中子活化后生成的放射性核素的半衰期,s。在实际定量分析方面,由于有关核参数和实验参数准确度不高,一般主要采用k0法和相对法进行元素定量[11-12]。

INAA作为一种多元素分析方法,具有非破坏性、灵敏度高、准确度好、无需样品预处理、无试剂空白和可测元素种类多等优点,广泛应用于地球化学、宇宙科学、环境科学、考古学以及标准物质定值等领域。鉴于上述中子活化分析的特点和优势,INAA成为美国Apollo月球样品的主微量元素含量的主要分析方法之一[12-14]。此外,有时为提高样品分析灵敏度,也采用将中子辐照后的样品先进行化学处理(即分离富集待分析的放射性核素)后再进行样品测量和分析,此方法称为放射化学中子活化分析(Radiochemical Neutron Activation Analysis,RNAA)[9,14-15]。

1958年,我国第一座反应堆(简称101堆)和第一台加速器在中国科学院原子能所(现为中国原子能科学研究院)建成并投入运行,奠定了我国核技术应用的基础。20世纪80年代,中国科学院原子能所(现中国原子能科学研究院)、中国科学院高能物理研究所和地球化学研究所曾利用INAA和RNAA技术开展了美国赠送给中国的Apollo17月球样品中元素含量的分析工作[15-16]。此外,日本Itokawa小行星样品、宇宙尘以及月球和火星陨石等珍贵样品也是把INAA作为其中主微量元素分析的主要分析方法之一[17-20]。

我国嫦娥五号(CE-5)成功采集1 731 g月壤并返回地球后,鉴于CE-5月壤样品的珍贵和特殊意义,中国原子能科学研究院联合中科院国家天文台针对CE-5任务采集的月球表面铲取样品,利用INAA技术的高灵敏、多元素、非破坏等优势开展了CE-5样品中49种元素的分析[21]。此次CE-5月壤INAA实验中,利用微型中子源反应堆(Miniature Neutron Source Reactor,MNSR)开展月壤样品的短照实验(辐照时间为300 s),测量了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)开展了月壤样品长照实验(辐照时间为24 h),测量了Fe、Co、Na、Sc、Ba、U、Th、Cr、Zr、Zn、Ir、Au和稀土元素等元素含量信息,实验参数如表1所示。为确保CE-5月壤样品分析的准确性和可靠性,实验中采用多种认证参考标准物质和单元素化学标准进行质控。实验研究结果与美国Apollo和苏联Luna月球样品元素含量数据进行了对比研究。由于铂族元素在地壳中高度亏损,但在大部分地外物质中富集,因此,通常将铂族元素铱(Ir)含量异常作为是否有地外物质加入的重要依据之一。例如柴之芳院士团队[22-23]曾利用INAA技术研究了白垩系和第三系界限(距今6 500万年)黏土层中Ir丰度的异常,并提出了恐龙灭绝的地外物质碰撞模型。

表1 中子活化分析实验参数

除了在月球直接采取珍贵的月壤外,月球陨石也是研究地月系统中重要的样品资源。月球陨石是月球遭受小行星或彗星撞击飞溅出来并降落到地球上的岩石,其独特的化学成分与地球岩石有明显差异,直接反映了月壳的关键演化信息。人类从月球直接采集样品,其样品种类和采样区域有限,且所需人员和经费投入巨大。而月球陨石随机来源于月球的各个部位,代表了来自月球表面随机区域的样品,是除人类取回的珍贵月壤之外研究月球物质成分和演化历史重要的样品补充来源[18-19]。在陨石研究方面,国内外科研人员利用INAA技术也开展了大量的工作,比如吉林陨石研究、阿德伦陨石、月球陨石以及其他陨石等[24-27]。当然,INAA技术也有其不足,比如不能辐照液态或气体(需要样品制备成固态),主要适用于分析固态样品;不能测量样品中元素的化学价态;不同元素的分析元素灵敏度差异较大;不适合分析低原子序数的元素含量如H、B等。因此,针对月球样品或珍贵地外样品开展地面实验室多角度、全元素和精细化研究,需要结合不同技术方法的特点和优势才能完成。欧阳自远等[28]在《吉林陨石研究的十年》文章中写道:“吉林陨石研究的十年,在我国逐步形成了一支多学科、能进行综合研究的陨石学、宇宙化学和空间地质学科研队伍。正是这支队伍在我国地学界最早采用仪器中子活化分析、放射化学中子活化分析、快中子活化分析、高分辨电镜、质子激发X射线分析、稀有气体同位素质谱分析、低水平放射性宇宙成因核素分析、离子探针质谱分析、火花源质谱分析、加速器质谱分析、裂变径迹和热释光分析等先进技术研究。吉林陨石研究对促进我国地学研究的设备与技术更新、提高研究水平起了重要的推动作用。”同样,针对美国赠送的1 g Apollo月壤样品和我国自主采集的CE-5月壤开展综合性精细化研究,对于我国优化整合国内科研单位技术优势、建立和培养深空探测人才队伍等起到了非常重要的作用。

