中子成像技术在元素分析中的应用

中子成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。中子成像利用中子不带电、穿透能力强、对轻元素敏感、可区分同位素和近邻元素等特性,非常适合开展含氢元素、近邻元素和同位素等材料的无损检测。本文概述了中子成像技术的基本原理及特点,并结合中国先进研究堆(CARR)中子成像装置上的应用案例, 重点介绍了国内外中子成像技术在储氢材料、燃料电池、岩石、核燃料元件、古代文物等领域的典型应用。随着中子成像技术的不断发展和广泛应用,有望为我国更多领域研究提供更强有力的技术支撑。     

能量选择中子成像技术及其应用

能量选择中子成像技术是利用特定范围波长(能量)的中子进行成像。在热/冷中子范围内(<25meV),能量选择中子成像技术主要基于布拉格边效应和衍射机制,相比常规中子成像技术不但可以显著提高图像对比度,而且能分析应变、应力、织构。在超热中子范围内(>1eV),能量选择中子成像技术主要基于中子共振吸收,中子截面随能量变化是同位素特有的,存在明显的共振吸收峰,因此可以进行同位素的“指纹”识别。能量选择中子成像技术在工程、材料、化学、物理、生物、考古等众多科研领域中有着非常广阔的应用前景。     

中子散射技术在化学研究中的应用

中子散射在化学、软物质、基础物理、地球科学、工程等领域应用广泛,在不同领域的科学探索过程中发挥了关键作用.中子具有不带电荷、穿透能力强、对轻元素敏感、能够进行无损检测等特点.一方面,弹性中子散射在氢元素富集的化学材料体系、高分子体系、生物大分子等体系的结构研究中独具优势;另一方面,非弹性中子散射测量的能量、散射矢量范围与这类材料体系的时间、空间尺度吻合,非常适合化学过程的动力学研究.本文将通过结合中国绵阳研究堆(CMRR)中子散射平台上的应用实例,重点介绍国内外利用小角中子散射、中子反射、中子衍射、非弹/准弹性中子散射等代表性技术在化学反应机理研究、溶液中的化学过程、高分子化学、生物化学、材料化学、核化学和放射化学等领域的典型应用及前景.     

N,N,N',N'-四丁基丙二酰胺从硝酸盐介质中萃取铈(Ⅲ)

核燃料后处理的一个目标是利用中子放射将半衰期很长的锕系元素转变为半衰期短的同位素.由于镧系元素能有效地吸收中子,从而阻止可嬗变的锕系元素捕获中子,所以必须利用溶剂萃取的方法将高放废液中三价的锕系元素与三价的镧系元素分离开来.     

稀土基中子和伽马复合屏蔽材料

随着航空航天、核技术等领域的发展和核能的广泛利用，对核辐射屏蔽材料的性能也提出更高的要求。核反应中产生的中子、伽马射线的穿透能力较强，危害较大，所以对于中子、伽马辐射屏蔽材料的研究成为辐射防护研究的重点。稀土元素具有较高的中子吸收截面和高原子序数，逐渐被科研人员重视并应用于中子、伽马辐射屏蔽材料的研发中。本文简述了稀土材料在辐射屏蔽材料领域的应用，介绍了稀土元素与中子和伽马射线的作用原理；根据基体材料的类别将稀土基中子和伽马辐射屏蔽材料分为稀土金属基、稀土聚合物基、稀土玻璃基三类，分别介绍了三类稀土基复合屏蔽材料的研究进展，并分析了稀土材料用于中子、伽马辐射屏蔽存在的问题与展望。     

钨钢配饰的放射性检测

为检测配饰材料中的天然放射性,用γ能谱法测定了钨钢表壳材料中放射性核素镭-226、钍-232和钾-40的放射性比活度;中子活化分析方法研究了作为手表壳体的钨钢配饰材料的基本成分,为科学选择配饰提供理论依据。     

月球样品的中子活化分析技术研究

月球的起源是月球研究的核心问题。月球探测任务返回的数据和样品极大地提高了人类对地月系统的认知,同时也发现了更多未解之谜,亟待未来的探测任务和科学研究来解答。嫦娥五号月壤是我国首次地外天体采集返回的样品,也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。鉴于月球样品的珍贵性和特殊性,利用先进技术开展其全元素含量的非破坏精准分析对于认识月球演化和月球资源就地开发利用具有重要的意义。依托大型核反应研究堆和加速器中子注量率优势,利用中子活化分析技术可实现月球样品中的全元素非破坏分析：1)仪器中子活化分析技术(INAA)可测量Na—U元素之间的60余种元素;2)瞬发γ中子活化分析技术(PGNAA)可补充测量INAA不适合测量的元素如H、B、C、N等;3)中子深度剖面分析技术(NDP)可测量样品近表面(微米级)聚变能源³He的浓度深度分布;4)缓发中子测量技术(DNC)可定量样品中痕量裂变核素如²³⁵U和²³⁹Pu,并结合INAA可测量²³⁸U/²³⁵U同位素比值;5)14 Me...     

