嫦娥五号返回舱安全着陆，带回的月球土壤样品首次实现了我国地外天体采样。对于如此珍贵的月壤样品，如何才能非破坏地高精度地检测样品成分呢？

答案是采用中子成分检测技术。该技术在不破坏月壤样品的情况下，准确测定了月壤样品中40多种元素的含量。近期，央视新闻频道详细报道了月壤样品的首批检测成果，为我国后续月球探测与资源开发利用提供了重要的基础数据[1]。

图1 月壤样品采集（图片来自网络）

一、中子的成分检测是什么

中子是组成物质世界的基本粒子。中子成分检测是以一定能量和流强的中子轰击试样中元素的同位素发生核反应，通过测定产生的瞬发伽玛或放射性核素衰变产生的射线能量和强度（主要是伽玛射线），进行物质中元素的定性和定量分析。中子成分检测具体反应过程如图2所示。

备注：复合核与放射性核均为处于激活状态的原子核

二、中子的成分检测有多少种?

中子成分检测主要具备如下特点：

1、灵敏度高：中子成分检测可对元素周期表中的80余种元素进行分析，灵敏度在10^-6 ~10^-14g之间；

2、 精度高：中子成分检测是痕量分析中准确度相当高的一种方法，精度可达1%；

3、 多元素同时分析：可对同一种样品中的四十种元素同时进行分析和测定；

4、无需定量分离：避免了痕量分析中定量分离操作的困难，且不会造成试剂污染；

5、非破坏分析：穿透深度大，在考古、艺术鉴赏等非破坏分析领域具有特殊优势；

6、 基体效应小：可以对化学性质非常接近的元素进行分析，如稀土元素分析；

7、分析速度快：与计算机结合可实现实时在线检测[2]。

实现成分检测的技术很多，主要有两种类型，一种是离线采样并通过实验室测定的实验分析方法，另一种是利用仪器在线非破坏性连续测定的分析方法。在线非破坏性成分检测技术中，常用的有中子成分检测、X射线荧光光谱分析、红外光谱分析等，中子与其他手段相比，具有突出的优势，如下表所示：

表1常见在线非破坏性成分检测技术对比表

三、中子成分检测有何用？

中子成分检测可广泛应用于水泥、煤炭、冶金等工业物料的成分检测、公共场所（如机场、地铁、海关等）毒品爆炸物等危险品安检、土壤和水体污染核素监测、生物样品成分检测、地质勘探、地雷检测、考古、核材料与放射性废物检测等，是环境科学、生命科学、新材料等领域基础研究的重要检测工具。下文着重介绍中子成分检测在水泥、煤碳和安检行业的应用。

（1）水泥检测

我国水泥产量已连续26年居世界第一，随着产能过剩和原材料价格波动对水泥企业带来的压力，多位水泥行业资深人士提出水泥厂的转型和创新需要依靠生产设备的改造，改造要突出信息化和工业化的“两化融合”的观点[3]。水泥厂设备信息化需要水泥成分在线检测设备为水泥厂提供实时在线数据支持。

传统的水泥生产主要包括石灰石破碎、生料制备均化、熟料烧成、水泥粉磨包装等过程，生料配料方式，人为因素影响较大、化验周期长、检测结果滞后严重、无法自动适应物料性质的变化，导致生料质量不稳定等缺点。为了解决上述问题，水泥生产过程中需要石灰石入厂前生料均匀化控制、熟料检测、水泥配料控制等工序中进行在线中子成分检测。具体如下：

图3 增加成分检测环节的水泥生产流程图

1、生料均匀化控制：石灰石矿山成分波动较大，地质构造复杂，为了得到一个批次组成与性能比较均匀一致的，符合水泥质量管理规定的高质量水泥产品，需要对石灰石等生料进行均匀化处理。均匀化过程中，采用实时在线中子成分检测技术，实时对破碎的石灰石进行分析，检测配矿执行情况，可对不同开采区进行合理搭配指导配矿，实现均匀化开采，稳定入厂石灰石质量，调配合格后直接入库，避免建立占地面积广、费用高昂的预均匀化堆场，降低生产成本。

