電刷鍍法制備大面積241Am放射源

喻正偉，葉宏生，林　敏，陳克勝 ，夏　文，徐利軍

1.中國原子能科學(xué)研究院 計(jì)量測試部，北京　102413；2.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京　100082

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電刷鍍法制備大面積241Am放射源

喻正偉1,2，葉宏生1,*，林敏1，陳克勝1，夏文1，徐利軍1

1.中國原子能科學(xué)研究院 計(jì)量測試部，北京102413；2.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京100082

摘要：以分子電鍍法制備放射源的技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電刷鍍技術(shù)，開展了電刷鍍法制備大面積241Am放射源的研究。和傳統(tǒng)的放射源制備方法相比，該方法突破了電鍍槽的限制，可以任意選擇源的活性面積，并且通過控制陽極鍍筆在陰極上作可控制的、有規(guī)律的二維往復(fù)移動(dòng)，克服了傳統(tǒng)電鍍中當(dāng)源的活性面積較大時(shí)難以保證電鍍源均勻性的缺點(diǎn)。成功制備了一批活性面積為100 mm×150 mm的大面積241Am放射源，研究了通電時(shí)間、電壓以及鍍液酸度對放射性核素241Am的沉積效率的影響，并對源的均勻性、牢固性進(jìn)行了評價(jià)。

關(guān)鍵詞：大面積放射源；分子電鍍；電刷鍍

*通信聯(lián)系人：葉宏生(1963—)，男，甘肅平?jīng)鋈耍┦?，研究員，主要從事放射性同位素分離及分析方法研究，E-mail: ysh622@ciae.ac.cn

隨著核技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，許多探測面積較大的表面放射性測量儀器被用于對放射性廢物治理和核設(shè)施退役等場所中大量存在的α、β表面沾污對象進(jìn)行檢測[1-2]。我國已研制出和引進(jìn)幾種大面積表面放射性污染測量儀，可用作地面、墻面、衣物等大面積放射性污染檢測[3-4]。為了能準(zhǔn)確給出其表面發(fā)射率或活度，所用的測量儀器必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)，因此就需要配備相應(yīng)的大面積標(biāo)準(zhǔn)源。

當(dāng)前報(bào)道的放射源制備技術(shù)多種多樣[5]，但其中只有漿化鋪樣法[6]和電沉積法可用于制備活性面積較大、源層較薄的平面狀放射源。漿化鋪樣法由于存在自吸收嚴(yán)重、沉積效率難以定量且源的均勻性和牢固性不夠等缺點(diǎn)，很難被廣泛應(yīng)用；電沉積法則很好地解決了上述難題，能夠制備出均勻性和牢固性好、自吸收小、可以定量沉積的放射源，唯一的不足就是源的活性面積一般較小，當(dāng)增大活性面積時(shí)，均勻性難以保證，且必須增加電鍍槽的尺寸，對加工技術(shù)的要求以及成本都大大提高。我國目前已開展的針對較大活性面積平面放射源的制備技術(shù)研究工作比較少，采用的都是電沉積法，如張維成等[7]報(bào)道了在異丙醇中將57Co電沉積到鋁片上制備核醫(yī)學(xué)中γ相機(jī)校準(zhǔn)用的大面積(活性面積直徑為320 mm)γ源，研究了電流密度、電鍍持續(xù)時(shí)間、料液酸度、陰陽極間距以及溫度對電鍍效率的影響，但只討論了直徑為145 mm(活性面積為165 cm2)的源的均勻性問題，對更大活性面積的源的均勻性問題未作研究；許書河等[8]報(bào)道了在硼酸-氯化鉀體系中在銅片上電沉積63Ni制備較大面積低能β源，采用網(wǎng)狀鉑陽極，提高了源的均勻性，但制備的源的尺寸僅為100 mm × 60 mm，活性面積只有60 cm2，不滿足大面積放射源的要求，由此可知，我國目前尚未研制出活性面積大于200 cm2且均勻性、牢固性滿足要求的大面積放射源，不能滿足我國對于大面積校準(zhǔn)用源的需求。本工作結(jié)合目前發(fā)展相對成熟的分子電鍍制源技術(shù)和新近快速發(fā)展的電刷鍍技術(shù)[9]，針對241Am核素，開展大面積α放射源的制備技術(shù)研究，為以后進(jìn)行更大面積平面標(biāo)準(zhǔn)放射源的制備技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　試劑

