90Sr的加速器質(zhì)譜測(cè)量技術(shù)研究

何 明，趙慶章，張文慧，何洪鈺，劉建成，胡 畔，武紹勇

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

半衰期為28.8 a的90Sr是鈾和钚的主要裂變產(chǎn)物，裂變產(chǎn)額約4%。環(huán)境中的90Sr主要來(lái)源于反應(yīng)堆、后處理、核試驗(yàn)等過(guò)程。90Sr與134Cs、137Cs、131I等被認(rèn)為是核廢物中對(duì)健康影響最重要的核素。此外，90Sr在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用前景[1]。

90Sr的測(cè)量方法一般有放射性測(cè)量和質(zhì)譜測(cè)量?jī)煞N方法。放射性測(cè)量方法一般是利用液體閃爍探測(cè)器對(duì)90Sr發(fā)射的0.546 MeV的β射線進(jìn)行測(cè)定。然而由于β射線的連續(xù)譜使得其很難與其他β衰變核素區(qū)分開(kāi)，因此需利用放化分離方法將90Sr與其他放射性核素進(jìn)行分離。另一種放射性測(cè)量方法是對(duì)90Sr的衰變子體90Y進(jìn)行測(cè)量，它的β射線能量為2.28 MeV，有利于提高測(cè)量靈敏度，此方法對(duì)90Sr的探測(cè)限為幾個(gè)mBq[2-3]，但此方法需放射化學(xué)分離兩周后，在90Sr和90Y建立放射性長(zhǎng)期平衡后才能進(jìn)行測(cè)定。此外，由于90Sr的半衰期為28.8 a，每個(gè)樣品的測(cè)量時(shí)間需幾小時(shí)甚至幾天。因此，復(fù)雜的放射化學(xué)分離和耗時(shí)的測(cè)量過(guò)程是90Sr放射性測(cè)量的主要局限。

為提高樣品的測(cè)量時(shí)效，發(fā)展了90Sr的質(zhì)譜測(cè)量方法。質(zhì)譜技術(shù)是對(duì)90Sr的原子進(jìn)行直接測(cè)量，幾分鐘可完成1個(gè)樣品的測(cè)定；同時(shí)，其他放射性核素不會(huì)對(duì)90Sr的測(cè)量產(chǎn)生干擾(即使在放射性平衡條件下，90Y的原子數(shù)也僅為90Sr的0.6%，可忽略90Y的貢獻(xiàn))，簡(jiǎn)化了樣品放射化學(xué)分離流程，滿足大量樣品的快速測(cè)定。但質(zhì)譜測(cè)量時(shí)分子離子(88SrHH、89YH等)、同量異位素離子(90Zr)以及同位素離子(88Sr)是限制其探測(cè)限的關(guān)鍵因素。目前主要采用電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)進(jìn)行90Sr測(cè)定[4-6]。雖然ICP-MS發(fā)展了在線反應(yīng)池的方法以降低干擾本底，但I(xiàn)CP-MS對(duì)90Sr的探測(cè)限約30 mBq。

加速器質(zhì)譜(AMS)由于離子能量和質(zhì)量分辨高，可有效排除分子本低和同位素本底，同時(shí)也具有同量異位素的鑒別能力，有利于提高90Sr測(cè)量靈敏度。國(guó)際上一些AMS實(shí)驗(yàn)室則相繼開(kāi)展了90Sr的測(cè)量方法研究[7-10]，國(guó)內(nèi)目前尚未利用AMS開(kāi)展90Sr的相關(guān)工作。在90Sr的AMS測(cè)量中，其同量異位素90Zr是限制測(cè)量靈敏度的關(guān)鍵因素，而要實(shí)現(xiàn)90Zr和90Zr的鑒別，需提高離子能量以便利用探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行鑒別。由于90Zr和90Sr原子序數(shù)較大，要實(shí)現(xiàn)探測(cè)器鑒別就需更高的離子能量，即需較高的加速器端電壓。筑波大學(xué)AMS實(shí)驗(yàn)室曾嘗試采用端電壓為5 MV的串列加速器進(jìn)行90Sr的測(cè)量方法研究，但由于90Sr的能量?jī)H33 MeV，探測(cè)器無(wú)法有效鑒別90Sr和90Zr，使得90Sr的測(cè)量靈敏度90Sr/Sr僅約10-8[10]；美國(guó)利弗莫爾AMS實(shí)驗(yàn)室則利用端電壓為12 MV的串列加速器，90Sr離子能量達(dá)107 MeV，在此能量下利用多陽(yáng)極氣體電離室探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了90Sr和90Zr的有效鑒別，從而使得90Sr的測(cè)量靈敏度達(dá)6×10-13[9]，對(duì)應(yīng)的活度探測(cè)限約為3 mBq。因此，利用端電壓高的AMS系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)90Sr高靈敏測(cè)量的關(guān)鍵因素。本文基于中國(guó)原子能科學(xué)研究院的HI-13大型串列加速器端電壓高并結(jié)合Q3D磁譜儀動(dòng)量分辨高的特點(diǎn)開(kāi)展90Sr的AMS測(cè)量方法研究。

