金象春 肖才錦 姚永剛 張俊新 吳 鵬 王平生 倪邦發(fā)
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413)
嫦娥五號(hào)是中國(guó)首個(gè)實(shí)施無(wú)人月面取樣返回的月球探測(cè)器。2020 年12 月17 日凌晨,嫦娥五號(hào)返回器攜帶月壤樣品安全著陸。精準(zhǔn)測(cè)定月壤樣品的化學(xué)成分,可以為研究月壤成分及其形成的物理化學(xué)條件以及演化歷史提供科學(xué)證據(jù),對(duì)月球資源開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。
以反應(yīng)堆為中子源的中子活化分析(Neutron Activation Analysis,NAA)作為一種痕量多元素分析方法,具有非破壞性、靈敏度高、準(zhǔn)確度好、無(wú)需樣品預(yù)處理、無(wú)試劑空白、可測(cè)元素種類多等優(yōu)點(diǎn),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[1?5]。中國(guó)原子能科學(xué)研究院NAA 實(shí)驗(yàn)室建立了NAA 分析體系,開(kāi)展了月球隕石、宇宙塵、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等分析工作。20 世紀(jì)80 年代,中國(guó)原子能科學(xué)研究院采用NAA分析了美國(guó)阿波羅17采集的月巖樣品[6],2021年開(kāi)展了嫦娥五號(hào)月壤樣品(CE5C0800YJFM002,CE5C0800YJFM00 3)的中子活化分析實(shí)驗(yàn)[7]。為了確保嫦娥五號(hào)月壤樣品中子活化分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,需要做好分析過(guò)程的質(zhì)量保證和分析結(jié)果的質(zhì)量控制?;贜AA 分析原理,本文就中國(guó)原子能科學(xué)研究院NAA 實(shí)驗(yàn)室對(duì)月壤樣品中子活化分析的質(zhì)量保證過(guò)程和質(zhì)量控制方法做了全面介紹。
質(zhì)量保證是實(shí)驗(yàn)室旨在最大限度降低分析過(guò)程中出現(xiàn)誤差的概率而采取的一系列措施,貫穿月壤樣品元素含量NAA分析的每一個(gè)環(huán)節(jié),包括試樣制備、分析方案制定、校準(zhǔn)、儀器性能測(cè)試、輻照、衰變、測(cè)量、能譜分析、內(nèi)部和外部質(zhì)量控制,以及測(cè)試人員技術(shù)能力保證等。
質(zhì)量控制是通過(guò)評(píng)估結(jié)果數(shù)據(jù)的質(zhì)量(真實(shí)度、不確定度、探測(cè)限等)來(lái)決定分析數(shù)據(jù)是否可接受。質(zhì)量控制方法種類繁多,形式多樣,本實(shí)驗(yàn)室采用內(nèi)部質(zhì)量控制和外部質(zhì)量控制相結(jié)合的方式。
在活化分析中,根據(jù)特征γ 射線放射性計(jì)數(shù)信息計(jì)算元素含量有三種方法:絕對(duì)法、相對(duì)比較法和單比較器k0法。由于有關(guān)的核參數(shù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)定,因此很少在分析中使用絕對(duì)法。相對(duì)比較法是將已知量待測(cè)元素(比較標(biāo)準(zhǔn))與待測(cè)樣品在相同條件下照射和測(cè)量,從而得到待測(cè)元素含量,不確定度的主要來(lái)源是標(biāo)準(zhǔn)樣品待測(cè)元素質(zhì)量和γ譜特征峰凈計(jì)數(shù)。k0法只需要一種核素作為比較標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合熱中子對(duì)超熱中子注量率比,就能同時(shí)測(cè)定多種元素的含量,不確定度的來(lái)源包括三個(gè)文獻(xiàn)參數(shù)(k0、Q0和Eγ)和三個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)(f、α和εp)。在月壤樣品活化分析中,同時(shí)使用相對(duì)比較法和單比較器k0法,當(dāng)兩種方法得出的待測(cè)元素結(jié)果差值小于允許值時(shí)給定測(cè)量結(jié)果?;罨治隽鞒虉D如圖1所示。
圖1 中子活化分析流程圖Fig.1 Flowchart of neutron activation analysis
在現(xiàn)代無(wú)機(jī)痕量分析方法中,NAA已經(jīng)不再以高靈敏度見(jiàn)長(zhǎng)。其根本優(yōu)勢(shì)在于由低污染、低空白和基體無(wú)關(guān)性決定的高準(zhǔn)確度,以及非破壞多元素分析能力。中子活化分析低污染主要體現(xiàn)在樣品照射后,在樣品準(zhǔn)備階段一樣對(duì)外在污染敏感。因此特別需要注意:在樣品準(zhǔn)備階段,樣品稱重、包裝等過(guò)程帶來(lái)的其他污染,對(duì)稱重臺(tái)、稱量紙?zhí)幚?、空氣環(huán)境大氣顆粒物污染、空氣中的溫濕度、靜電等影響因素需要做評(píng)估。
