電沉積228Th面源的特性*

/上海市計量測試技術研究院

0 引言

釷射氣（220Rn）是氡元素（Rn）的同位素之一，是一種氣態放射性物質，在自然界中主要由地表土壤232Th衰變產生。根據聯合國原子輻射效應科學委員會（UNSCEAR）報告，在公眾所接受的天然輻射中，氡（包括222Rn與220Rn）及其子體的劑量貢獻占一半以上[1]。我國地表土壤中232Th的含量為世界平均值的1.6倍，其衰變產物220Rn及其子體對我國公眾的輻射照射劑量不容忽視[2]。220Rn源是開展220Rn計量學研究、220Rn行為分析、220Rn防護技術與劑量評估等科學研究的必備要素。220Rn源從核素種類上可分為232Th源與228Th源，其中232Th源衰變產生220Rn還需經歷228Ra、228Th兩個半衰期較長（分別為5.75 a、1.91 a）的中間子體，達到放射性平衡需要約50 a，期間220Rn析出率隨時間變化，需定期核校。228Th源只需22 d即可達到放射性平衡，更為穩定。220Rn源可直接利用較原始的放射性材料（如溶液源、礦石源、富含釷元素的汽燈紗罩等），也可以采用電沉積法、離子交換法等工藝制備，一般而言，電沉積法制備的放射源中232Th/228Th分布在淺表位置，且微觀結構相對均勻一致，有利于220Rn穩定地析出。綜上所述，電沉積法制備的228Th源是220Rn計量學研究的最佳選擇。目前，世界上只有德國聯邦物理研究院（PTB）與法國亨利·貝可勒爾國家實驗室（LNE-LNHB/CEA）建立了220Rn體積活度原級標準，均采用電沉積法制備的228Th源作為220Rn源[3-4]。

上海市計量測試技術研究院此前利用離子交換法制備了232Th樹脂源[5]，但其220Rn析出率需定期核校，且受溫濕度影響較大，給220Rn的計量學研究帶來不便。本研究利用電沉積法制備一枚228Th平面源，并通過α能譜分析與220Rn析出率測試實驗研究其特性，以期更好地滿足220Rn計量學研究需要。

1 材料與方法

1.1 電沉積制備過程

電沉積用源溶液采用德國PTB提供的228Th （NO3）4溶液。該溶液中228Th比活度為（7.22±0.08） kBq·g-1（k=2）（228Th比活度參考日期為2020年1月1日）。PTB采用高純鍺γ譜儀對該溶液的放射性雜質進行了檢測，僅檢出22Na，其比活度為228Th的0.04%，可以忽略。電沉積流程如下：

1）接通電沉積儀（Phoenix Scientific EP-4）電源，用多用表測量電流，保持電流密度約為0.40～ 0.50 A/cm（多用表測得的電流與Ag片陰極沉積面積的比值），關閉儀器電源；

2）鉑金絲作為陽極插入沉積槽中，平面源基材載片（Φ 25.4 mm圓片）作為陰極，兩極間距控制為5 mm，將10 mL的0.20 mol/L硫酸銨溶液裝入沉積槽中，并加入1 g228Th（NO3）4溶液；

3）將0.6～1 T的棒狀釹鐵硼強磁體豎直放置在沉積槽外壁；

4）開啟電沉積儀電源，在室溫條件下電沉積反應60 min，向沉積槽中加入約1 mL的3.0 mol/L NH4OH溶液，1 min后切斷電源，然后取出電沉積殘液與制備好的228Th平面源；

5）將228Th平面源依次用0.5 mol/L NH4OH溶液和無水乙醇洗滌，并自然晾干。

1.2 α能譜分析

圖1展示了228Th的衰變鏈。228Th首先衰變為224Ra，224Ra衰變產生220Rn，220Rn繼續衰變，直至變為穩定核素208Pb。衰變鏈中228Th、224Ra、220Rn、216Po、212Bi、212Po六個核素衰變時均會釋放不同能量的α射線（能量及發射概率見圖1）[6]。

圖1 228Th衰變鏈

用α能譜儀（AMETEK ORTEC ALPHA-ENSEMBLE-2）測量228Th平面源的α能譜。分析測量能譜，可確定228Th等六個α放射性核素的α計數率乃至其放射性活度。其中，根據228Th的放射性活度可反推228Th平面源制備的電沉積回收率。

