嫦娥五号月壤中子活化分析研究

姚永刚，肖才锦，王平生，孙 凯，鲍 杰，焦学胜，郭 冰， 张永保，彭 旦，张亚东，李春来，周 琴，陈东风

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.中国科学院 国家天文台，北京 100101)

2020年12月17日凌晨1时59分，嫦娥五号返回器携带月壤样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成，实现了探月工程三步走的最后一步——“回”。嫦娥五号月球探测器带回了44年来第一批新鲜的月球岩石和碎片样本，采样点位于风暴洋东北部的月海地区——这是月表最年轻的月海玄武岩区域，是此前美国和前苏联月球采样任务均未到达的采样纬度最高的新区域(经纬度为51.916°W,43.058°N)，该区域可能保留了月球最年轻的火山活动[1-2]。因此，我国嫦娥五号采集的月壤样品弥补了之前采样区域有限的不足，拓展了月壤样品的代表性，具有极其重要的科研价值。近期研究表明，嫦娥五号月壤样品玄武岩形成年龄为(20.30±0.04)亿年[3]，并排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说，揭示了月球晚期岩浆活动过程[4]。此外，对于采样地区的岩浆源区是否富含水，研究获得的结果为月幔源区的水含量仅为1～5 μg/g[5]。然而对月壤样品化学成分的精准测定, 有助于了解和探讨月壤的成因及其形成的物理化学条件,对进一步推导月球的演化历史模型有较大的意义和科学价值。以反应堆为中子源的中子活化分析(neutron activation analysis, NAA)是一种以核反应为基础的核分析技术，具有较低的探测极限、较高的选择性、高精密度和准确度，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[6-8]。

本文主要针对嫦娥五号任务获得的月球表面铲取样品，利用反应堆中子活化分析的高灵敏、多元素、非破坏等固有优势开展了主量元素、微量元素研究，使用兼容k0法和相对法的活化分析软件ADVNAA进行元素定量分析，获得了嫦娥五号月壤样品中39种主量和微量元素信息，并与1978年美国国家安全事务助理布热津斯基赠送给中国的礼物——Apollo-17号月壤样品元素成分数据[9]进行了对比。实验分析过程采用多种有证标准参考物质如沉积物标物SRM2703、玄武岩成分标物GBW07105以及GBW07727、GBW07896、GSP2等标物进行质控，确保嫦娥五号月壤样品分析的准确性和可靠性。

1 实验方法

因样品中不同元素(每种至少一种同位素)通过中子辐照后生成的待测放射性核素的半衰期不同，一般根据待测放射性核素需求采用不同的辐照时间、冷却时间和测量时间进行样品中子活化分析。本实验利用中国原子能科学研究院微型中子源反应堆(MNSR)开展了嫦娥五号月壤样品(图1中右图，编号CE5C0800YJFM003，重量100.08 mg)的短照中子活化分析实验，辐照时间为300 s，测量了Al、V、Mg、Ca、Ti、Dy、Na、K等元素；利用中国原子能科学研究院49-2泳池堆(SPR)辐照孔道开展了嫦娥五号月壤样品(图1中左图，编号CE5C0800YJFM002，重量99.97 mg)的长照中子活化分析实验，辐照时间为24 h，测量了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。实验中采用相对探测效率为60%和能量分辨率为1.85 keV@60Co(1 332.5 keV)的高纯锗探测器(HPGe, ORTEC)和一体化数字多道谱仪(DSPEC50, ORTEC)进行辐照后样品的γ能谱测量，最后采用中国原子能科学研究院兼容k0法和相对法的活化分析软件ADVNAA进行了元素定量分析。

图1 嫦娥五号月壤样品图Fig.1 Chang’E-5 lunar samples

1.1 短照中子活化分析

嫦娥五号样品(CE5C0800YJFM003)和标准物质分别用万分之一天平称取，其中月壤称取重量80.1 mg，分别密封于高纯聚乙烯薄膜内待辐照。高纯聚乙烯薄膜事先是用1∶3配比稀释后的HNO3溶液浸泡1 d，然后用去离子水清洗、晾干。将待测样品与标准物质一并装入聚乙烯辐照盒，再通过CIAE-MNSR专用中子活化分析跑兔装置将辐照盒传输到堆芯辐照位置开展短照中子活化分析实验，具体实验参数列于表1。

