高發(fā)射率碳-14 β源制備方法的研究

高 巖，王 念，史晨鐘，劉明陽，崔洪起

(原子高科股份有限公司，北京 102413)

近年來，隨著中國工業(yè)化的快速發(fā)展，空氣質(zhì)量也逐漸轉(zhuǎn)差，霧霾天氣逐漸增多[1-2]，尤其是PM 2.5顆粒的吸入對人體的健康非常有害[3]。我國環(huán)保部門非常重視對PM 2.5顆粒的監(jiān)測[4]，2012年2月GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》正式頒布實施，首次將PM 2.5列入環(huán)境空氣質(zhì)量必測項目之中。2008年美國環(huán)境保護署(EPA)第一次批準(zhǔn)了PM 2.5自動監(jiān)測方法為等效方法，并開始逐步應(yīng)用于國家監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中。截至2012年，通過美國EPA認證的自動監(jiān)測設(shè)備有11種，監(jiān)測方法主要有β射線法(聯(lián)用DHS)[5-6]、微量振蕩天平法(聯(lián)用 FDMS)[7]、光散射法[8]。這三種方法中，除光散射法外，都需要在濾膜上收集PM 2.5顆粒物才以實現(xiàn)其濃度的測量。微量振蕩天平技術(shù)對濾膜質(zhì)量的變化尤其敏感，當(dāng)空氣污染嚴重或濕度較大時，濾膜更換不及時會導(dǎo)致儀器故障。β射線自動監(jiān)測儀器能夠自動更換濾膜，從而有效地預(yù)防儀器故障，結(jié)合動態(tài)加熱系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測量PM 2.5的濃度。然而，β射線自動監(jiān)測儀器中使用的碳-14源發(fā)射的β粒子要求較高，其發(fā)射率至少要達到3×105s-1。碳-14 β標(biāo)準(zhǔn)源的常規(guī)制備工藝是通過有機合成法[9]，先制備14C的甲基丙烯酸甲酯單體[10]，然后通過聚合反應(yīng)生成甲基丙烯酸甲脂聚合物，將其涂在鋁底片上，做成有機薄膜源。該工藝制備的碳-14源發(fā)射的β粒子能量低、射程短、有機膜厚、產(chǎn)品自吸收大，適合做一些低發(fā)射率的標(biāo)準(zhǔn)源，不能滿足β射線自動監(jiān)測儀器的發(fā)射率要求，因此，研究高發(fā)射率碳-14 β源的制備工藝尤其重要。目前國內(nèi)外沒有關(guān)于碳-14高發(fā)射率放射源制備工藝的文獻報道，本研究組經(jīng)過不斷優(yōu)化實驗條件，總結(jié)出高發(fā)射率碳-14 β源的最優(yōu)制備工藝。將碳酸鋇、二氧化鋯、丙酮的混合液磁力攪拌后過濾吸附、塑封、裝殼，最終制備的碳-14 β放射源的β粒子表面發(fā)射率可達106s-1。工藝簡單、放射性核素利用率高、安全可靠。解決了β射線自吸收大、原料不易混合均勻、密封膜晃動的問題。

1 實驗材料

1.1 主要儀器與裝置

SU8020型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡：德國；碳-14測量儀：自制；LC-DMS-PRON1磁力攪拌器：力辰科技；721型可見分光光度計：上海儀電；過濾器：分為上下兩個部分，螺紋相連，自制；2.5 mL注射器：江蘇正康醫(yī)療器械有限公司

1.2 主要材料與試劑

Ba14CO3原料：放化純度(>99%)，比活度為284 mCi/g，美國；丙酮、無水乙醇：化學(xué)純，北京化學(xué)試劑公司；吸附膜：尼龍6，孔徑0.45 μm，直徑φ10 mm，天津津騰實驗設(shè)備有限公司；進口鍍鋁膜、國產(chǎn)PET鍍鋁膜、有機薄膜：聚酯薄膜作為基片，單片均勻涂抹EVA膠涂層；源殼：不銹鋼，自制。