在月壤樣品元素含量測(cè)量活動(dòng)開(kāi)始之前,NAA實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)行測(cè)量前評(píng)估,評(píng)估內(nèi)容包括待測(cè)元素種類、預(yù)計(jì)待測(cè)元素含量、可能引起待測(cè)元素干擾的因素、所需達(dá)到的分析準(zhǔn)確度、目標(biāo)不確定度和探測(cè)限等,中子輻照可能引起的溫度效應(yīng)和壓力效應(yīng)等。
2.1.1 月壤樣品制備
中子活化分析樣品質(zhì)量通常100 mg左右,目前主要的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)取樣量為100 mg。在這樣的量級(jí)下分析樣品的中子自屏蔽、自熱、γ自吸收效應(yīng)等因素可忽略。兩個(gè)待測(cè)月壤樣品(圖2)重量分別為100.08 mg和99.97 mg,用微量分析天平稱取月壤樣品后,對(duì)于短照NAA月壤樣品采用清潔處理過(guò)的聚乙烯薄膜袋封裝,對(duì)于長(zhǎng)照NAA月壤樣品采用清潔處理過(guò)的鋁箔封裝。為避免污染,在樣品封裝前,聚乙烯薄膜事先是用1:3配比稀釋后的硝酸溶液浸泡1 d,然后用去離子水清洗、晾干;鋁箔事先用酒精清洗、晾干。
圖2 嫦娥五號(hào)月壤樣品圖(a)樣品編號(hào)CE5C0800YJFM002,(b)樣品編號(hào)CE5C0800 YJFM003Fig.2 Pictures of Chang'E-5 lunar samples(a)CE5C0800YJFM002,(b)CE5C0800YJFM003
2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)制備
考慮到計(jì)量溯源性和化學(xué)計(jì)量學(xué),NAA實(shí)驗(yàn)室采用元素標(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),采用有證參考物質(zhì)作為多元素標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)制備中,應(yīng)使標(biāo)準(zhǔn)中待測(cè)元素含量與分析樣品中的待測(cè)元素含量盡量保持一致。例如:在制備Au 標(biāo)準(zhǔn)時(shí),考慮元素的特點(diǎn),Au反應(yīng)截面較大,而在地球玄武巖中通常Au含量較低,在月球玄武巖中Au含量通常僅在10 ng?g?1左右,若Au 標(biāo)準(zhǔn)含量太大,一方面會(huì)引發(fā)輻照過(guò)程中的中子自屏蔽效應(yīng),另一方面在測(cè)量過(guò)程中,在同一位置分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣品和分析樣品時(shí),由于待測(cè)元素計(jì)數(shù)率相差太大引起死時(shí)間相差較大也會(huì)帶來(lái)誤差。
嫦娥五號(hào)月壤樣品為月海玄武巖,根據(jù)月壤樣品的特性[8],選用與月壤樣品基體相近的玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(玄武巖成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07105、巖石成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07727)、與待測(cè)樣品高鈦高鐵等特點(diǎn)一致的鈦鐵礦標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07896),以及取樣均勻性較出色的海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST SRM2703、其他巖石標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(花崗閃長(zhǎng)巖石GSP2)等標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)盡量左右對(duì)稱放置在月壤樣品周圍,減少因中子通量梯度帶來(lái)的誤差。在保存、使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí),應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)使用說(shuō)明,確保有效期、儲(chǔ)存條件、最小使用量、干燥條件等滿足條件。
2.1.3 監(jiān)測(cè)器制備
中子活化分析單比較器k0法對(duì)元素定量時(shí),需要用到樣品輻照位置的中子譜參數(shù):熱中子注量率Φth、熱中子超熱中子比值f,以及快中子注量率等。NAA 實(shí)驗(yàn)室采用高純Fe 絲、Zr 片來(lái)對(duì)這些中子譜參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要采用的核參數(shù)如表1所示。