2.2 瞬发γ中子活化

瞬发γ中子活化分析技术(Prompt Gamma-ray Neutron Activation Analysis,PGNAA)与INAA不同,原理是通过探测器(如高纯锗)测量中子与样品辐照时产生的瞬发γ射线的能量和强度来进行元素定量的分析方法。INAA测量的是中子与样品辐照生成放射性核素的缓发γ射线,是一种离线分析方法,其可分析元素周期表中大部分元素,但不适合对中子俘获生成核为非放射性核、纯β衰变和γ分支比相对较低的核素测量。而PGNAA技术是一种多元素在线检测方式,为INAA的补充,对H、B、C、N、S等有较好的灵敏度。具体见公式(2)[29]:

(2)

式(2)中,P为特征γ射线峰计数,s-1;N为靶核素原子数;σ为中子俘获截面,cm2;φ为样品辐照处中子注量率,cm-2·s-1;ε为全能峰的探测效率,%;γ为分支比,%;t为照射时间,s;NA为阿弗加德罗常数6.02×1023,mol-1;θ为靶核素丰度,%;m为靶元素的质量,g;M为靶元素的原子摩尔质量,g/mol。

月球没有磁场和大气的保护,已经风化的细小月壤颗粒经过太阳风辐照后被注入太阳风物质中的氢是月球表面水的主要来源,月球永久阴影区中可能存在的大量水冰有重要的科学意义与利用价值。通过分析月球水冰中氢元素的同位素丰度,可探究月球水的来源和演化机制,反演地月系统的起源与演化历史。月球上的水冰也可能是未来人类月球活动的重要资源。但目前月球极区水冰探测结果主要基于雷达、中子、光谱等轨道遥感手段,存在探测精度低、空间分辨率低、信噪比低等问题,难以获得精细的月球极区水冰分布与含量信息[30-31]。依托反应堆水平孔道高通量中子优势,利用PGNAA技术可直接非破坏在线测量月球样品中H含量(或水,是指存在于矿物中的结构水,不是通常意义的水)。具体原理是利用测量样品中的H与中子产生的瞬发γ特征射线(射线能量2 223 keV)强度进行元素的定量分析,而且PGNAA对于H比较灵敏,其探测限可达0.1～1 μg[32]。中国原子能科学研究院依托中国先进研究堆(China Advanced Research Reactor,CARR)冷中子导管初步建立了PGNAA实验装置,并已开展了多种样品的瞬发γ分析研究,图1为PGNAA测量NH4Cl样品中的氢元素瞬发γ能谱示例[33]。图1中可以看出H的特征γ射线(能量2 223 keV)非常明显,也无其他γ射线干扰。因此,PGNAA技术非常适合测量样品中的H,若用于测量月球样品中更低含量的H,还需要将样品靶室抽真空或充4He气体,以减少空气中水分(H)的本底干扰。除了H,PGNAA也适合测量月球样品中的Cl、Fe、Ca、Mg、Cd、Gd和稀土元素(Rare Earth Element,REE)等20余种INAA也适合分析的元素,进一步交叉验证元素分析的可靠性和准确度。此外PGNAA技术是一种整体样品实时在线分析方法,与INAA相比其优势有可测量低原子序数元素的含量、不受堆内样品辐照管道尺寸和样品形态限制以及可分析大体积样品元素含量和分布等,可与INAA技术进行优势互补。

图1 NH4Cl样品中H瞬发γ能谱Figure 1 Prompt gamma-ray spectrum of H in the NH4Cl sample.