极化中子衍射及在电子自旋密度研究中的应用

极化中子衍射方法常用于研究含未配对电子化合物中电子自旋密度的分布．分子中电子自旋密度分布从一个独特的角度反映化合物的磁性质．本文介绍极化中子衍射方法的背景知识和基本原理．包括中子源、中子和X射线衍射、极化中子衍射,以及一些常用的实验数据处理方法．选用几个实例总结了用极化中子衍射方法得到的电子自旋密度分布在无机和有机化学中的应用．通过单分子磁体[Fe8O2（OH）12（tacn）6]^8＋和氰基桥联化合物K2[Mn（H2O）2]3[Mo（CN）7]2·6H2O,说明如何用该方法研究金属原子间的磁相互作用;并通过Ru（acac）3这个只含一个未配对电子的化合物来说明如何获得化合物中金属和配体上小的自旋密度;最后介绍了该方法在nitronylnitroxide自由基研究中的应用．     

罗布泊地貌地质遗迹中某些元素的分析

用中子活化分析法测试了新疆罗布泊地区地质样品中的某些痕量、微量及常量元素含量,特别是对样品中放射性元素作了检测。结果表明,该地区的地质遗迹样品中,痕量、微量及常量元素的含量与中国大陆地壳中的含量相当,无明显的放射性异常;把这些样品当作建筑材料的原材料来使用,是安全的;通过对这些样品的检测分析,为该地区的化探普查提供了可靠的依据。     

中子测水法在煤炭行业中应用的讨论

介绍中子测水法的原理、应用现状及其优、缺点,讨论了该法在煤炭行业应用的可行性,经分析认为,中子测水法不适合在煤炭行业应用。     

中国先进研究堆瞬发γ元素成像技术研究

无损分析样品内部的元素分布,对于材料、考古、地质科学等领域的研究具有重要意义。本文基于瞬发γ活化分析方法,结合中子照相技术,分析了模拟样品的结构和对称性,首次利用中国先进研究堆(CARR)水平孔道聚焦的微束中子束流,开展了样品瞬发γ扫描分析和材料内部元素分布研究。通过蒙特卡罗软件(MCNP)对样品元素分布实验模型进行分析,模拟结果获得了样品不同区域的元素分布,基本实现了元素空间分辨。MCNP计算结果表明在瞬发γ扫描分析中,优化准直几何参数和提高中子通量能进一步提高元素空间分辨和元素测量准确度。     

中子活化分析在鄂尔多斯地区元素分析中的应用

利用中子活化对鄂尔多斯盆地油气田上方的地质样品进行了某些元素的检测,通过实验分析,得到了该地区岩石中某些元素的含量,并对该地区的放射性元素作出了评价,绘制了样品的稀土配分模式图和评价了当地的金属矿产资源情况.结果表明,在油气田的上方,放射性元素铀呈现出负异常;钍和钾无明显异常;岩石中的其它元素和中国大陆地壳元素丰度基本...     

元素的起源与0号元素

论述元素的起源是以中子为起点,中子是特殊的0号元素。以中子的衰变特点、核反应的特点、与质子类同的特点、与稀有气体元素类同的特点以及中子星的存在、四中子的发现等论据,提出应当把中子看作元素并纳入元素周期表中。建议给这个特殊的元素命名为"中"。     

点缺陷引起中子辐照MgO(110)单晶的铁磁性

对MgO(110)单晶进行中子辐照,辐照剂量从1.0 × 10¹⁶到1.0 × 10²⁰ cm^-2。基于黄昆漫散射理论,我们计算了MgO晶体中的立方缺陷和偶极力缺陷引起的X射线漫散射强度分布图。通过X射线漫散射及紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱实验表征了晶体的点缺陷组态,并利用超导量子干涉仪(SQUID)测量了样品的磁性。ω–2θ和摇摆曲线说明MgO单晶经中子辐照后产生了晶格畸变,晶体中存在一定浓度的点缺陷。倒易空间图(RSM)显示中子辐照的MgO单晶存在漫散射现象。与计算得到的漫散射分布图对比分析可知,中子辐照的MgO(110)单晶中产生了弗仑克尔缺陷。UV-Vis吸收光谱表明所有辐照晶体中存在阴离子单空位缺陷。辐照剂量较高(1.0 × 10¹⁹和1.0 × 10²⁰ cm^-2)的样品中存在O空位的聚集。磁性测量显示中子辐照后的MgO(110)单晶在室温下依然是抗磁性,但在低温下具有铁磁性,最大饱和磁化强度达到0.058 emu·g^-1。通过中子辐照的方法,可以使MgO(110)单晶产生点缺陷引起的低温铁磁性。利用F色心交换机制可以解释中子辐照MgO晶体中的O空位缺陷与铁磁性之间的关系。     