表1 中子監(jiān)測(cè)器參數(shù)Table 1 Parameters of neutron monitors
為了在有限的分析時(shí)間和分析成本內(nèi)獲得較高的信號(hào)背景比,需制定最優(yōu)化的月壤樣品NAA分析方案。參考20 世紀(jì)80 年代NAA 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的Apollo-17 號(hào)月壤樣品成分?jǐn)?shù)據(jù)[7]以及前期NAA 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的月球隕石和模擬月壤分析數(shù)據(jù),基于實(shí)驗(yàn)室分析經(jīng)驗(yàn),使用幾種不同的輻照時(shí)間-衰變時(shí)間組合,如一次短照后測(cè)量1~3次,一次長(zhǎng)照后測(cè)量3~5 次,使各指示核素在某一組合中得到最佳的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。短照和長(zhǎng)照實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。
表2 中子活化分析短照和長(zhǎng)照實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters of short-time irradiation of NAA
高純鍺γ 譜儀性能會(huì)受到電子學(xué)噪聲波動(dòng)、探測(cè)器本底等因素影響,需定期進(jìn)行儀器性能檢查,待檢性能參數(shù)包括峰位置、分辨率/半高寬、探測(cè)器效率、峰形是否符合高斯分布、峰的對(duì)稱性等[9–11]。
測(cè)量過(guò)程的質(zhì)量保證措施包括:高純鍺探測(cè)器工作期間需要一直保持液氮冷卻;通過(guò)測(cè)量已知活度的放射源,如152Eu,從γ 能譜的主峰寬、峰位和峰面積驗(yàn)證探測(cè)器性能,利用控制表記錄以上信息來(lái)監(jiān)測(cè)高純鍺探測(cè)器的效率和分辨率,并進(jìn)行趨勢(shì)分析;通過(guò)本底測(cè)量,發(fā)現(xiàn)是否存在探測(cè)器或試樣架的污染或其他源干擾;定期保養(yǎng)探測(cè)系統(tǒng),例如:對(duì)高壓電源配件進(jìn)行內(nèi)部清潔可預(yù)防由灰塵聚集引起的雜散的高頻干擾,預(yù)防峰展寬。
在測(cè)量過(guò)程中,待測(cè)月壤樣品和比較器的測(cè)量條件差異,將產(chǎn)生分析誤差,表現(xiàn)在:高計(jì)數(shù)率導(dǎo)致的死時(shí)間和堆積效應(yīng);因月壤樣品和比較器的物理尺寸差異,造成月壤樣品和比較器與探測(cè)器有效距離不同,從而引起全能峰效率差異等。
測(cè)量過(guò)程的質(zhì)量保證措施包括:將樣品盡可能遠(yuǎn)離探測(cè)器表面,使樣品和標(biāo)準(zhǔn)幾何效應(yīng)誤差可以忽略;實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)確定每次測(cè)量的時(shí)間和位置,保持待測(cè)樣品與比較器的測(cè)量條件一致;對(duì)于不同測(cè)量位置應(yīng)進(jìn)行效率歸一,可采用已知活化比的放射源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,或基于有效作用深度原理進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。
γ 譜分析可通過(guò)商用解譜軟件完成。在使用軟件進(jìn)行γ 譜分析時(shí),質(zhì)量保證過(guò)程包括對(duì)解譜軟件進(jìn)行性能檢查,即通過(guò)對(duì)刻度γ源進(jìn)行譜分析,或通過(guò)實(shí)驗(yàn)室比對(duì)。當(dāng)解譜軟件得到的峰面積(尤其是弱峰、有復(fù)雜基線的峰、多重譜線的峰)存疑時(shí),應(yīng)使用峰擬合程序進(jìn)行檢驗(yàn)。
校準(zhǔn)是NAA 分析質(zhì)量保證的一部分。為了確保設(shè)備響應(yīng)真實(shí)準(zhǔn)確和建立分析結(jié)果的計(jì)量溯源性,校準(zhǔn)是必不可少的。此外,實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)根據(jù)設(shè)備的用途,判斷設(shè)備應(yīng)用于不同的測(cè)量方法時(shí)對(duì)結(jié)果的影響程度,當(dāng)校準(zhǔn)帶來(lái)的貢獻(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果不確定度有顯著影響時(shí)也應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。
