嫦娥五號月壤中子活化分析研究

姚永剛，肖才錦，王平生，孫 凱，鮑 杰，焦學勝，郭 冰， 張永保，彭 旦，張亞東，李春來，周 琴，陳東風

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中國科學院 國家天文臺，北京 100101)

2020年12月17日凌晨1時59分，嫦娥五號返回器攜帶月壤樣品在內蒙古四子王旗預定區(qū)域安全著陸，標志著我國首次地外天體采樣返回任務圓滿完成，實現了探月工程三步走的最后一步——“回”。嫦娥五號月球探測器帶回了44年來第一批新鮮的月球巖石和碎片樣本，采樣點位于風暴洋東北部的月海地區(qū)——這是月表最年輕的月海玄武巖區(qū)域，是此前美國和前蘇聯月球采樣任務均未到達的采樣緯度最高的新區(qū)域(經緯度為51.916°W,43.058°N)，該區(qū)域可能保留了月球最年輕的火山活動[1-2]。因此，我國嫦娥五號采集的月壤樣品彌補了之前采樣區(qū)域有限的不足，拓展了月壤樣品的代表性，具有極其重要的科研價值。近期研究表明，嫦娥五號月壤樣品玄武巖形成年齡為(20.30±0.04)億年[3]，并排除了嫦娥五號著陸區(qū)巖石初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期巖漿活動過程[4]。此外，對于采樣地區(qū)的巖漿源區(qū)是否富含水，研究獲得的結果為月幔源區(qū)的水含量僅為1～5 μg/g[5]。然而對月壤樣品化學成分的精準測定, 有助于了解和探討月壤的成因及其形成的物理化學條件,對進一步推導月球的演化歷史模型有較大的意義和科學價值。以反應堆為中子源的中子活化分析(neutron activation analysis, NAA)是一種以核反應為基礎的核分析技術，具有較低的探測極限、較高的選擇性、高精密度和準確度，廣泛應用于地球化學、宇宙科學、環(huán)境科學、考古學以及標準物質定值等領域[6-8]。

本文主要針對嫦娥五號任務獲得的月球表面鏟取樣品，利用反應堆中子活化分析的高靈敏、多元素、非破壞等固有優(yōu)勢開展了主量元素、微量元素研究，使用兼容k0法和相對法的活化分析軟件ADVNAA進行元素定量分析，獲得了嫦娥五號月壤樣品中39種主量和微量元素信息，并與1978年美國國家安全事務助理布熱津斯基贈送給中國的禮物——Apollo-17號月壤樣品元素成分數據[9]進行了對比。實驗分析過程采用多種有證標準參考物質如沉積物標物SRM2703、玄武巖成分標物GBW07105以及GBW07727、GBW07896、GSP2等標物進行質控，確保嫦娥五號月壤樣品分析的準確性和可靠性。

1 實驗方法

因樣品中不同元素(每種至少一種同位素)通過中子輻照后生成的待測放射性核素的半衰期不同，一般根據待測放射性核素需求采用不同的輻照時間、冷卻時間和測量時間進行樣品中子活化分析。本實驗利用中國原子能科學研究院微型中子源反應堆(MNSR)開展了嫦娥五號月壤樣品(圖1中右圖，編號CE5C0800YJFM003，重量100.08 mg)的短照中子活化分析實驗，輻照時間為300 s，測量了Al、V、Mg、Ca、Ti、Dy、Na、K等元素；利用中國原子能科學研究院49-2泳池堆(SPR)輻照孔道開展了嫦娥五號月壤樣品(圖1中左圖，編號CE5C0800YJFM002，重量99.97 mg)的長照中子活化分析實驗，輻照時間為24 h，測量了Fe、Co、Na、K、Sc、Ba、Sr、Hf、U、Th、Cr、Zr、Zn和稀土元素(REE, rare earth elements)等元素。實驗中采用相對探測效率為60%和能量分辨率為1.85 keV@60Co(1 332.5 keV)的高純鍺探測器(HPGe, ORTEC)和一體化數字多道譜儀(DSPEC50, ORTEC)進行輻照后樣品的γ能譜測量，最后采用中國原子能科學研究院兼容k0法和相對法的活化分析軟件ADVNAA進行了元素定量分析。

圖1 嫦娥五號月壤樣品圖Fig.1 Chang’E-5 lunar samples

1.1 短照中子活化分析

嫦娥五號樣品(CE5C0800YJFM003)和標準物質分別用萬分之一天平稱取，其中月壤稱取重量80.1 mg，分別密封于高純聚乙烯薄膜內待輻照。高純聚乙烯薄膜事先是用1∶3配比稀釋后的HNO3溶液浸泡1 d，然后用去離子水清洗、晾干。將待測樣品與標準物質一并裝入聚乙烯輻照盒，再通過CIAE-MNSR專用中子活化分析跑兔裝置將輻照盒傳輸到堆芯輻照位置開展短照中子活化分析實驗，具體實驗參數列于表1。