对于珍贵的陨石块状样品,可结合PGNAA与中子成像(Neutron Tomography,NT)技术实现不对样品切片和取样,对其内部元素成分进行三维分布分析,即瞬发γ射线活化成像技术(Prompt Gamma-ray Activation Image,PGAI)[34-35]。PGAI是一种新型元素成像方法,该技术基于瞬发γ射线中子活化分析并结合准直测量手段,可以实现对样品内部元素空间分布分析。相比NT成像技术,PGAI技术不仅能对样品内部元素含量进行定量定性分析,还可以得到样品中元素分布的3D信息,与中子成像方法优势互补。此外,PGAI元素成像技术与激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)成像技术和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,LA-ICP-MS)技术原位微区多元素扫描成像等不同,其利用的是中子探针和特征γ射线的深穿透性,测量的是中子辐照区域体样品的元素含量,而不是样品表面。由于中子具有良好的穿透能力,这一优势使该技术十分适用于大块样品的成分和结构分析。例如,德国科研人员利用PGAI技术对一块墨西哥Allende陨石块(重量220 mg)进行了二维元素分布扫描分析,测量了陨石中硅(Si,γ射线能量3 539 keV)、铁(Fe,γ射线能量7 631 keV)和镁(Mg,γ射线能量585 keV)元素分布,研究结果发现陨石中这些元素含量分布非常不均匀[36]。

此外,月球是离地球最近的天体,独特的太空环境和丰富的矿产资源使月球成为深空探索任务的关键中转站,开发月球资源和建设月球基地已成为各航空航天大国和新兴国家竞争的焦点。鉴于将材料从地球运送到月球的高难度和高成本,原位资源利用(In-situ Resource Utilization,ISRU)已成为月球基地建设中的关键内容[37]。除了利用PGNAA或PGAI技术非破坏精准测量月球返回样品和陨石中的多元素含量和分布外,还可利用移动式中子源(同位素中子源如252Cf、小型加速器中子源如D-D或D-T中子发生器)研制小型化PGNAA装置。利用小型化PGNAA技术优势将其搭载到未来月球移动实验室或月球科研车上,可进行月球表面大体积块状石头元素含量原位分析,或开展矿产资源(如Ti、Fe、REE等)和生活必需资源(如水)分布勘探,为我国月球科研基地建设和原位资源利用提供核技术力量。

2.3 中子深度剖面分析

中子深度剖面分析(Neutron Depth Profiling,NDP)是一种高灵敏、高分辨测量材料近表面深度分布信息的无损检测技术。NDP原理是基于轻元素核素(如3He、6Li和10B等)俘获热中子后发生(n,p)或(n,α)反应,出射粒子具有特定的能量,通过测定出射粒子(如质子p和阿尔法α粒子)特定的能量和强度进行元素定性和定量分析。因为出射带电粒子穿过材料时会损失能量,通过测量反应发生的位置到样品表面的能量损失则可以得到该元素的深度分布。深度X和剩余能量E(X)之间的关系满足方程(3)[38]:

(3)

