低豐度236U同位素質譜測量值的校正

湯 磊,龍開明,劉雪梅

(中國工程物理研究院核物理與化學研究所,四川綿陽 621900)

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

BGA校正測量程序是MA T-262質譜儀的一項新功能,是一種在測量弱峰信號時對強峰拖尾進行扣除的測量程序。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量數為235.5和236.5處的離子信號強度,將該兩處信號作為弱峰236U周邊強峰拖尾,在測量數據中進行扣除,以達到對強峰拖尾校正的目的。采用鈾同位素標準物質NBS U-500和NBS U-010(自配標準物質)ONBS U-500質譜分析條件為電離帶電流5 815 mA,蒸發帶電流1 164 mA。NBS U-010的質譜分析條件為電離帶電流5 906 mA,蒸發帶電流1 230 mA。USB U-010樣品2的質譜分析條件為電離帶電流5 969 mA,蒸發帶電流1 954 mA;樣品13的質譜分析條件為電離帶電流6 501 mA,蒸發電流1 875～2 200 mA。比較在不同同位素豐度情況下該方法的效果。

采用鈾的標準質譜涂樣程序,涂樣量為2～6μg,加入磷酸作為穩定劑。用雙帶測量,法拉第筒接收235U信號,離子計數器接收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據組。

1.2 動態本底扣除方法

中性粒子來源于離子在管道傳輸過程中與殘存氣體發生非彈性碰撞時引發的電荷轉移,由此產生的本底是時刻變化的,將其稱為動態本底。由于動態本底在小范圍內各質量數處是均勻分布的,基于此擬定了動態本底扣除方法。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質量處)的信號,以這個信號測量值作為動態本底,對236U測量結果進行同時刻本底校正。所分析樣品12的質譜分析條件為電離帶電流5 832 mA,蒸發帶電流800～1 070 mA;樣品5的質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標準物質中236U豐度較低,故只采用NBS U-500標準物質進行測量。

2 結果與討論

2.1 BGA校正方法

采用鈾同位素標準物質NBS U-500進行BGA校正的實驗結果示于圖1。U-500標準物質即235U含量接近于50%的標準物質,標稱值為 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結果計算得:R65=0.001 5,相對標準偏差為0.57%(n=32);＊R65=0.001 5,相對標準偏差為0.60%(n=32),由公式校正度=1-＊R65/R65,計算校正度為0.165%。此結果表明,BGA校正方法對NBS U-500的236U與235U原子數之比影響不大。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,受到強峰拖尾影響相對較小。

采用鈾同位素標準樣品NBS U-010進行BGA校正,結果示于圖2。由圖2結果計算得U-010標準物質235U含量接近于1%,標稱值為R58=0.010 1,R65=0.006 8。由圖 2可見,R65=0.006 9,相對標準偏差為1.38%(n=24);＊R65=0.006 7,相對標準偏差為0.87%(n=24),測量準確度得到了提高。本實驗結果表明,BGA校正方法對于NBS U-010的測量影響較大,校正度達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,受到強峰拖尾影響相對較大。

圖1 NBS U-500標準物質BGA校正實驗

圖2 NBS U-010標準物質BGA校正實驗●——R65;▲——＊ R65

采用自配標準物質USB U-010進行BGA校正,結果示于圖3。由圖3a可計算得樣品2的R65=0.006 9,相對標準偏差為0.26%(n=7);＊R65=0.006 7,相對標準偏差為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,相對標準偏差為0.29(n=12);＊R65=0.006 7,相對標準偏差為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2.30%。

2.2 動態本底扣除方法

U-500標準物質動態本底扣除實驗結果列于表1。由表1可見,動態本底扣除方法對于NBS U-500標準物質 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。分析認為,隨著質譜儀器的不斷改進,本實驗室現有MA T-262質譜儀的真空系統、接收系統、分析系統等運用了離子光學技術、超高真空技術及電子學等方面的新成果,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標準物質中236U豐度相對較高,離子流強度較大,因此動態本底扣除方法沒有體現出明顯的校正效果。

圖3 USB U-010標準物質BGA校正實驗●——R65;▲——＊R65

表1 U-500標準物質動態本底扣除實驗

3 結 論

在低豐度同位素236U質譜分析中,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。動態本底扣除方法是針對MA T-262質譜儀的特點設計的,但實驗結果表明其對低豐度236U的測量改善效果不明顯。

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

[2] 劉丙寰.質譜學方法與同位素分析[M].北京:科學出版社,1983:284.

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