表1 短照中子活化分析实验参数Table 1 Experimental parameters for short-time irradiation of INAA

1.2 长照中子活化分析

嫦娥五号样品(CE5C0800YJFM002)和标准物质分别用万分之一天平称取，其中月壤称取重量86.0 mg，分别封装于事先用酒精清洗、晾干后的高纯铝箔内待辐照。长照中子活化分析实验是在CIAE-SPR反应堆辐照孔道进行，高纯铁丝用于k0法比较器，Zr片用于监测器。热中子注量率为3.9 ×1013n·cm-2·s-1，热中子和超热中子注量率比Φth/Φepi为24，具体实验参数列于表2。

表2 长照中子活化分析实验参数Table 2 Experimental parameters for long-time irradiation of INAA

2 结果与分析

本次实验利用CIAE活化分析实验室专用分析软件ADVNAA进行元素定量分析，采用标准物质(SRM2703、GBW07727，GBW07105，GBW07896、GSP2)进行质控，标准物质元素测量值与认证值在不确定度范围内一致。元素测量结果与上世纪80年代CIAE活化分析实验室测量的Apollo-17月壤样品数据进行了对比，具体元素含量列于表3。

表3 嫦娥五号月壤样品与Apollo-17样品元素含量Table 3 Elemental contents of Chang’E-5 and Apollo-17 lunar samples

由表3数据可知，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个量级。Sr、Zr、Ba、Th、U以及稀土元素中的La、Ce、Nd等元素含量与上世纪80年代本实验室测量的Apollo-17月壤样品差别较大，如Th(Chang’E-5)/Th(Apollo17)比值达11.24，这可能与不同的月球采样地点有较大的关联，再次说明了我国嫦娥五号采集的月壤样品弥补了此前美国Apollo月球采样区域有限的不足，拓展了月壤样品的代表性。此外，与上世纪80年代相比，本次实验还给出了Au、Ir、K、W等元素的含量信息，为珍贵地外样品的演化研究提供了更多的元素信息。

3 结论

本文利用仪器中子活化分析技术测量了嫦娥五号月壤样品中39种元素含量。样品测试完后原样返回，整个测试过程没有样品损失，样品还可以用于其他方法分析测试。由于月壤样品非常珍贵，样品的分析方法首先考虑非破坏的分析方法。仪器中子活化分析技术非破坏的特点使其相对于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等分析方法具有显著的优势。

随着探测器技术和电子学的进步，实验室现有仪器设备与上世纪80年代相比，性能指标有很大提高。比如采用先进的电子学一体化数字多道谱仪和高探测效率和分辨率的HPGe探测器进行能谱测量。实验室实现了不同几何条件下全能峰效率、快中子阈反应干扰、裂变干扰、伽马级联符合效应等参量化，集成在k0法和相对法中子活化分析软件ADVNAA中。此次嫦娥五号月壤活化分析实验过程采用了多种标准物质进行质控，其中SRM2703、GBW07896、GBW07105等本实验室都参与了元素分析和定值。另外，为了实现元素含量的准确定值，活化分析实验室采用了元素标准溶液和高纯金属(或氧化物)溶解液滴定在无灰滤纸上，作为单元素化学标准。从而实现了对此次嫦娥五号月壤样品中元素及元素含量精准的探测，为嫦娥五号月壤的深入研究提供重要的科学数据。

对于仪器中子活化分析未能测到的H、B、P、S、Si、O等元素，可结合反应堆瞬发γ中子活化分析装置[6]以及快中子活化分析给出更多更全面的元素含量信息，为月球研究及月球演化提供丰富的科学数据。

致谢

特别感谢中国科学院国家天文台提供的嫦娥五号月壤样品，感谢中国原子能科学研究院微型中子源反应堆和49-2泳池堆提供的中子辐照，并对实验期间反应堆运行和活化分析跑兔装置操作人员表示感谢，感谢中国原子能科学研究院放射化学研究所杨磊等在实验过程给予的大力支持，感谢中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所潘含江提供的几种标准参考物质。