低豐度236U同位素質(zhì)譜測量值的校正

湯 磊,龍開明,劉雪梅

(中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川綿陽 621900)

鈾同位素是核技術(shù)及其應(yīng)用中的重要同位素之一,其測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否具有重要的意義。對于同位素比值的測量,熱表面電離質(zhì)譜(TIMS)是測量精度、準(zhǔn)確度最高的方法。低豐度同位素質(zhì)譜測量的干擾可來自雜質(zhì)或同量異位素及放大器引起的噪音信號和漂移,但弱峰周圍的強(qiáng)峰離子在管道內(nèi)沿著離子軌跡傳遞過程中,與殘存的中性粒子或管道內(nèi)壁碰撞引起的散射,會形成強(qiáng)峰拖尾,嚴(yán)重干擾弱峰的測量。由于236U豐度低,譜線處于235U和238U兩個大峰中間,易受干擾,難以準(zhǔn)確測量。如何準(zhǔn)確扣除強(qiáng)峰拖尾,對于236U的準(zhǔn)確測定至關(guān)重要[1-2]。對于大峰附近的低豐度小峰實現(xiàn)準(zhǔn)確精密測量,要求儀器具有較高的豐度靈敏度。豐度靈敏度的提高可采用以下解決方法:超高真空技術(shù);串列質(zhì)譜計技術(shù);在接收系統(tǒng)中加裝阻滯電位四極桿系統(tǒng)(RPQ)。其中,加裝RPQ是最直接有效的途徑,RPQ提供的電場,可起到離子光學(xué)透鏡的作用,將散射離子過濾掉。MA T-262質(zhì)譜儀的豐度靈敏度為10-6,加裝RPQ后其豐度靈敏度可達(dá)10-8,基本可以排除強(qiáng)峰拖尾干擾的影響。張舸等[3]報道了采用RPQ測量低豐度同位素。但是,目前國內(nèi)廣泛使用的同位素質(zhì)譜儀中,只有部分加裝有RPQ系統(tǒng)。

BGA校正測量程序是MA T-262質(zhì)譜儀的一項新功能,是一種在測量弱峰信號時對強(qiáng)峰拖尾進(jìn)行扣除的測量程序。本工作擬探索在沒有RPQ硬件條件下,如何通過測量軟件程序方法改善低豐度同位素測量的準(zhǔn)確度。

1 實驗方法

1.1 BGA校正方法

BGA校正方法是通過測量質(zhì)量數(shù)為235.5和236.5處的離子信號強(qiáng)度,將該兩處信號作為弱峰236U周邊強(qiáng)峰拖尾,在測量數(shù)據(jù)中進(jìn)行扣除,以達(dá)到對強(qiáng)峰拖尾校正的目的。采用鈾同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NBS U-500和NBS U-010(自配標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))ONBS U-500質(zhì)譜分析條件為電離帶電流5 815 mA,蒸發(fā)帶電流1 164 mA。NBS U-010的質(zhì)譜分析條件為電離帶電流5 906 mA,蒸發(fā)帶電流1 230 mA。USB U-010樣品2的質(zhì)譜分析條件為電離帶電流5 969 mA,蒸發(fā)帶電流1 954 mA;樣品13的質(zhì)譜分析條件為電離帶電流6 501 mA,蒸發(fā)電流1 875～2 200 mA。比較在不同同位素豐度情況下該方法的效果。

采用鈾的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜涂樣程序,涂樣量為2～6μg,加入磷酸作為穩(wěn)定劑。用雙帶測量,法拉第筒接收235U信號,離子計數(shù)器接收236U信號,采用峰跳接收方式,每測量11次同位素的豐度比為一個數(shù)據(jù)組。

1.2 動態(tài)本底扣除方法

中性粒子來源于離子在管道傳輸過程中與殘存氣體發(fā)生非彈性碰撞時引發(fā)的電荷轉(zhuǎn)移,由此產(chǎn)生的本底是時刻變化的,將其稱為動態(tài)本底。由于動態(tài)本底在小范圍內(nèi)各質(zhì)量數(shù)處是均勻分布的,基于此擬定了動態(tài)本底扣除方法。即采用多個法拉第筒同時接收的方式,以一個法拉第筒專門接收無峰處(選擇233質(zhì)量處)的信號,以這個信號測量值作為動態(tài)本底,對236U測量結(jié)果進(jìn)行同時刻本底校正。所分析樣品12的質(zhì)譜分析條件為電離帶電流5 832 mA,蒸發(fā)帶電流800～1 070 mA;樣品5的質(zhì)譜分析條件為電離帶電流6 070 mA,帶電流1 406～1 590 mA。