異丙醇、濃HNO3、NaOH，化學(xué)純，北京化工廠。

241Am溶液：將241Am溶于0.02 mol/L HNO3中，比活度為146.8 kBq/g，中國原子能科學(xué)研究院。

1.2　裝置

自主設(shè)計(jì)建立的大面積源制備裝置：包括循環(huán)供液系統(tǒng)、電刷鍍平臺、自動(dòng)平移裝置、鍍筆、計(jì)算機(jī)等，圖1為裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)中，將鍍液存在儲液槽中，利用蠕動(dòng)泵將鍍液輸送到鍍筆體的方形石墨陽極上，作為陰極的不銹鋼片固定在刷鍍平臺上，鍍筆體通過連接桿受控于自動(dòng)平移裝置，在計(jì)算機(jī)的操作界面上輸入程序，通過控制器傳到電動(dòng)平移臺，就可以控制鍍筆體做可控制的、有規(guī)律的二維往復(fù)移動(dòng)，采用密封性好的聚四氟乙烯邊框使鍍液在陰陽極之間保持一定的厚度，通過調(diào)節(jié)泵的速率可以控制鍍液循環(huán)的速度。根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，電場強(qiáng)度主要集中分布在石墨陽極和陰極之間，通電條件下，主要是在陰陽極之間的241Am發(fā)生電沉積，陰陽極之間以外的區(qū)域相對較少。通過該裝置即可突破電鍍槽的限制，也可以保證所制備的源的均勻性。

1——電源連線(Power line)，2——循環(huán)供液系統(tǒng)(Cycle liquid supply system)，3——自動(dòng)平移裝置(Automaticmoving device)，4——不銹鋼片(Stainless steel sheets)，5——儲液槽(Water cistern)，6——鍍筆體(Plating pen)，7——石墨陽極(Graphite anode)，8——刷鍍平臺(Brush plating platform)，9——連接桿(Connecting rod)圖1　大面積制源裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of the device

電源：電源采用高壓低流電源，適用于有機(jī)體系下的分子電鍍，電壓的可調(diào)范圍為0～5 000 V，電流的輸出范圍為0～200 mA，當(dāng)電壓輸出一定時(shí)，電流基本恒定，隨著電鍍的進(jìn)行，電流有小范圍波動(dòng)。

另外根據(jù)需要加工尺寸為170 mm×120 mm的不銹鋼片作為鍍片；0～5 000 V/0～200 mA高壓低流電源；電線若干。

1.3　實(shí)驗(yàn)原理

241Am是錒系元素，在水溶液中，其氧化-還原電位在氫的電位之后，因而它不能以金屬形式在陰極上析出。在通電條件下，在陰極上因氫離子還原而釋放出氫氣，結(jié)果在陰極區(qū)積累了大量的OH-，形成了pH較高的區(qū)域，Am的正離子與OH-形成氫氧化物，并沉積在陰極上。圖2為Am3+的電沉積過程示意圖。

圖2　Am3+的分子電沉積過程示意圖Fig.2　Schematic diagram of molecular plating of Am3+

電解241Am的硝酸溶液時(shí)發(fā)生的電極反應(yīng)如下：

Am4+形成氫氧化物的機(jī)理與Am3+相同。

1.4　實(shí)驗(yàn)方法

(1) 配制一定酸度的鍍液：取已知活度(A0=2 500～3 500 Bq)的241Am標(biāo)準(zhǔn)溶液于異丙醇中，加入一定比例的硝酸和水，配置成不同酸度的鍍液，為了控制鍍液的成分，加入的241Am標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積很小，可以忽略對整個(gè)鍍液體系的影響，因此采用稱量方法、每次加入的241Am標(biāo)準(zhǔn)溶液的活度并不一樣。