2 實驗方法

2.1 放射源的制備

(1) 將一定量的Ba14CO3原料放入玻璃瓶中，加入適量丙酮，再加入磁子和ZrO2磨球，其中ZrO2磨球做為研磨介質(zhì)，用磁力攪拌器攪拌一定時間，攪拌后得到分布均勻的碳酸鹽粉末懸濁液。

(2) 用2.5 mL注射器取預(yù)定體積的碳酸鋇粉末懸濁液，并將所取預(yù)定體積的碳酸鹽粉末懸濁液注射進入過濾裝置(內(nèi)部置有一個吸附膜)，注射器將懸濁液全部注入過濾裝置后即完成過濾吸附，示意圖如圖1所示，打開過濾裝置，將吸附膜放置通風(fēng)櫥里3 min，得到放射性源片。

圖1 放射性源片吸附過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the radioactive source sheet adsorption process

(3) 取有機膜與PET鍍鋁薄膜，如圖2所示，將放射源載體放在有機膜與PET鍍鋁薄膜之間，用封膜機進行密封，裁剪得到源片。

圖2 放射性源片密封及裝殼示意圖Fig.2 Schematic diagram of radioactive source sheet sealing and installing in source shell

(4) 取一個放射源殼體，將所述源片封裝在放射源外殼中，得到高發(fā)射率的碳-14放射源。

2.2 混合攪拌實驗

用0.25 g非放碳酸鋇和40 mL丙酮進行混合，第一組不加磨球也不進行攪拌，在向丙酮中加入碳酸鋇后靜置30 min進行測量。第二組只進行攪拌不加磨球，攪拌4小時后靜置30 min進行測量。第三組在攪拌的同時加入磨球，攪拌4小時后靜置30 min進行測量。

2.3 阻擋規(guī)律實驗

取1 mCi Ba14CO3原料和33 mL丙酮加入到玻璃瓶中，放入Φ2 mm ZrO2磨球8枚、Φ4 mm ZrO2磨球3枚，然后加入轉(zhuǎn)子，攪拌30 min。用2.5 mL注射器取1 mL的碳酸鋇粉末(約30 μCi)懸濁液加入過濾裝置中進行過濾吸附，進行5次相同的操作得到5個放射性源片，測量其發(fā)射率。測量結(jié)束后進行密封裝殼，測量其發(fā)射率。取30 μCi的原料在不銹鋼托片上測量其發(fā)射率，進行五次相同的操作。

2.4 表面污染和泄露檢驗

采用上述方法制備10枚碳-14 β源,用酒精棉球輕擦源表面進行清洗去污。放置7天后用蘸有酒精的棉簽擦拭源的全部外表面進行表面污染和泄露檢驗，用液閃計數(shù)器測量棉簽上的放射性活度，測量結(jié)果<200 Bq為合格。

3 結(jié)果與討論

3.1 放射源的制備

3.1.1原料的選擇 目前常見的14C原料主要有碳酸鋇、碳酸鈉和碳酸鈣，三種常見原料的部分性質(zhì)對比見表1。其中碳酸鋇的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性良好，且價格相對低廉，綜合技術(shù)和經(jīng)濟兩方面考慮，最終選擇Ba14CO3作為碳-14 β源的原料。

表1 常見14C原料的來源及部分性質(zhì)的對比Table 1 Comparison of sources and some properties of common 14C raw materials

3.1.2溶劑的選擇 為使Ba14CO3能夠均勻分布在載體上，選擇將其制成懸濁液再進行定量吸附，由于溶劑本身會對β粒子形成阻擋，應(yīng)當(dāng)選擇易揮發(fā)的溶劑，同時還應(yīng)考慮毒性和安全性等指標(biāo)。通過對比十余種常見溶劑(見表2)，最終選擇揮發(fā)快且安全性有保障的丙酮作為溶劑。

表2 常見溶劑的性質(zhì)Table 2 Properties of common solvents

3.1.3密封方式的選擇 PET鍍鋁膜是通過真空鍍鋁工藝將一層薄薄的鋁原子堆積到優(yōu)質(zhì)PET薄膜上而形成的阻隔性薄膜，具有優(yōu)異的氣體和光線阻隔性以及良好的防潮、耐熱、耐穿刺性能。因此選用10 μm厚的PET鍍鋁膜做為密封膜。用吸附膜均勻的吸取Ba14CO3原料，封于有機薄膜與PET鍍鋁膜之間做成源芯，再將源芯密封在外殼中。