1 中國(guó)原子能科學(xué)研究院加速器質(zhì)譜系統(tǒng)簡(jiǎn)介

中國(guó)原子能科學(xué)研究院的AMS系統(tǒng)如圖1所示，主要包括負(fù)離子源、注入系統(tǒng)、串列加速器、分析磁鐵、開(kāi)關(guān)磁鐵和兩條AMS測(cè)量束線。其中AMS束線1主要包括1個(gè)15°的靜電分析器和1個(gè)多陽(yáng)極氣體電離室；AMS束線2主要包括1臺(tái)Q3D磁譜儀和1個(gè)多陽(yáng)極氣體電離室。根據(jù)測(cè)量核素選擇不同的測(cè)量束線，對(duì)于90Sr則采用AMS束線2進(jìn)行測(cè)量。

離子源為美國(guó)NEC生產(chǎn)的40個(gè)靶位的強(qiáng)流銫濺射負(fù)離子源(MC-SNICS)，從離子源引出負(fù)離子，進(jìn)入注入系統(tǒng)。注入系統(tǒng)由偏轉(zhuǎn)半徑750 mm的90°靜電分析器和偏轉(zhuǎn)半徑為800 mm、偏轉(zhuǎn)角度為112°的注入磁鐵組成，利用注入系統(tǒng)將被測(cè)核素送入加速器。加速器為HI-13串列加速器，它是目前國(guó)際上為數(shù)不多的用于AMS測(cè)量的大型串列加速器，運(yùn)行端電壓為12 MV。注入到加速器的負(fù)離子經(jīng)加速器前端加速后進(jìn)入加速器端部的剝離膜，剝離膜為5 μg/cm2的碳膜，經(jīng)碳膜剝離后將負(fù)離子剝離為多電荷態(tài)的正離子，然后經(jīng)加速器后段進(jìn)行再加速。加速后的離子利用分析磁鐵對(duì)離子的磁鋼度(2ME)1/2/q(M為離子質(zhì)量數(shù)，E為離子能量，q為離子電荷態(tài))進(jìn)行選擇。分析磁鐵的偏轉(zhuǎn)半徑為1 270 mm，偏轉(zhuǎn)角度為90°。經(jīng)開(kāi)關(guān)磁鐵選擇后將離子送入Q3D磁譜儀。Q3D磁譜儀主要由3個(gè)偏轉(zhuǎn)半徑均為1 000 mm，偏轉(zhuǎn)角度分別為65°、65°和25°的二極磁鐵組成[11-12]，最后經(jīng)Q3D磁譜儀分析后將離子送入四陽(yáng)極電離室進(jìn)行測(cè)定。Q3D磁譜儀的特點(diǎn)是其動(dòng)量分辨高，動(dòng)量差異1%的離子在Q3D磁譜儀焦平面處分開(kāi)的距離為113.7 mm。本工作基于Q3D磁譜儀的此特點(diǎn)建立了特色的ΔE-Q3D分析系統(tǒng)，用于90Sr的測(cè)量。ΔE-Q3D分析系統(tǒng)由Q3D磁譜儀、Q3D磁譜儀入口處的薄膜和位于Q3D磁譜儀焦平面中心的氣體電離室組成。為降低薄膜厚度不均勻造成的能量離散，采用厚度均勻性良好的Si3N4作為吸收膜。位于焦平面中心的探測(cè)器采用4個(gè)陽(yáng)極的氣體電離室以鑒別同量異位素。綜合考慮離子經(jīng)吸收膜后在焦平面處的束斑大小、同量異位素在焦平面處分開(kāi)的距離和探測(cè)器的探測(cè)效率，將探測(cè)器的入射窗設(shè)定為60 mm×40 mm，入射窗膜采用厚度為4 μm的Mylar膜。

圖1 中國(guó)原子能科學(xué)研究院的HI-13 AMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Layout of HI-13 AMS system at China Institute of Atomic Energy

2 Sr的負(fù)離子引出方法

3 90Sr的AMS系統(tǒng)傳輸

表束流強(qiáng)度與樣品組成的關(guān)系Table 1 Relationship of beam current with sample composition