(2) 選擇不銹鋼片進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)拋光，通過特殊的遮蔽、絕緣處理保證不銹鋼片的實(shí)際電鍍面積為150 mm × 100 mm，用去離子水、異丙醇清洗干凈，晾干備用。

(3) 將鍍液轉(zhuǎn)入儲液槽，將處理好的不銹鋼片固定到刷鍍平臺上，調(diào)節(jié)鍍筆，使陰陽極之間的距離為10 mm，接通電源。

(4) 開啟循環(huán)供液系統(tǒng)，打開計(jì)算機(jī)，調(diào)出自動(dòng)平移裝置的應(yīng)用軟件，打開編寫好的程序，讓陽極按照預(yù)定的路徑移動(dòng)起來。

(5) 給兩極之間加電壓，241Am的電沉積過程開始。

(6) 計(jì)算電沉積效率：將制備好的電沉積源進(jìn)行測量，得到源的活度值A(chǔ)1，其結(jié)果可溯源到2πα、2πβ表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置。測得的源的活度值A(chǔ)1除以加入的241Am標(biāo)準(zhǔn)溶液的活度值A(chǔ)0，得到電沉積效率，即電沉積效率E=A1/A0。

2結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)以分子電鍍?yōu)榛A(chǔ)，借鑒了工業(yè)電刷鍍技術(shù)的思想，形成了一套新的制備α放射源的方法，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 設(shè)計(jì)了陽極可以移動(dòng)的電刷鍍平臺，突破了分子電鍍中電鍍槽的限制，相對于傳統(tǒng)電鍍固定電鍍槽的方法來說具有靈活性，既減少了成本，又降低了加工的難度，實(shí)驗(yàn)中選擇的活性面積為100 mm × 150 mm，利用自主設(shè)計(jì)建立的大面積源制備裝置，可根據(jù)需要增大尺寸，在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)；(2) 實(shí)驗(yàn)中陰陽極之間有一個(gè)相對運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)過程是可以精確控制的，當(dāng)固定陰極后，可以設(shè)定陽極的移動(dòng)速率、路徑等條件以準(zhǔn)確控制陽極相對陰極的移動(dòng)，從而保證源的均勻性。另外由于采用這種可移動(dòng)的陽極，也方便對發(fā)射率低的地方進(jìn)行補(bǔ)鍍，這也是傳統(tǒng)電鍍制源方法中無法實(shí)現(xiàn)的。

用電刷鍍法制備大面積241Am放射源，源的沉積效率、均勻性、牢固性等會受到諸多因素的影響，如通電時(shí)間、鍍液的酸度、電壓的大小、陰陽極之間的距離、循環(huán)液流速、鍍液含水量等。本方法應(yīng)用了分子電沉積的基本原理，主要研究通電時(shí)間、酸度、電壓三個(gè)影響因素，而陰陽極之間的距離、鍍液含水量則按照文獻(xiàn)值來確定[10-14]。另外，值得一提的是循環(huán)液流速的選擇，因分子電沉積在很短的時(shí)間內(nèi)完成，所以流動(dòng)的鍍液對沉積效率的影響不明顯，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)合適的流速，既保證鍍液維持在一定的溫度，又不至于揮發(fā)過快而造成大量損失。

2.1　電刷鍍時(shí)間的影響

在電壓、極間距、鍍液酸度等條件保持不變的情況下研究了沉積效率隨電刷鍍時(shí)間變化的關(guān)系，結(jié)果示于圖3。由于本工作具有一定的開創(chuàng)性，缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，難以很快找到沉積效率很高的條件，因此著重關(guān)注沉積效率隨電刷鍍時(shí)間變化的趨勢。圖3中縱坐標(biāo)為241Am的沉積效率，橫坐標(biāo)為通電時(shí)間，最大沉積效率為46.1%。盡管沉積效率的絕對值不夠高，但也能反映其隨時(shí)間變化的趨勢。