式中:E0是出射粒子的初始能量,MeV;E(X)是反应产生的出射粒子经过X(μm)深度后的剩余能量,MeV;S(E)是材料的阻止本领。

氦元素位于元素周期表上第二位,是一种重要的战略性稀有气体资源,在医疗科研、航天军工、半导体等尖端产业都有着无可替代的用途。氦有两种同位素(4He和3He),地球上氦元素主要是4He,而3He在地球上非常稀少(天然丰度仅为0.000134%)储量只有0.5 t左右,远远无法满足现有需求。3He也是一种近乎完美的核聚变燃料,是科学研究上获得极低温环境的重要制冷剂,为超导、量子计算等前沿研究提供重要保障,因此,3He是重要的战略资源[39]。而在月球上,因为没有磁场和大气的保护,已经风化的细小月壤颗粒经过太阳风辐照会被注入太阳风物质(主要是氢和氦)。太阳风注入的3He主要集中于月球表层1 μm以内,由于受各种尺度小天体的撞击,使深层月壤与表层月壤相混合,因此月壤深层也含有3He。通过遥感估算月球表面月壤中3He含量达到一百万吨量级,能够为人类提供万年的能源需求[40]。近期,我国科学家通过研究嫦娥五号月壤样品中胶结质玻璃和氦原子探测研究发现,钛铁矿的表面有一层纳米级厚度的玻璃物质,并且有大量氦-3气泡被捕获并保存在月壤中钛铁矿颗粒表面的玻璃层中[41]。美国Apollo月球样品中的3He一般都采用破坏性的质谱分析技术,测量的含量范围在1.4～15.1 ng/g[42]。因太阳风注入的3He主要在月壤样品近表面微米,而利用中子与3He的高反应截面特性和中子深度剖面分析技术优势,可非破坏直接开展月壤近表面中3He含量分析。NDP技术测量3He的探测限为1.5×1012atom/cm2,具体是利用探测器测量3He与中子发生核反应3He(n,p)3H后生成的带电粒子(质子p能量572 keV和氚3H能量191 keV)进行样品中3He核素的定量分析[43-44]。中国原子能科学研究院(简称原子能院)依托CARR堆高中子通量优势建立了NDP装置并开展了标准样品近表面元素含量的深度分布研究和定量技术研究[38,45]。因此,可尝试利用NDP非破坏技术开展研究月样或地外样品近表面中3He含量的分析。

2.4 缓发中子测量技术

缓发中子测量(Delayed Neutron Counting,DNC)是一种灵敏、快速、无损、准确测定裂变核素(如235U和239Pu)的方法,具体原理是利用样品中235U和239Pu经反应堆中子辐照后发生裂变反应,裂变产物以零点几秒至几十秒的半衰期释放缓发中子,测量缓发中子计数即可得出样品中235U和239Pu的含量,裂变产生的缓发中子总计数公式如式(4)所示[46]:

(4)

式中,N为样品中可裂变核数;σ为裂变截面,cm2;ε为缓发中子探测器的探测效率,%;φ为样品辐照处中子注量率,cm-2s-1;ti、td和tc分别为样品辐照、冷却和测量时间,s;αn和λn分别为第n组缓发中子的绝对产额和衰变常量。研究人员利用原子能院微堆垂直孔道辐照235U和239Pu样品(辐照时间30 s、冷却2 s、测量100 s),DNC系统测量裂变核素的探测限为235U(0.14 μg)和239Pu(0.18 μg)。如果利用CARR高中子注量率优势(8×1014cm-2·s-1)和8个缓发中子探测器(如3He管)进行测量,则DNC系统的探测限可降低约2～3个量级[46-48]。因此,可利用DNC技术非破坏测量月壤样品中的可裂变核素235U和239Pu的含量。此外,可进一步结合INAA技术开展月壤样品中238U/235U同位素比值研究,具体方法为:样品中裂变核素235U含量可利用DNC测量与中子发生裂变反应后生成的缓发中子进行定量,而238U含量可利用INAA技术测量与中子俘获反应后生成的239U-239Np特征γ 射线(能量为277.6 keV)进行定量分析。

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应T(d,n)4He产生的14 MeV中子辐照待测样品,使样品中的元素(某一种稳定同位素)与快中子产生阈能核反应如(n,p)、(n,α)和(n,2n)等,然后利用探测器测量样品活化后生成的放射性特征γ射线进行元素定量分析的方法[48],具体测量的γ射线与元素定量之间的关系如式(5)所示:

(5)

式中,各物理量含义与式(2)中一致,都是测量样品活化后放射性生成核产生的缓发γ射线,区别只是在于样品辐照选用中子的能量不同,产生的核反应道不同。INAA采用(n,γ)反应,而FNAA根据测量不同的元素选用不同的反应如(n,p)或(n,α)等。因而FNAA和INAA选用的核参数(如反应截面σ,其随着中子的能量不同而变化)也不同。