        2、 熟料检测：出窑熟料成分，包括SiO2、Al2O2、Fe2O2、CaO、MgO等氧化物以及碱、硫、氯的含量等对于熟料质量有显著影响。利用中子成分检测技术，检测出窑熟料成分，优化风、煤、料的协调平衡操作，对稳定熟料质量，节能降耗，提高生料在烧制过程的产能具有重要意义。

        3、 水泥配料控制：熟料冷却后要添加石膏等其他原料，利用传统手段检测原料成分波动，检测结果滞后，配方控制能力差，直接影响最终成品水泥质量。通过中子成分检测技术，实时监视其他原料的成分数据，跟踪原料成分波动，使水泥成分稳定在指标设定范围内。

        水泥生产企业常用的成分检测方法主要是X射线荧光光谱分析和中子成分检测。X射线荧光光谱分析须经过取样、烘干、筛分、研磨、制样等一系列繁杂的样品前处理过程,几个小时之后才能得到分析结果，数据结果有很大的滞后性。通过中子成分检测，水泥生产企业可获取水泥生产设备信息化所需的在线实时数据支撑，辅助水泥配料系统自动控制调整原料配比，提高成品水泥质量，实现水泥企业创新与转型。

（2）煤碳检测

我国煤炭需求量、产量多年持续世界第一，煤炭资源储备丰富，分布地域广，煤质差异较大。全世界有近 1/2 的煤是从中国的地底下挖掘出来的，但煤炭资源人均占有量远低于世界平均水平。作为一个能源紧缺的国家，能源浪费却十分严重，单位能耗所创造的财富远远低于发达国家[4]。特别是在煤炭的生产、使用过程中，由于缺少必要的煤质成分在线检测手段，大量的煤炭被盲目利用。一方面大量的优质煤被低效燃用，没有发挥更大的作用；另一方面需要用优质煤的地方，又由于煤质检测的不准确、不及时，使用了劣质煤，给生产和设备带来了极大的不利，甚至造成严重的设备破坏和环境污染[5]。

对于上述问题，中子成分检测技术在技术成熟度、功能全面性、现场适用性等方面均适合原煤开采企业和燃煤企业煤质多指标（包括灰分、硫分、水分、SiO2含量等）同时分析的工况，具体如下：

1、 出场煤分类：原煤在开采过程中混入了许多杂质，不同品质的煤炭混在一起。煤炭出场前需要对原煤进行中子成分检测，对不同品质煤进行分类堆放、存储及使用。在进一步加工之前去除无商业价值的劣质煤炭，降低生产成本，提高煤的利用率，进而提升企业效益[6]。

2、  入炉煤配比：入炉煤炭煤质变化会造成锅炉出力不足，热损失较大，锅炉结焦、积灰、熄火和放炮等情况发生，严重影响燃煤锅炉等设备的安全经济运行。燃煤入炉前进行中子成分检测，有利于根据煤质变化，进行适当的燃烧结构调整，主动解决工艺不稳定问题。同时，对原煤中常量、微量及有害元素的含量进行检测，通过分析入炉煤质，配合智能配料系统，减少及控制有害气体、SOx、NOx排放，减少环境污染。

图4 增加成分检测环节的煤炭生产流程图

原煤开采企业和燃煤企业现普遍采用实验室成分检测和X射线荧光光谱分析，要经过采样等环节，检测需要较长的时间。在煤种变化较大的情况下，企业无法实时通过掌握的煤质成分数据，及时进行必要的运行调整以及采取相应的措施，造成严重的后果[6]。通过中子成分检测技术，原煤开采企业和燃煤企业可以及时获取煤质成分、特性的分析与诊断信息，满足对不同煤质的分类堆放与配煤需求，及时发现煤质波动，实现煤种与锅炉燃烧的动态耦合，进而为用户生产过程的安全经济运行提供重要的保障。国内外中子成分检测在煤炭领域中已逐步进行应用，未来将具有巨大的应用推广空间。