3.2 混合攪拌實驗

原料液的均勻度關(guān)系到制備的放射性源片的均勻性。磁力攪拌可以方便料液的取用，加入磨球可以降低原料顆粒的大小。因此選擇磁力攪拌，并向其中加入適量ZrO2磨球以提高產(chǎn)品的均勻性。由表3可以看出，使用磁力攪拌器后懸濁液的透過率降低，表明磁力攪拌明顯提高料液的均勻性，而加入磨球透過率進一步降低，表明均勻性更好。

將上述3種樣品干燥后放入低真空鍍膜機進行噴金，使其可以導(dǎo)電便于觀察，然后逐個放入掃描電鏡，在20 000倍的放大倍數(shù)下觀察其形貌特征并進行對比，由圖3掃描電鏡圖和圖4碳酸鋇顆粒的長度統(tǒng)計圖可以看出，攪拌前的碳酸鋇粉末顆粒較大，經(jīng)過磁力攪拌之后顆粒明顯變小，在加入磨球之后顆粒被進一步研磨變小。

表3 碳酸鋇懸濁液分光光度計實驗結(jié)果Table 3 Experimental results of barium carbonate suspension spectrophotometer

a——不攪拌；b——磁力攪拌；c——磁力攪拌加磨球圖3 碳酸鋇掃描電鏡圖a——no stirring； b——magnetic stirring；c——magnetic stirring with grinding ballFig.3 SEM of barium carbonate

a——不攪拌；b——磁力攪拌；c——磁力攪拌加磨球圖4 碳酸鋇粒子長度統(tǒng)計圖a——no stirring；b——magneticstirring；c——magnetic stirring with grinding ballFig.4 Statistics of barium carbonate particle length

3.3 阻擋規(guī)律實驗

采用自制的碳-14 β測量儀器在3 cm處進行測量，儀器的探測效率約為5%，表4是測量儀器所顯示的測量值。用10 μm密封膜密封的源片，儀器示數(shù)為12 878.8，放射源的β粒子實際發(fā)射率約為2.57×105s-1。吸附膜對β粒子的阻擋較為明顯，推測主要原因在于吸附膜粗糙表面上的多孔結(jié)構(gòu)使得部分14C原料在垂直方向上形成了堆積，上層的14C原料和周圍的吸附膜材料阻擋了部分β粒子的發(fā)射。加密封膜后，對β粒子的阻擋率在17%左右，在保證安全性能的同時并未對β粒子造成過度阻擋。本研究所生產(chǎn)的150 μCi的放射源發(fā)射率達1.1×106s-1，完全符合β射線自動監(jiān)測儀器的最高使用要求。

3.4 表面污染和泄漏檢驗

用檢驗設(shè)備300SL液閃計數(shù)器(Sn：2140415)，由表5可知，表面污染檢驗的最大值為25 Bq，結(jié)果遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)的200 Bq，因此可以證明用此方法制備的碳-14 β源密封性好。

表4 吸附膜阻擋規(guī)律實驗結(jié)果Table 4 Experimental results of adsorption film blocking law

表5 碳-14 β源表面污染檢驗結(jié)果Table 5 carbon-14 source surface pollution test results

4 結(jié)論

本文對高發(fā)射率碳-14 β源的制備方法進行了研究。以Ba14CO3為原料、丙酮為溶劑，采用過濾吸附法制備了放射性源片；隨后采用鍍鋁膜、有機膜對其密封，最后裝殼得到放射源。通過對混合攪拌、阻擋規(guī)律和表面污染與泄漏的一系列研究，結(jié)果表明，采用磁力攪拌加磨球的混合方式，鍍鋁膜、有機膜相結(jié)合的密封方法制備的碳-14 β源具有平行性好、密封性好、放射性核素利用率高、安全可靠、β粒子發(fā)射率達106s-1的優(yōu)點，可滿足β射線自動監(jiān)測儀器中對β粒子發(fā)射率的要求。