FNAA使用的14 MeV快中子是利用加速器产生的,与反应堆中子源不同的是其能量较大(一般INAA利用的是反应堆热中子,最可几能量0.025 3 eV),其优势是针对INAA和其他方法难以测定或不灵敏的元素如O、Si、P、N等。比如利用14 MeV中子与氧同位素16O发生16O(n,p)16N反应,通过测量16N生成的缓发γ射线(如能量6.13 MeV)进行O定量分析。1980年,广东省测试分析研究所(现中国广州分析测试中心)和中国科学院地球化学研究所研究人员曾利用14 MeV快中子活化分析测量了美国Apollo17号月壤(70017-291)中的O、Si、Al、Mg、Ti和Ca等主要元素含量,并与地球岩石和阿伦德陨石样品进行了对比研究[49]。因此,利用14 MeV快中子活化分析可以开展月壤样品中Si、O等其他活化分析技术难以测量的元素,还可测量Mg、Ti、Ca、Al等元素与INAA和PGNAA等方法结果进行对比验证,进一步提高NAA元素定量分析结果的准确性。

此外,加速器中子源根据中子能量不同分为D-D源(氘氘中子源,中子能量约2.5 MeV)和D-T源(氘氚中子源,中子能量约14 MeV)两种。一般T(d,n)4He反应截面比D(d,n)3He大2个量级,所以D-T中子源产额一般比D-D中子源高2个量级。而进一步根据应用场所或使用方式不同,加速器中子源可分为固定式大型加速器和移动式小型中子发生器/中子管,且一般固定式大型加速器中子源通量比移动式中子发生器/中子管高。比如,中国原子能科学研究院600 kV高压倍加器可提供1×1011s-1的D-T中子,利用飞行时间法测得中子能量为14.65 MeV中子源[50]。此外,若选择利用伴随粒子标记技术的快中子发生器作为小型化PGNAA装置中子源搭载到月球科研车上,还可精确聚焦待测大块状岩石感兴趣区域产生的瞬发γ射线(或可开展大块岩石元素含量分布测量),降低样品周围引起的γ本底干扰,进一步提高分析的灵敏度和准确度。

3 其他

除了上述中子活化分析技术在月球样品分析测量以外,利用反应堆中子可为月球样品40Ar-39Ar定年提供中子辐照。40Ar-39Ar定年法是在40K-40Ar定年法的基础上发展起来的,二者的桥梁是样品在反应堆用快中子(能量大于100 keV)辐照后,39K通过39K(n,p)39Ar核反应转化为39Ar,而地球岩石矿物样品的40K/39K为恒定值(恒定是相对的,实际上地球岩石样品中的40K/39K值是有微小差异的,但这种差异已经被40Ar-39Ar定年的不确定度所覆盖),由此建立起40Ar和39Ar之间的关系[51-52]。

此外,地外物质(如月球样品、陨石、宇宙尘等)长期在宇宙空间运行,直接接受银河宇宙射线和太阳宇宙射线辐照,通过多种核反应产生了多种稳定的和放射性同位素即宇宙成因核素如26Al、60Co、54Mn等。根据宇宙成因核素的含量和产率,可研究地外物质在宇宙射线中的暴露年龄或宇宙射线的组成、通量及时空稳定性等问题[53]。因此,利用低本底高纯锗探测装置可以非破坏测量月球样品(月壤、月球岩块、月球陨石)中宇宙射线产生的宇生核素,进而为研究月球样品暴露年龄以及宇宙射线通量研究等提供数据。比如,研究人员利用反宇宙射线低本底γ谱仪测量了一个目击陨石样品(质量为113 g)中的γ放射性核素,测量时间14.2 d,测量发现样品中共含有11种放射性核素如7Be、22Na、26Al、54Mn、46Sc、60Co、40K和51Cr等[54]。