圖3　沉積效率隨時(shí)間變化趨勢圖Fig.3　Effect of plating time on deposition efficiency

由圖3可以看出，時(shí)間是影響沉積效率的一個(gè)重要因素。如果時(shí)間很短，多數(shù)放射性核素沒有發(fā)生沉積，沉積效率很低，隨著通電時(shí)間的延長，沉積效率也相應(yīng)增大。由于實(shí)驗(yàn)中采用異丙醇為電鍍介質(zhì)，而異丙醇容易揮發(fā)，如果時(shí)間太長，異丙醇揮發(fā)會使鍍液體系發(fā)生改變，引入更多不易控制的因素，綜合考慮各種因素，推薦沉積時(shí)間為30～40 min為宜。

2.2　電壓的影響

在電刷鍍的過程中，電流密度的大小對沉積效率具有關(guān)鍵性的影響。在陰陽極之間的距離固定、石墨陽極的大小也一定的情況下，由于電極是浸沒在鍍液中，當(dāng)鍍液體系不發(fā)生明顯改變時(shí)，兩極之間的電流密度可以近似看作是穩(wěn)定的，當(dāng)電壓恒定時(shí)，電流相對穩(wěn)定，因此實(shí)驗(yàn)中用加在陰陽極之間電壓的大小來表征電流密度的影響。保持鍍液酸度、陽極移動(dòng)速率、極間距等條件不變，每次通電時(shí)間設(shè)定為30 min，結(jié)果示于圖4。由圖4可以看出，在電刷鍍開始的一段時(shí)間內(nèi)，沉積效率隨電壓的增加而增大，當(dāng)電壓為400～1 100 V時(shí)，沉積效率趨于穩(wěn)定，波動(dòng)不是很大，圖中最大沉積效率為80.1%。當(dāng)加大電壓時(shí)，由于電流的增大，發(fā)熱現(xiàn)象比較明顯，使得異丙醇揮發(fā)，這樣會影響鍍液體系的穩(wěn)定性，因此選擇電壓為400 V，既能保證一定的電沉積效率，又能減少鍍液的揮發(fā)損失。

圖4　沉積效率隨電壓變化趨勢圖Fig.4　Effect of voltage on deposition efficiency

2.3　酸度的影響

在探究鍍液的酸度對沉積效率的影響時(shí)，其他條件保持不變，控制鍍液為500 mL，分別加入配制好的硝酸溶液2.00 mL，濃度分別為0.005、0.01、0.02、0.05、0.08、0.10 mol/L，原始鍍液的pH值分別為4.7、4.4、4.1、3.7、3.5、3.4，結(jié)果示于圖5，最大沉積效率為3.8%，這是因?yàn)樵谧鏊岫扔绊憣?shí)驗(yàn)時(shí)，沉積時(shí)間選擇較短，為10 min，電壓為300 V，此時(shí)大部分241Am還沒有開始沉積。但從圖5仍然可以看出變化趨勢，加入的硝酸濃度為0.08 mol/L(pH=3.5)時(shí)沉積效率出現(xiàn)最大值，酸度增大或減小沉積效率都降低。

圖5　沉積效率隨酸度變化趨勢圖Fig.5　Effect of nitric acid on deposition efficiency

2.4　均勻性及牢固性檢驗(yàn)

設(shè)定電壓為400 V，鍍液的初始pH為3.5，即在500 mL鍍液中加入0.08 mol/L的硝酸溶液2.00 mL，電沉積時(shí)間為30 min，電極間距為10 mm，鍍液含水量約為5%，制備了一批活性面積為100 mm×150 mm的大面積源，對制備的源隨機(jī)抽取了5塊進(jìn)行均勻性檢測，結(jié)果列于表1。

源的均勻性檢測方法：用有機(jī)玻璃材料設(shè)計(jì)加工用于測量源的均勻性的源架，源架最上面的一塊板上沿長方形對角線上有九個(gè)小窗，每個(gè)窗的面積為6 cm2，當(dāng)從下面插入源片后，這九個(gè)小窗在源的活性區(qū)內(nèi)的投影在源的對角線上，測量時(shí)，每測量一個(gè)小窗的計(jì)數(shù)，應(yīng)將其它的小窗用紙片擋住，這樣就能夠測量整個(gè)活性區(qū)對角線上的九個(gè)點(diǎn)的計(jì)數(shù)率。設(shè)第i個(gè)窗單位面積的計(jì)數(shù)率為Ci，則均勻性(u)由以下公式計(jì)算：