4 ΔE-Q3D的同量異位素排除方法

ΔE-Q3D排除同量異位素的基本原理：當(dāng)離子穿過(guò)一定厚度t薄膜時(shí)，其能量損失ΔE∝MZ2t(Z為離子的有效原子序數(shù)，M為離子質(zhì)量數(shù))。同量異位素由于原子序數(shù)不同使得它們穿過(guò)薄膜時(shí)的能量損失不同，從而使得離子穿過(guò)薄膜后同量異位素的剩余能量也不同，由此相同電荷態(tài)的同量異位素離子動(dòng)量產(chǎn)生差異，利用Q3D磁譜儀動(dòng)量分辨能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可將同量異位素在Q3D磁譜儀的焦平面處被分離開(kāi)。

吸收膜厚度對(duì)ΔE-Q3D技術(shù)的同量異位素分離能力有直接影響。為實(shí)現(xiàn)90Zr和90Sr在Q3D焦平面處的有效分離，需同量異位素離子穿過(guò)Si3N4后的剩余能量差異(ΔE)大于離子的能量離散(δE)。同量異位素能量差異與吸收膜的厚度呈正比，而能量離散與吸收膜厚度的平方根呈正比，因此，吸收膜越厚，分辨能力(ΔE/δE)越大，同量異位素在Q3D磁譜儀焦平面處分離效果越好。但吸收膜越厚，離子穿過(guò)膜后的能量離散和角度歧離均會(huì)增加，使其在焦面處束斑面積增大，而探測(cè)器入射窗面積有限，從而造成探測(cè)器探測(cè)效率下降；同時(shí)，吸收膜越厚，也會(huì)造成能量損失多，從而降低了離子進(jìn)入探測(cè)器時(shí)的能量，不利于探測(cè)器鑒別。特別對(duì)于重核素，吸收膜厚度增大會(huì)嚴(yán)重降低探測(cè)效率和離子能量。為確定合適的吸收膜厚度，對(duì)不同厚度Si3N4的分辨能力進(jìn)行模擬計(jì)算。表2為利用SRIM-2000[15]程序計(jì)算得到的105 MeV的90Sr和90Zr穿過(guò)不同厚度Si3N4后的分辨能力。結(jié)果顯示，在Si3N4膜厚度為1 μm時(shí)ΔE/δE為1.32，這意味著在此厚度下利用ΔE-Q3D方法可將90Zr和90Sr在Q3D焦平面處進(jìn)行有效分離，同時(shí)離子的剩余能量約為90 MeV且能量離散約為0.6%，利于探測(cè)器測(cè)量。綜合以上因素，選取1 μm的Si3N4作為90Sr測(cè)量時(shí)的吸收膜厚度。

表2 90Zr和90Sr穿過(guò)不同厚度Si3N4膜的分離能力Table 2 Separation power of 90Zr and 90Sr after passing through Si3N4 membrane with different thicknesses

在此條件下利用ΔE-Q3D方法對(duì)90Sr和90Zr的分離效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。將能量為105 MeV的90Sr9+(90Zr9+)送入Q3D磁譜儀，經(jīng)1 μm Si3N4膜后利用Q3D磁譜儀將電荷態(tài)為20+的90Zr和90Sr傳輸?shù)絈3D磁譜儀的焦平面。通過(guò)調(diào)節(jié)Q3D的磁場(chǎng)并利用氣體電離室測(cè)量90Sr和90Zr的計(jì)數(shù)率，得到90Sr和90Zr的計(jì)數(shù)率隨Q3D磁場(chǎng)的變化關(guān)系，結(jié)果如圖2所示(其中1 Gs=10-4T)。90Zr的最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 775 kGs，峰的半高寬為36 Gs；90Sr的最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 800 kGs，90Sr的最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度較90Zr的大25 Gs，表明90Sr的剩余能量較90Zr高0.9%，此結(jié)果與理論計(jì)算的能量相對(duì)差異符合。同時(shí)圖2的結(jié)果顯示，將Q3D磁場(chǎng)設(shè)定到90Sr的最佳磁場(chǎng)后，大部分的90Zr偏離Q3D焦平面中心位置而不能進(jìn)入探測(cè)器。根據(jù)探測(cè)器入射窗的尺寸和離子束斑的大小，將Q3D磁場(chǎng)設(shè)置到90Zr最佳磁場(chǎng)時(shí)，可將90Zr的干擾壓低6倍，這意味著大部分的90Zr被排除，僅約15%的90Zr會(huì)伴隨90Sr進(jìn)入探測(cè)器，這為探測(cè)器進(jìn)一步鑒別90Sr和90Zr奠定了良好基礎(chǔ)。

圖2 90Zr和90Sr計(jì)數(shù)率與Q3D磁場(chǎng)的關(guān)系Fig.2 Relationship of 90Zr and 90Sr count rate with Q3D magnetic field

5 90Sr的探測(cè)器鑒別技術(shù)