在月壤樣品NAA分析活動(dòng)中,有多個(gè)影響分析結(jié)果有效性、需要校準(zhǔn)的步驟,包括樣品稱重、用于干燥的烘箱溫度、用于制作比較標(biāo)準(zhǔn)溶液的玻璃器皿和移液器,以及測(cè)定探測(cè)器的全能峰效率等。天平、烘箱溫度計(jì)、移液器等校準(zhǔn)工作由外部認(rèn)可校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)完成;探測(cè)器的全能峰效率的校準(zhǔn)工作可通過(guò)測(cè)量刻度源來(lái)完成。
內(nèi)部質(zhì)量控制指實(shí)驗(yàn)室為確保檢測(cè)結(jié)果的有效性而利用自身資源在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部實(shí)施的質(zhì)量控制,一般包括使用標(biāo)物監(jiān)控、重復(fù)測(cè)試、人員比對(duì)、方法比對(duì)、儀器比對(duì)、分析物品不同特性結(jié)果的相關(guān)性等方法。中子活化分析具有自我驗(yàn)證性,基于同一元素對(duì)應(yīng)的多種放射性核素的特征γ射線進(jìn)行元素定量分析,可以對(duì)元素定值的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)同一元素的k0-NAA 和相對(duì)法定量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)也可以進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。
2.7.1 標(biāo)物監(jiān)控
將已知特性值(和不確定度)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(SRM2703、GBW07105、GBW07727、GBW07896 和GSP2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))制備為內(nèi)部質(zhì)量控制樣品,與月壤樣品一起進(jìn)行相同條件的輻照和測(cè)量分析,對(duì)月壤樣品和內(nèi)部質(zhì)量控制樣品的不確定度進(jìn)行分析評(píng)估,比較內(nèi)部質(zhì)量控制樣品測(cè)量值的不確定度與認(rèn)證值的不確定度,當(dāng)二者在不確定度范圍一致時(shí)數(shù)據(jù)方可報(bào)出??墒褂肊n值對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià):
式中:xm為元素測(cè)量值;xc為元素認(rèn)證值;Um、Uc分別為測(cè)量值的擴(kuò)展不確定度和認(rèn)證值的擴(kuò)展不確定度(置信度95%,k=2)。當(dāng)En小于等于1,判定結(jié)果滿意,否則判定為不滿意。
嫦娥五號(hào)月壤樣品和內(nèi)部質(zhì)量控制樣品部分元素含量如表3所示。En值均小于1。
表3 月壤樣品和內(nèi)部質(zhì)量控制樣品的部分元素含量Table 3 Elemental contents of lunar soil sample and internal quality control samples
2.7.2 重復(fù)測(cè)試
大部分核素在中子活化后,放射性核素衰變時(shí)的 特 征γ 射線 不 止一 條,如24Na 的 特 征γ 射線 有1 368 keV、2 754 keV,27Mg 的特征γ 射線有843 keV和1 014 keV,38Cl 的 特 征γ 射 線 有1 642 keV、2 176 keV 等,這些γ 射線都可以用來(lái)定值。基于同種放射性核素不同特征γ 射線進(jìn)行元素定量分析,可以被看成是一種重復(fù)測(cè)試,不同γ 射線計(jì)算出的元素定值結(jié)果應(yīng)具有一致性??赏ㄟ^(guò)對(duì)各特征峰對(duì)應(yīng)的元素含量取加權(quán)平均,給出最終元素定值結(jié)果。
對(duì)不同衰變時(shí)間的樣品進(jìn)行多次測(cè)量,也可以被看成是一種重復(fù)測(cè)試,測(cè)量結(jié)果也應(yīng)具有一致性。
2.7.3 自我驗(yàn)證
NAA的優(yōu)勢(shì)之一是具有自我驗(yàn)證性,通常一種元素含有幾種同位素,活化后可以產(chǎn)生多種放射性核素,如Zn、Se、Cu、Br、Ge、Rb、Sr、Zr、Sb等,基于同種元素產(chǎn)生的不同放射性核素的特征γ射線進(jìn)行元素定量分析,通過(guò)比較同一種元素不同同位素定量結(jié)果的一致性可以對(duì)元素定值的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。例如,基于46Ca(n,γ)47Ca-47Sc 或48Ca(n,γ)49Ca 反應(yīng)產(chǎn)生47Ca、47Sc、49Ca 三種核素的γ 射線,驗(yàn)證Ca 元素定值的準(zhǔn)確性;基于64Zn(n,γ)65Zn 和68Zn(n,γ)69Znm反應(yīng)產(chǎn)生的65Zn、69Znm的γ射線,驗(yàn)證Zn元素定值的準(zhǔn)確性;基于63Cu(n,γ)64Cu 和65Cu(n,γ)66Cu 反應(yīng)產(chǎn)生的64Cu、66Cu,驗(yàn)證Cu元素定值的準(zhǔn)確性;基于74Se(n,γ)75Se 和76Se(n,γ)77Sem反應(yīng)產(chǎn)生的75Se、77Sem,驗(yàn)證Se元素定值的準(zhǔn)確性;基于65Ni、58Co驗(yàn)證Ni元素定值的準(zhǔn)確性;基于80Br、80Brm、82Br驗(yàn)證Br元素定值的準(zhǔn)確性等。