在隨機(jī)選取的5塊源中，所得u值均在10%以下，說明均勻性已基本滿足要求。

表1源的均勻性抽樣檢測結(jié)果

Table 1Results of uniformity of the prepared sources by random testing

計(jì)數(shù)率(Countingrate)/min-112345678910平均(Average)u/%752.3722.7721.7758.7754.3769.7726.3717.0714.7621.0725.95.76527.7571.7610.7522.7518.7616.0657.7617.3637.3650.0593.09.01704.3715.7771.7749.3713.3684.3755.0781.3710.7731.0731.74.32702.3866.0807.3865.7777.7703.0799.7857.7796.0775.7795.17.48659.7731.0790.0760.0738.3684.0788.7787.3820.3736.3749.66.69

放射源在制備完成以后，用棉花沾上異丙醇擦拭，擦拭完以后用異丙醇沖洗，再去測量。重復(fù)以上操作，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)率基本保持不變，說明源的牢固性較好。

2.5　源的制備

在電壓為400 V、鍍液的初始pH為3.5、電沉積時(shí)間為30 min，電極間距為10 mm，鍍液含水量約為5%的條件下，制備了一批活性面積為100 mm × 150 mm的大面積源，活度值為1 500～2 400 Bq，241Am鍍層厚度為：0.08～0.13 ng/ cm2，均勻性好，偏差在10%以內(nèi)，牢固性滿足需求，可以作為大面積校準(zhǔn)源使用。

3結(jié)論

根據(jù)條件實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 時(shí)間是影響沉積效率的一個(gè)重要因素，隨著通電時(shí)間的延長，沉積效率也相應(yīng)增大。值得注意的是，在電刷鍍過程中由于發(fā)熱等因素會導(dǎo)致異丙醇的揮發(fā)，因此在選擇通電時(shí)間的時(shí)候一定要充分考慮，合理選擇；

(2) 傳統(tǒng)分子電鍍中隨著電流密度的增大，沉積效率會增大，但當(dāng)電流密度增大到一定程度之后，沉積效率趨于穩(wěn)定，本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)電壓較低時(shí)，沉積效率隨電壓的增加而增大，當(dāng)電壓在400～1 100 V之間時(shí)，沉積效率趨于穩(wěn)定，由于實(shí)驗(yàn)的基本原理還是分子電鍍，因此二者在結(jié)果上一致；

(3) 鍍液最佳酸度為初始鍍液的pH≈3.5，酸度偏大或偏小都會影響沉積效率。

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Preparation of Large-Area241Am Source Using Brush Plating

YU Zheng-wei1,2, YE Hong-sheng1,*, LIN Min1, CHEN Ke-sheng1, XIA Wen1, XU Li-jun1

1.China Institute of Atomic Energy, P. O. Box 275(20), Beijing 102413, China;

2.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection

of the People’s Republic of China, Beijing 100082, China

Abstract:Based on the molecular plating and brush plating technology, a new method for preparing large-area241Am source was developed. Compared with the traditional molecular plating, it broke through the restrictions of plating tank so that the active area of the source could be increased; and also, the automatic 2D travelling equipment resolved the problem of uniformity of large-area source through the controllable and well-regulated movement to and fro. Some sources were prepared to explore some experimental conditions such as time, voltage, and the acidity of solution that influenced the deposition efficiency of241Am. The uniformity and firmness of sources were also discussed.

Key words:large-area source; molecular plating; brush-plating

作者簡介：喻正偉(1983—)，男，湖北宜昌人，碩士，工程師，從事放射性同位素分離及分析方法研究

修訂日期：2015-01-08

收稿日期：2014-05-13；

doi：10.7538/hhx.2015.37.03.0166

中圖分類號：TL929

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0253-9950(2015)03-0166-05