210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源的制備

朱 亨，陳細(xì)林，朱保吉，刁立軍，姚順和，邢 雨，郭曉清，姚艷玲，呂曉俠

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

隨著核技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，環(huán)境中放射性污染監(jiān)控也愈加重要，水體中放射性含量檢驗成為水質(zhì)理化檢驗中的一個重要項目。GB 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[1]中將水體中總α、總β放射性檢驗規(guī)定為強制性檢測內(nèi)容。GB/T 5750.13-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法-放射性指標(biāo)》[2]、HJ/T 898-2017《水質(zhì)-總α放射性的測定-厚源法》[3]等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了水體中總α放射性的厚源法測量方法。低本底α、β測量儀尤其是流氣式低本底α、β測量儀可大量應(yīng)用于上述標(biāo)準(zhǔn)檢驗工作。JJG 1100-2014《流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀檢定規(guī)程》[4]要求用210Po平面源檢定儀器的α探測效率(≥65%)，重復(fù)性(≤1.5%)和串道比(≤10%)本工作的目的為制備符合檢定規(guī)程要求的210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源。

210Po是一種純α衰變的核素，與241Am、239Pu等核素相比，因其α射線是單能的且無低能X射線，更適合用于基于流氣式正比計數(shù)器的總α、總β測量儀的檢定中串道比指標(biāo)的檢驗。210Po是鈾系衰變鏈中的衰變子體，發(fā)射α粒子能量為5.305 MeV，半衰期為138.4 d。210Po可從210Pb(半衰期22.3 a)β衰變至210Bi，再由210Bi(半衰期5.013 d)β衰變而來，也可通過核反應(yīng)如熱中子輻照鉍[5]、α束流轟擊209Bi靶[6]獲得，后續(xù)通過溶解鉍靶、液液萃取等步驟進行鉍釙分離，操作繁瑣。比較方便的方法是定期分離210Pb溶液中的210Po，這種方法可以滿足較長時間內(nèi)少量多次使用210Po的需求。

210Po平面源常用的制備方法有沉淀法和電化學(xué)方法。文獻報道的沉淀法有CuS微沉淀濾膜[7]、氯化亞錫還原沉淀釙[8]等方法。電化學(xué)方法包括電鍍法和自沉積法。電鍍法制源一般在不銹鋼片上進行電鍍[9]，可電鍍的核素有U、Ni等，自沉積法制源的放射性核素有U、Am、Pu等[10]。本工作介紹了一種基于銀底襯用自沉積法制備210Po平面源的方法，對制備的210Po平面源進行了性能測試。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與裝置

α譜儀：中國原子能科學(xué)研究院自主研制；MPC9604型流氣式低本底α、β測量儀：Ortec公司；2πα、2πβ表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置：中國原子能科學(xué)研究院自主研制；自沉積裝置：自制，由PET小瓶與沉積槽構(gòu)成，小瓶瓶身直徑45 mm，高60 mm，瓶口內(nèi)徑35 mm，瓶口外螺紋可與沉積槽內(nèi)槽通過螺紋配合；沉積槽：材質(zhì)為有機玻璃，截面示意圖示于圖1，由槽體(A)與底座(B)構(gòu)成，槽體中心有一內(nèi)徑25 mm貫通槽，槽體上部與小瓶緊密配合盛放母液，槽體下部與放置銀片(C)的底座緊密配合，使銀片與母液存在接觸面。

圖1 自沉積槽示意圖

1.2 主要材料與試劑

銀片：純度99.9%，外徑35 mm，厚度2 mm；210Pb溶液：1 mol/L硝酸體系，1 688 Bq/g，中國原子能科學(xué)研究院自制；硝酸、鹽酸、乙醇均為國產(chǎn)分析純試劑；蒸餾水：自制三重蒸餾水。

1.3 實驗條件

210Po在銀片上的自沉積過程中，鹽酸濃度對210Po自沉積速率影響不大[12]，加熱和攪拌能加快反應(yīng)的速率，考慮到實驗的安全性，選擇增加反應(yīng)時間來保證自沉積反應(yīng)程度。實驗均在室溫常壓下進行。

每種金屬元素都有一定的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢，在溶液中電極電勢高的金屬離子，可以將浸在溶液中電極電勢較低的金屬置換下來，而自身沉積于金屬的表面。這個過程不需要外加電勢，也稱為自沉積過程。如下列電極半反應(yīng)方程式(1)～(6)[11]所示，210Pb、210Bi、210Po三種放射系核素中，鉛的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為-0.126 3 V，鉍的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為+0.320 V，釙的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為+0.765 V，而銀的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為+0.799 6 V，正常情況下，210Po不能直接沉積于銀片上，但在鹽酸體系中，由于氯離子存在能與銀生成配合物，使溶液中的自由銀離子濃度降低，使銀的電極電勢降至+0.222 3 V，鉍的電極電勢降至+0.158 3 V，使釙的電極電勢高于銀的電極電勢，從而釙能夠自發(fā)沉積于銀表面，而鉛和鉍難以沉積于銀表面。因此，將銀片置入達成平衡的210Pb溶液中，在鹽酸條件下，210Po將自發(fā)沉積在銀片上。