浇注型环氧树脂基耐高温中子屏蔽复合材料

提出“自驱动梯度升温”概念，研制了一种耐高温，且综合性能优异的环氧树脂基中子屏蔽复合材料。通过反应动力学研究，确定基体为混合多官能度缩水甘油胺环氧树脂和混合改性酚醛胺固化剂，基体中高反应活性树脂体系固化反应放热触发低反应活性树脂体系的固化反应，实现了室温浇注工艺条件下，高性能环氧树脂无外部热源输入即可固化成型，制备耐高温中子屏蔽材料的目的。在基体材料分子结构中刚/柔性基团的匹配、体系复杂相态下的传热和功能填料的筛选等几方面研究基础上，最终得到了玻璃化转变温度（Tg）>150℃、负荷热变形温度>150℃、快中子屏蔽系数（252Cf,40 mm）>2.5、热中子屏蔽率（252Cf,40 mm）>99.98%、物理机械性能优异的中子屏蔽复合材料。该材料在服役工况苛刻的核辐射二次屏蔽领域具有现实应用场景。     

人体子宫癌活组织中微量元素的中子活化分析

本文利用样品的低温干燥预处理技术和仪器中子活化分析方法,同时测定了人体子宫癌活组织中的29种微量元素,并分别与宫颈炎组织和正常组织比较,初步研究结果表明,子宫癌组织,宫颈炎组织和正常组织中Au,I,Se等微量元素有显著差异。     

石英流体包裹体中液相成分的中子活化分析

研究了应用中子活化分析技术分析石英流休包裹体液相成分中痕量元素的方法，并在超净实验室内完成了样品的清洗，爆裂及提取，蒸干等前处理过程，所建立的方法仅取１５ｇ粒径为０．４～０．８ｍｍ的石英样品，以３％硝酸浸泡清洗后，由真空热爆法打开包裹体，以１％硝酸浸取其液相在分，并且将样品独立地分为两份，分别以１．２×１０＾１３ｎ／ｓ．ｃｍ＾２和３．７×１０＾１３ｎ／ｓ．ｃｍ＾２的中子注量率辐照样品５ｍｉｎ和２４     

手性分子中的宇称破缺:D-和L-丙氨酸的变温中子结构研究

利用单晶的中子衍射研究295 K和60 K时丙氨酸对映体的结构特征以及由D到L构型转变的可能性.中子衍射数据揭示了变温过程中产生的晶格扭曲和的扭转. 通过分析宇称破缺能差EPV随二面角及扭角的变化,肯定了D-丙氨酸能量高于L-丙氨酸的结论.降温过程中D-和L-丙氨酸的弱氢键的行为的差异表明,可能是由于电弱相互作用宇称不守恒所引起.丙氨酸中子结构再次证实Cα－H…O氢键的存在.然而,比较295 K和60 K(高于和低于丙氨酸相变温度250 K)的中子衍射结构数据,表明并没有发生D型到L型的构型转化,这意味着Salam相变不是传统意义的结构相变.     

反应堆瞬发γ活化成像技术研究进展

瞬发γ活化成像技术(Prompt Gamma Activation Imaging,PGAI)是基于瞬发γ中子活化分析技术(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis,PGAA)的一种新型元素成像技术,具有PGAA非破坏性、高灵敏度的多元素分析特点,同时可研究大体积样品内元素含量的三维分布情况。与移动中子源(如同位素中子源、加速器中子源)相比,反应堆中子源具有高通量的冷/热中子,因此,基于反应堆中子源的PGAI装置具有更加广阔的应用前景。鉴于PGAI技术的重要性,主要介绍了PGAI技术原理和测量方法、列举了国内外具有代表性的PGAI装置及特点,并指出当前PGAI技术研究现状与应用进展。其中,与中子层析成像(Neutron tomography,NT)结合的PGAI是目前研究的重点。随着国内高通量中子反应堆的持续稳定运行以及PGAI装置的建立和技术发展,相信未来PGAI技术能在我国更多领域得到广泛和深入应用。     

基于中子活化瞬发伽马能谱确定地层元素含量的方法

中子技术能够利用中子与物质的相互作用确定其组成等性质,广泛应用于医学、环境科学、核反应堆建设、金属矿产勘查及石油工业中。在石油天然气领域,中子探测技术主要被用于确定井孔中的孔隙度、密度和流体饱和度等参数。随着测井技术的不断发展,基于瞬发伽马射线的中子活化分析技术也已应用于井下确定地层元素含量,并成为复杂岩性和非常规油气储层获得矿物含量的唯一手段。本文阐述了地层元素伽马能谱测井的方法,利用蒙特卡罗方法模拟了不同地层条件下的伽马能谱,构建了地层元素的标准谱库,研究了奇异值分解和极大似然估计能谱数据处理方法,并利用得到的元素产额及氧闭合模型实现地层元素含量的确定。利用蒙特卡罗方法构建已知地层的伽马能谱,采用上述数据处理方法得到元素含量与地层真实元素含量误差均在4%之内,Si元素误差最大为2.8%,Ca元素最大误差为3.3%,研究结果为井下确定地层元素成分及含量提供了有效的技术支持。