由于該方法需要采用法拉第筒同時接收方式,而法拉第筒只能接收大于1 mV的信號,故只能在236U豐度較大的情況下才能采用。NBS U-010標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中236U豐度較低,故只采用NBS U-500標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 BGA校正方法

采用鈾同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NBS U-500進(jìn)行BGA校正的實驗結(jié)果示于圖1。U-500標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)即235U含量接近于50%的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),標(biāo)稱值為 R58=0.999 7,R65=0.001 3。R65為未校正的測量平均值;＊R65為校正的測量平均值。由圖1結(jié)果計算得:R65=0.001 5,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.57%(n=32);＊R65=0.001 5,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.60%(n=32),由公式校正度=1-＊R65/R65,計算校正度為0.165%。此結(jié)果表明,BGA校正方法對NBS U-500的236U與235U原子數(shù)之比影響不大。原因在于在豐度差較小的樣品中,236U的含量較大,離子流較強(qiáng),受到強(qiáng)峰拖尾影響相對較小。

采用鈾同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品NBS U-010進(jìn)行BGA校正,結(jié)果示于圖2。由圖2結(jié)果計算得U-010標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)235U含量接近于1%,標(biāo)稱值為R58=0.010 1,R65=0.006 8。由圖 2可見,R65=0.006 9,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.38%(n=24);＊R65=0.006 7,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.87%(n=24),測量準(zhǔn)確度得到了提高。本實驗結(jié)果表明,BGA校正方法對于NBS U-010的測量影響較大,校正度達(dá)2.24%。這是由于在豐度差較大的樣品中,236U的含量較低,離子流較弱,受到強(qiáng)峰拖尾影響相對較大。

圖1 NBS U-500標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BGA校正實驗

圖2 NBS U-010標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BGA校正實驗●——R65;▲——＊ R65

采用自配標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)USB U-010進(jìn)行BGA校正,結(jié)果示于圖3。由圖3a可計算得樣品2的R65=0.006 9,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.26%(n=7);＊R65=0.006 7,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.31%(n=7),校正度為2.30%。由圖3b可計算得樣品13的R65=0.006 8,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.29(n=12);＊R65=0.006 7,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.39(n=12),校正度為1.98%。由此可見,BGA校正方法對于USB U-010的豐度比測量影響同樣較大,校正度可達(dá)2.30%。

2.2 動態(tài)本底扣除方法

U-500標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)動態(tài)本底扣除實驗結(jié)果列于表1。由表1可見,動態(tài)本底扣除方法對于NBS U-500標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) R65測量值影響較小,校正度只有0.060 2%和0.185 0%,在實際測量中可忽略。分析認(rèn)為,隨著質(zhì)譜儀器的不斷改進(jìn),本實驗室現(xiàn)有MA T-262質(zhì)譜儀的真空系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、分析系統(tǒng)等運(yùn)用了離子光學(xué)技術(shù)、超高真空技術(shù)及電子學(xué)等方面的新成果,可以有效地降低儀器的噪音和中性粒子等引起的本底,并且U-500標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中236U豐度相對較高,離子流強(qiáng)度較大,因此動態(tài)本底扣除方法沒有體現(xiàn)出明顯的校正效果。

圖3 USB U-010標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BGA校正實驗●——R65;▲——＊R65

表1 U-500標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)動態(tài)本底扣除實驗

3 結(jié) 論

在低豐度同位素236U質(zhì)譜分析中,采用BGA拖尾校正方法具有明顯的改善效果,可以作為本實驗室今后測量低豐度236U樣品的手段。動態(tài)本底扣除方法是針對MA T-262質(zhì)譜儀的特點(diǎn)設(shè)計的,但實驗結(jié)果表明其對低豐度236U的測量改善效果不明顯。

[1] 趙墨田.低豐度同位素質(zhì)譜分析法[J].質(zhì)譜學(xué)報,1994,15(1):10-15.

[2] 劉丙寰.質(zhì)譜學(xué)方法與同位素分析[M].北京:科學(xué)出版社,1983:284.

[3] 張舸,鄧輝,張春華.RPQ-IC檢測系統(tǒng)測量低豐度鈾同位素[J].質(zhì)譜學(xué)報,2004,25(3):160-162.