中子活化分析技术还可以测量地外样品中宇生核素53Mn含量(半衰期3.74×106a),样品中53Mn主要是由宇宙射线与Fe元素通过散裂反应生成,也是一种用来研究样品在空间受到宇宙射线辐照历史的核素[55]。因样品中原有的Fe等元素与快中子反应会造成测量干扰[如54Fe(n,p)54Mn、55Mn(n,2n)54Mn反应],所以,在INAA分析之前一般采用Fe和Mn化学分离(破坏性)后再利用反应堆中子辐照样品,通过热中子俘获53Mn(n,γ)54Mn核反应生成放射性核素54Mn,再利用高纯锗探测器测量54Mn特征γ射线(半衰期312.2 d,γ能量为834.8 keV)来进行53Mn核素的定量分析。

4 总结与展望

人类已经成功完成了10次月球采样。20世纪,科学家利用地面实验室设备系统研究和分析了Apollo和Luna任务返回的月球样品,获得了丰富的分析数据和研究成果,对科学认识月球起到了关键作用。我国首次地外采样返回-嫦娥五号探月任务的圆满完成,也为我国探月工程“绕、落、回”三个发展阶段的战略规划画上了圆满句号。嫦娥五号月球样品的研究进一步加深和扩展了人类对于月球演化的认识,取得了系列突破性的原创成果。当前月球是世界深空探测热点,我国将在2024年前后发射嫦娥六号探测器,实现人类首次月球背面采样返回;2026年前后发射嫦娥七号,实现月球南极资源勘查;2028年前后发射嫦娥八号,和嫦娥七号一起构成月球科研站基本型以及2030年前实现中国人首次登陆月球,开展月球科学考察及相关技术实验,进一步深化人类对月球和太阳系起源与演化的认识,为月球科学的发展贡献中国智慧。

而核分析技术主要是提供一种对样品科学的分析手段,生命力在于与物理、化学、材料、医学、地质、环境等学科领域的高度融合,交叉学科及技术的融合应用才能最大发挥核分析技术的优势,以及推动核分析技术的广泛应用。柴之芳院士在《现代核分析技术》序中写道:“从实际应用领域看,上至天文、下到深海,大到宇宙、小到细胞,远溯到考古、近到当代高新技术,都是核分析技术的用武之地。”此外,中子活化分析技术的每种分析方法都有其自身的特点和最佳分析范围,比如INAA一般测量Na到U元素之间60余种元素含量信息,而不能进行样品中元素化学种态分析和低原子序数如H、B含量分析。同时,INAA测量的是样品在反应堆内辐照活化后的缓发γ射线,其本质决定了离线测量方式和小样品分析,而不是实时在线测量如PGNAA。PGNAA或PGAI技术优势是利用中子的深穿透性,可非破坏在线测量大体积样品中元素含量或分布,而不是样品表征分析技术如NDP。因此,需要根据样品种类实际情况和具体分析要求,重点选择不同的分析方法组合进行全元素分析。我国是核能与核技术利用大国,而中国原子能科学研究院作为我国核科学技术的发祥地和基础性、前瞻性、先导性、工程性的核科研综合基地,可依托其反应堆高热中子注量率和加速器快中子优势,并结合多种核分析技术开展月球和地外珍贵样品的非破坏分析研究。

本文主要通过介绍中子活化分析技术及其在月球或地外样品分析中的能力,期望为我国未来深空探测中提供核分析技术支持。通过我国嫦娥五号月球样品的分析,国内建立了跨越多学科多部门的联合攻关力量,结合核分析技术和非核分析技术,充分发挥各自优势开展了综合性和精细化的分析研究工作,建立的研究团队和先进的分析技术将为后续世界各国月球探测和深空探测这一人类共同的事业继续贡献中国方案和中国力量。

致谢：感谢中国原子能科学研究院(简称原子能院)刘蕴韬研究员、鲍杰研究员、喻宏研究员、柳卫平研究员、罗琦院士以及中科院国家天文台李春来研究员、常进院士、刘建军研究员、左维研究员、周琴副研究员的大力支持和帮助。感谢原子能院中国先进研究堆、49-2泳池堆和微堆及工作人员提供的样品辐照工作。