表1 短照中子活化分析實驗參數Table 1 Experimental parameters for short-time irradiation of INAA

1.2 長照中子活化分析

嫦娥五號樣品(CE5C0800YJFM002)和標準物質分別用萬分之一天平稱取，其中月壤稱取重量86.0 mg，分別封裝于事先用酒精清洗、晾干后的高純鋁箔內待輻照。長照中子活化分析實驗是在CIAE-SPR反應堆輻照孔道進行，高純鐵絲用于k0法比較器，Zr片用于監(jiān)測器。熱中子注量率為3.9 ×1013n·cm-2·s-1，熱中子和超熱中子注量率比Φth/Φepi為24，具體實驗參數列于表2。

表2 長照中子活化分析實驗參數Table 2 Experimental parameters for long-time irradiation of INAA

2 結果與分析

本次實驗利用CIAE活化分析實驗室專用分析軟件ADVNAA進行元素定量分析，采用標準物質(SRM2703、GBW07727，GBW07105，GBW07896、GSP2)進行質控，標準物質元素測量值與認證值在不確定度范圍內一致。元素測量結果與上世紀80年代CIAE活化分析實驗室測量的Apollo-17月壤樣品數據進行了對比，具體元素含量列于表3。

表3 嫦娥五號月壤樣品與Apollo-17樣品元素含量Table 3 Elemental contents of Chang’E-5 and Apollo-17 lunar samples

由表3數據可知，月壤中的Ti、Cr、Sc等元素含量比地球高很多，但Na，K等元素含量比地球低1個量級。Sr、Zr、Ba、Th、U以及稀土元素中的La、Ce、Nd等元素含量與上世紀80年代本實驗室測量的Apollo-17月壤樣品差別較大，如Th(Chang’E-5)/Th(Apollo17)比值達11.24，這可能與不同的月球采樣地點有較大的關聯，再次說明了我國嫦娥五號采集的月壤樣品彌補了此前美國Apollo月球采樣區(qū)域有限的不足，拓展了月壤樣品的代表性。此外，與上世紀80年代相比，本次實驗還給出了Au、Ir、K、W等元素的含量信息，為珍貴地外樣品的演化研究提供了更多的元素信息。

3 結論

本文利用儀器中子活化分析技術測量了嫦娥五號月壤樣品中39種元素含量。樣品測試完后原樣返回，整個測試過程沒有樣品損失，樣品還可以用于其他方法分析測試。由于月壤樣品非常珍貴，樣品的分析方法首先考慮非破壞的分析方法。儀器中子活化分析技術非破壞的特點使其相對于電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)等分析方法具有顯著的優(yōu)勢。

隨著探測器技術和電子學的進步，實驗室現有儀器設備與上世紀80年代相比，性能指標有很大提高。比如采用先進的電子學一體化數字多道譜儀和高探測效率和分辨率的HPGe探測器進行能譜測量。實驗室實現了不同幾何條件下全能峰效率、快中子閾反應干擾、裂變干擾、伽馬級聯符合效應等參量化，集成在k0法和相對法中子活化分析軟件ADVNAA中。此次嫦娥五號月壤活化分析實驗過程采用了多種標準物質進行質控，其中SRM2703、GBW07896、GBW07105等本實驗室都參與了元素分析和定值。另外，為了實現元素含量的準確定值，活化分析實驗室采用了元素標準溶液和高純金屬(或氧化物)溶解液滴定在無灰濾紙上，作為單元素化學標準。從而實現了對此次嫦娥五號月壤樣品中元素及元素含量精準的探測，為嫦娥五號月壤的深入研究提供重要的科學數據。

對于儀器中子活化分析未能測到的H、B、P、S、Si、O等元素，可結合反應堆瞬發(fā)γ中子活化分析裝置[6]以及快中子活化分析給出更多更全面的元素含量信息，為月球研究及月球演化提供豐富的科學數據。

致謝

特別感謝中國科學院國家天文臺提供的嫦娥五號月壤樣品，感謝中國原子能科學研究院微型中子源反應堆和49-2泳池堆提供的中子輻照，并對實驗期間反應堆運行和活化分析跑兔裝置操作人員表示感謝，感謝中國原子能科學研究院放射化學研究所楊磊等在實驗過程給予的大力支持，感謝中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所潘含江提供的幾種標準參考物質。