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1.4 平面源制備方法

(1) 銀片預(yù)處理。用金相砂紙拋光銀片表面，至銀片一面光滑無劃痕，將銀片表面銀粉洗去后用沾稀硝酸溶液的脫脂棉花擦洗銀箔表面，再用蒸餾水漂洗干凈，干燥備用。(2) 取10 mL210Pb溶液于沉積瓶中，加入10 mL 1 mol/L的鹽酸，混勻備用。(3) 將銀片拋光面面向槽體，旋緊底座，再整體與小瓶旋緊配合。注意先使用盛蒸餾水小瓶保證無漏液情況出現(xiàn)，再使用盛210Pb溶液的小瓶進行實驗。自沉積裝置組裝完畢后，將小瓶倒立，使銀片拋光面與210Pb溶液接觸，室溫下自沉積24 h。(4) 自沉積結(jié)束后，將小瓶正立放置一段時間，從底座中取出銀片，用脫脂棉沾無水乙醇擦拭沉積面以外區(qū)域兩次，置于樣品盒中。210Pb母液仍置于小瓶中密封，待下次使用。

1.5 應(yīng)用測試

(1) 用α譜儀測量平面源的α能譜。(2) 用2πα、2πβ表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置測量210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源的坪區(qū)特性曲線，測量其表面發(fā)射率。(3) 用制得的210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源測試低本底α、β測量儀測量的探測效率(公式7)、α對β道的串道比(公式8)與重復(fù)性(公式9)。

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在實驗室正常溫度壓力下，將210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源置于自制小源盒中保存，平面源活性區(qū)域不與任何表面接觸。約300 d后，再次用其測試低本底α、β測量儀的重復(fù)性與α對β道串道比。

2 結(jié)果與討論

平面源活性區(qū)域為銀片中心直徑25 mm的圓形區(qū)域，能明顯觀察到中心區(qū)域有一圈稍顯灰暗的沉積痕跡。說明210Po正常沉積平面源上。

2.1 α能譜測量

測量自沉積制得的210Po平面源的α能譜如圖2所示。測量的α能譜中只有一個5.304 MeV的α峰，半高寬為23.92 keV，未發(fā)現(xiàn)210Pb、210Bi等雜質(zhì)核素的特征峰。

圖2 210Po平面源的α譜

2.2 α坪曲線與表面發(fā)射率

用2πα、2πβ表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置測量制得的210Po平面源的坪曲線，結(jié)果示于圖3。如圖3所示，坪區(qū)為0.8～1.8 kV，坪長1 000 V，平均每百伏坪斜為0.28%。在坪區(qū)選擇1.52 kV作為工作電壓測量210Po平面源的表面發(fā)射率，結(jié)果為2.565×104min-1(參考日期2019年1月3日)， 擴展不確定度為2.7%(k=2)，符合檢定規(guī)程對210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源表面發(fā)射率1.0×104～2.0×105min-1、擴展不確定度不高于3.0%(k=2)的要求。

圖3 多絲正比計數(shù)器測量平面源時的工作曲線

2.3 用平面源測試流氣式低本底α、β測量儀

用210Po平面源測試Ortec公司的MPC9604型流氣式低本底α、β測量儀，計算儀器的α探測效率、α對β道串道比以及重復(fù)性，結(jié)果列于表1。由表1可知，210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源的α對β道的串道比均小于3%，符合檢定規(guī)程中串道比小于10%的要求；測量重復(fù)性均低于1.5%，符合檢定規(guī)程中重復(fù)性低于3%的要求；儀器α探測效率達到77%，符合檢定規(guī)程中探測效率大于65%的要求。試驗表明研制的210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源可以用于流氣式低本底α、β測量儀的檢定工作。

在平面源存放約300 d后，再次用平面源測試MPC9604型流氣式低本底α、β測量儀，結(jié)果如表2所示。由表2可知，α對β道的串道比、α測量效率、重復(fù)性符合檢定規(guī)程要求。

表1 210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源測試流氣式低本底α、β測量儀結(jié)果(2019年1月29日)

表2 210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源測試流氣式低本底α、β測量儀結(jié)果(2019年11月23日)

3 結(jié)論

用自沉積法從210Pb溶液中制備210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源，經(jīng)α譜儀、2πα、2πβ表面發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)裝置和流氣式低本底α、β測量儀等實驗，結(jié)果表明制得的210Po標(biāo)準(zhǔn)平面源符合檢定規(guī)程要求，可以作為標(biāo)準(zhǔn)源檢定流氣式低本底α、β測量儀。