（3）安检

全球范围内恐怖袭击与毒品走私事件不断增加，犯罪分子利用行李或邮包开展炸弹袭击和贩毒的事件时有发生，仅2019年全球公开报道的恐怖袭击丧生人数超过2万，毒品滥用丧生人数近60万[7]。我国港口货物量、快递业务量居世界第一，人员流动量大，针对利用行李或邮包藏爆和藏毒的检测越来越成为一项具有挑战性的任务。

根据《中子探测技术在安全检查中的应用》一文的总结[8]，目前应用于爆炸物与毒品现场检测的技术手段主要有：

        1、  金属探测技术：主要采用电磁场原理来探测爆炸物中金属部件及雷管等发火装置上的金属元件和电池等，从而实现对爆炸物的探测。由于爆炸物制作工艺和技术水平的提升，现在爆炸物中的金属部件越来越少，液体炸药和塑料炸药的出现，使得单一的金属探测手段已经无法满足日益隐蔽化和多样化的爆炸物探测实战需要。

        2、X 射线成像技术：可以对不同物品的密度进行分辨，对毒品藏匿具有显著排查效果，但无法识别物品的元素种类。另外，很多爆炸物密度与常见生活用品接近，只从密度上探测爆炸物会经常发生漏检和虚警现象，需要进一步开展开箱检测，检测效率低下。

        3、 化学蒸汽\颗粒分析技术：通过对可疑物体或人员表面进行擦拭取样后，对试样汽化后进行分析，也可以直接对环境气体进行取样分析。但是该技术对于密封严实或蒸汽压不高的爆炸物和毒品，探测效果不显著。

        4、 中子成分检测技术：通过对物品中元素激活后发射的特征射线进行检测，识别货物内部元素的种类及其含量比。相比于上述检测手段，中子成分检测技术能够很好的识别物体中的C、O、N等元素，进而自动高效地检测出爆炸物、毒品、麻醉剂、酒精等其他有害物质。

通过中子成分检测技术，公安、海关以及日常安检工作人员可以对物品进行非接触式探测，从而实现对炸药、毒品、酒精和其他有机物的快速准确区分，提高针对爆炸物和毒品的检出率、降低安检误报率、减少人工开箱加快检测速度。目前该技术正在海关、港口、公路物流等领域逐步推广[8]。

四、中子成分检测发展趋势如何？

目前中子成分检测设备按照中子源的类型主要分为两大类：基于反应堆中子源和大型加速器中子源的大型中子成分检测设备、基于同位素中子源和中子发生器的小型中子成分检测设备。

反应堆中子源具有中子通量高、热中子慢化率高等特点，因而对物质成分分析精度较高。大型加速器中子源可在较小的体积内产生较高的中子通量，能提供的中子能谱更为宽广，伽马本底低，且不像反应堆要使用昂贵的核燃料。但是，反应堆中子源和大型加速器中子源的建设成本和运行成本都比较高，固定安装，无法在工业现场进行原位检测，需要取样制样[10]。

同位素中子源具有分析快、体积小、安装运输容易、随时可以测量，无需等待、制备简单等优点，目前工业检测用同位素中子源通常为锎（Cf-252）源。但这种中子源在非工作时间不能关断中子源，设备使用、维护和管理不方便[11]，同时可能会造成一些放射性物质泄漏，产生放射性危害。此外，当前我国锎源完全依靠进口，价格逐年增加。这些问题成为制约基于同位素中子源的中子成分检测设备进一步推广的因素。

中子发生器相较于同位素中子源，具有中子产额高且可控、产生单能中子、测量精度高等优点。中子发生器可以关断，关断后不产生放射性，对于元素成分在线检测装备的安装、移动和维护，具有一定的优势。基于同位素中子源和中子发生器的小型中子成分检测设备在近几年得以迅速发展。据国际原子能机构IAEA在《Neutron Generators for Analytical Purposes》一书中明确表示，欧美发达国家都在大力发展中子成分检测技术，目前已逐步采用可控的中子发生器代替同位素中子源开展实时中子成分在线检测，相关设备种类繁多。我国及国际中子成分检测设备市场均处于加速发展阶段，具有巨大的市场潜力。