2.7.4 單比較器k0法與相對(duì)法比對(duì)
通過(guò)比對(duì)相對(duì)法和單比較器k0法對(duì)待測(cè)元素的分析結(jié)果,達(dá)到內(nèi)部質(zhì)量控制的目的[12]。本實(shí)驗(yàn)室建立的相對(duì)法——k0法兼容NAA 計(jì)算軟件ADVNAA,對(duì)每一條分析線均由k0法和相對(duì)法給出兩個(gè)獨(dú)立的分析結(jié)果。二者之差不超過(guò)不確定度4%時(shí),數(shù)據(jù)方可報(bào)出。
2.7.5 儀器比對(duì)
理論上,可以利用不同輻照孔道、不同反應(yīng)堆來(lái)分別照射樣品,在不同輻照和測(cè)量條件下進(jìn)行結(jié)果比對(duì);或比對(duì)同軸型高純鍺探測(cè)器、平面型高純鍺探測(cè)器對(duì)同一樣品的測(cè)量結(jié)果,達(dá)到內(nèi)部質(zhì)量控制目的。在此次月壤樣品分析實(shí)驗(yàn)中,比對(duì)了同軸型高純鍺探測(cè)器和平面鍺探測(cè)器的測(cè)量結(jié)果,測(cè)量結(jié)果具有一致性。
外部質(zhì)量控制的目的是確定和監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力、識(shí)別實(shí)驗(yàn)室間的差異、及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題,以此來(lái)確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。參與NAA實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)計(jì)劃、能力驗(yàn)證計(jì)劃作為獨(dú)立評(píng)估分析質(zhì)量的方法,可以提供有關(guān)系統(tǒng)誤差和(或)隨機(jī)誤差的信息。中國(guó)原子能科學(xué)研究院NAA 實(shí)驗(yàn)室每年參與國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)樣品比對(duì)測(cè)試活動(dòng),以此驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力,確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
中國(guó)原子能科學(xué)研究院NAA 實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了嫦娥五號(hào)月壤樣品的元素含量分析結(jié)果[7]。本次實(shí)驗(yàn)分析的嫦娥五號(hào)月壤樣品(CE5C0800YJFM002,CE5C0800YJFM003)整個(gè)分析過(guò)程樣品無(wú)損失,以原樣返回,后續(xù)還可以用其他測(cè)試分析方法進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果。
本文具體闡述了月壤樣品中子活化分析實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的誤差來(lái)源、相應(yīng)的質(zhì)量保證措施,以及本實(shí)驗(yàn)室采用的質(zhì)量控制方法。通過(guò)對(duì)試樣制備、分析方案選定、高純鍺γ 譜儀性能控制、測(cè)量、γ 譜分析、校準(zhǔn)等關(guān)鍵過(guò)程采取質(zhì)量保證措施,并以標(biāo)物監(jiān)控、重復(fù)測(cè)試、自我驗(yàn)證、方法比對(duì)等內(nèi)部質(zhì)量控制方法為基礎(chǔ),以參與NAA 實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)計(jì)劃、能力驗(yàn)證計(jì)劃等外部質(zhì)量控制作為評(píng)價(jià)手段,來(lái)保證月壤樣品元素含量中子活化分析測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù),驗(yàn)證了月壤樣品分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性,質(zhì)量保證過(guò)程和質(zhì)量控制方法有效。