為進(jìn)一步提高90Sr的測(cè)量靈敏度，需利用探測(cè)器對(duì)90Sr和90Zr進(jìn)行進(jìn)一步鑒別。多陽(yáng)極氣體電離室是實(shí)現(xiàn)同量異位素鑒別的常用探測(cè)器，其基本原理是同量異位素原子序數(shù)不同導(dǎo)致在穿過(guò)探測(cè)器氣體介質(zhì)時(shí)的能量損失率不同，從而在探測(cè)器不同陽(yáng)極上沉積的能量也不同，由此通過(guò)探測(cè)器陽(yáng)極的能量信號(hào)可實(shí)現(xiàn)同量異位素鑒別。此外，由于同量異位素離子在穿過(guò)探測(cè)器入射窗時(shí)也會(huì)造成離子總能量的差異，因此利用探測(cè)器陰極進(jìn)行離子總能量測(cè)定也可用于同量異位素的鑒別[16]。對(duì)于90Sr測(cè)量鑒別，采用四陽(yáng)極的氣體電離室探測(cè)器，即利用4個(gè)陽(yáng)極信號(hào)和1個(gè)陰極信號(hào)進(jìn)行90Zr和90Sr的鑒別。探測(cè)器的入射窗采用厚度4.0 μm的Mylar膜，能量為105.5 MeV的90Sr和90Zr在穿過(guò)1 μm的Si3N4膜和4 μm的Mylar膜后，90Zr和90Sr的能量分別為58.75 MeV和60.70 MeV。探測(cè)器的工作氣體選擇異丁烷，工作氣壓設(shè)定2 660 Pa。在此條件下，利用SRIM軟件對(duì)90Sr和90Zr在探測(cè)器中的射程與其能量損失率的關(guān)系進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果示于圖3。圖3也給出了探測(cè)器各陽(yáng)極板及陰極板對(duì)應(yīng)離子射程的位置。其中E0為探測(cè)器入口處的保護(hù)極，用以保持探測(cè)器電場(chǎng)均勻。E1、E2、E3、E4分別為4個(gè)陽(yáng)極，Et為陰極。模擬結(jié)果表明，不同陽(yáng)極區(qū)域90Sr和90Zr的能量損失率不同，利用4個(gè)陽(yáng)極信號(hào)可實(shí)現(xiàn)90Sr和90Zr的鑒別，陰極則是對(duì)進(jìn)入探測(cè)器的離子總能量進(jìn)行測(cè)定。由此，通過(guò)利用4個(gè)陽(yáng)極上的能量損失信號(hào)和陰極的總能量信號(hào)進(jìn)行90Sr和90Zr的鑒別。

圖3 90Sr和90Zr在異丁烷中的 能量損失率與射程的關(guān)系Fig.3 Calculated energy loss rate of 90Sr and 90Zr as functions of ion range for isobutene gas

為檢驗(yàn)探測(cè)器的同量異位素鑒別能力，利用90Sr的標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白樣品分別進(jìn)行測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)樣品采用90Sr/Sr=4.6×10-10的樣品。圖4a、b、c分別為標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)量得到的Et與E2、Et與E3、E1與E2能量雙維譜圖。3個(gè)譜圖測(cè)量結(jié)果均顯示，利用探測(cè)器能譜可將90Sr和90Zr進(jìn)行有效區(qū)分，即可實(shí)現(xiàn)90Sr和90Zr的鑒別。為進(jìn)一步檢驗(yàn)探測(cè)器排除同量異位素的能力，利用90Sr空白樣品進(jìn)行了測(cè)定。圖4d為空白樣品測(cè)量得到的Et與E2雙維譜。結(jié)果顯示，雖然90Zr能譜區(qū)域內(nèi)有近104個(gè)離子，但在90Sr能譜區(qū)域基本沒(méi)有計(jì)數(shù)，表明探測(cè)器對(duì)90Zr具有很好的鑒別能力。為進(jìn)一步排除由于偶然符合和信號(hào)漲落等因素產(chǎn)生的本底干擾，提高同量異位素的鑒別能力，采用將探測(cè)器的5路能量信號(hào)進(jìn)行開(kāi)門(mén)符合的方法，即5路能量信號(hào)均滿足90Sr能量區(qū)間時(shí)才認(rèn)為是90Sr離子。在此條件下，測(cè)量得到氣體電離室對(duì)90Zr的壓低能力為6×103。

6 結(jié)果與討論

圖4 樣品的雙維譜Fig.4 Two-dimensional spectrum for sample

表3 標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白樣品測(cè)量結(jié)果Table 3 Measurement results of standard sample and blank sample

7 結(jié)論

感謝中國(guó)輻射防護(hù)研究院戴雄新研究員和蘭州大學(xué)侯小琳教授提供的90Sr標(biāo)準(zhǔn)樣品。