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中国原子能科学研究院:嫦娥五号月壤和地球土壤中58Fe/54Fe比值及差异 精选

已有 3200 次阅读 2024-4-8 10:48 |系统分类:科研笔记

近日,中国原子能科学研究院姚永刚研究员所属团队在新一期《核分析》(英文)期刊上发表了题为“Determination of 58Fe/54Fe isotope ratios in Chang’E-5 lunar regolith by instrumental neutron activation analysis”的文章。该文章采用中子活化分析方法研究了嫦娥五号月壤和地球土壤中58Fe/54Fe比值及差异,展示了核分析技术在我国深空探测中发挥的作用。

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铁是地壳中含量居第四的金属元素,同时也是太阳系最重要的金属元素和类地行星的主要构成元素。铁有4个稳定同位素,其丰度分别为54Fe(5.845%)、56Fe(91.754%)、57Fe(2.119%)和58Fe(0.282%)。铁同位素作为非传统稳定同位素体系之一,在自然界不同物质间具有一定的差异。由于铁的广泛分布,铁同位素组成变化对于研究成矿作用、岩浆过程、天体化学、古环境演化和生物化学等方面显示巨大的潜力。比如组成地球的化学元素与月球一样,但月球上化学元素的含量及分布特征与地球不同。随着高精度金属同位素分析技术的发展,金属同位素组成为研究太阳系中行星物质的来源、不同星体之间的成因联系以及各种行星形成过程的重要手段。其中同位素异常已经成为研究行星物质来源的指纹,为月球的成因提供重要的制约。

2020年12月17日,我国嫦娥五号任务(CE-5)成功采集1731g月壤返回地球,是继美国和苏联探月采样任务44年后人类再次获得的新的月球样品。CE-5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,具有重要的科研价值。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,并利用各种先进分析技术对嫦娥五号月壤进行了深入研究。

通常同位素异常通常需要通过测量样品中同一元素的不同稳定同位素比值来表示。现有的稳定同位素测量方法主要是利用质谱方法,比如MC-ICP-MS、IRMS、SIMS以及TIMS。质谱方法测量精准度高,但是需要将样品化学溶解,是一种破坏性分析方法。鉴于月壤或地外样品的珍贵性和特殊性,一般首先选用非破坏高精准分析方法进行样品分析工作。而以反应堆为中子源的仪器中子活化分析方法(INAA)具有多元素、非破坏、高灵敏度、高准确度等优点。INAA本质是分析样品中同位素的含量来进行元素定量分析的方法且不需要溶解样品,可与质谱方法进行互补,测量其不灵敏或不适合测量的同位素或比值如Fe-58(0.282%)、Ca-46(0.004%)等。通过提高其中子源通量以及优化最佳实验参数可提高其测量精度,并采用国际同位素标物作为标样进行对比,未来可能是一种同位素比值分析的有力技术。

中子活化分析是一种核分析方法,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,并进一步推动核分析技术的广泛应用。

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54Fe(n,p)54Mn核反应生成的特征γ射线(能量834.8keV)和58Fe(n,γ)59Fe核反应生成的特征γ射线(能量1099keV)能谱图

作者简介

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姚永刚,博士,中国原子能科学研究院 研究员,主要依托反应堆中子源开展中子活化分析技术及应用工作如仪器中子活化分析(INAA)、瞬发γ中子活化分析(PGAA)、中子深度剖面分析(NDP)等。近年来,主要利用中子活化分析技术开展了我国嫦娥五号月球样品、月球陨石、文物考古以及大气颗粒物等样品研究工作。在Journal of the American Chemical Society、Atomic Spectroscopy、Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry、Atmospheric Pollution Research、ACS Applied Materials & Interfaces、Nuclear Analysis等国内外期刊发表文章40余篇,授权发明专利4项。

期刊简介

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Nuclear Analysis 是由中国工程物理研究院核物理与化学研究所与KeAi共同创办的开放获取型期刊,主编由中国工程院唐立院士担任。

核分析是一种利用物理或化学手段,从中子、带电粒子、光子和放射性核素等载流子的信息中探索微观结构、系统状态或动态特性的科学方法。期刊Nuclear Analysis以此命名,旨在从学术研究、技术发展和工程科学、技术和应用等方面报道核分析领域的最新技术成果。

为了搭建一座促进领域内的思想与研究成果交流的平台,Nuclear Analysis热忱地欢迎相关领域的学者朋友们积极投稿。所有投至文章都会经过严格的同行评审,文章一经采用,将发表在月活用户超过1800万的ScienceDirect平台,供全球读者免费阅读、下载、以及引用。



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