對于能量超過一定閾值的α粒子，α能譜儀對其探測效率基本由幾何探測效率決定，與α粒子能量基本無關。因此，本研究利用經上海市計量測試技術研究院的2πα、2πβ粒子發射率標準裝置（華東地區最高社會公用計量標準，代碼：37114700）校準的241Am平面源（Φ 25.4 mm）確定α能譜儀對α粒子的探測效率。

1.3 220Rn析出率測試

220Rn析出率是228Th平面源作為220Rn源最重要的參數。將228Th平面源置于上海市計量測試技術研究院自行研制的釷射氣室內[7-8]，測量釷射氣室內220Rn體積活度，由于該釷射氣室內220Rn基本均勻分布[8]，220Rn體積活度與220Rn析出率滿足式（1）[9]：

式中：R——220Rn析出率，Bq/s；

λ——220Rn的衰變常數，等于 1.25×10-2s-1；

C——220Rn體積活度，Bq/m；

V——釷射氣室體積，為0.218 m3

220Rn體積活度的測量采用自制的閃爍室220Rn測量裝置，該測量裝置經德國PTB刻度，且通過2018年日本QST/NIRS組織的國際比對，確認了量值的準確性[10]。

2 結果分析與討論

2.1 α能譜測量結果分析與討論

用一枚241Am平面源（Φ 25.4 mm）確定α能譜儀對α粒子的探測效率。經2πα、2πβ粒子發射率標準裝置測定，該241Am平面源表面發射率為175.0 cps，α能譜儀測量該241Am平面源的計數率為54.1 cps，由此確定α能譜儀對Φ 25.4 mm α平面源的探測效率為30.9%。

同樣條件下，分別在228Th平面源制備完成后的當天、第7天、第14天、第21天用α能譜儀測量。圖2展示了能譜測量結果，228Th平面源的α能譜基本呈現六個互不干擾的計數峰，分別對應六種α放射性核素，圖中按能量在α能譜上取六個互不重疊的計數窗口，分別覆蓋六個計數峰，并在每個計數窗口標注對應的α放射性核素。228Th、224Ra兩個核素稍有特殊：228Th釋放兩種不同能量α粒子，因此，其計數峰在α能譜上呈現出輕微的分裂；224Ra釋放兩種不同能量α粒子，且較低能量的α粒子（5.45 MeV）與228Th釋放的α粒子更近，因此，該部分α粒子計數將落入228Th的計數窗口。后續處理中，224Ra計數應僅考慮5.68 MeV α粒子（發射概率94.9%）的貢獻，而228Th計數中應扣除224Ra 5.45 MeV α粒子（發射概率5.1%）的貢獻。

圖2 228Th平面源α能譜

根據測量的α能譜在六個計數窗口的計數，結合前文確定的α粒子探測效率（30.9%）、每種能量α粒子發射概率以及α平面源表面發射率與放射性活度比值的經驗值（0.55），可得到228Th平面源內α放射性核素的活度隨時間變化如圖3所示。

從圖3可以看出，228Th的放射性活度基本維持不變（均值為2.7 kBq），輕微的下降（4%以內）可能是輕微的磨損以及測量結果的不確定度造成的。224Ra的初始放射性活度近似為零，隨時間逐漸增長，并在21 d的時候接近228Th的放射性活度，反映了224Ra與228Th達到放射性平衡的過程。220Rn的放射性活度同樣隨時間增長，但始終低于224Ra的放射性活度，這是因為220Rn整體上與224Ra保持放射性平衡，但部分220Rn以氣體的形式析出并被真空泵抽出α測量腔室，未被測量到。216Po的放射性活度始終與220Rn的放射性活度保持一致，這是由于其半衰期極短（0.146 s），始終與220Rn保持放射性平衡。212Bi與212Po初始放射性活度很高，甚至超過其母體224Ra的放射性活度，這是因為電沉積用源溶液中所有放射性核素已經處于放射性平衡狀態，但本研究采用的電沉積工藝不利于224Ra沉積，224Ra極少沉積至平面源，而其余子體基本完全沉積至平面源造成的。

電沉積用源溶液中228Th的放射性活度經衰變修正應為5.0 kBq，而平面源中228Th的放射性活度為2.7 kBq，因此，本枚平面源的電沉積回收率約為54%。

2.2 220Rn析出率穩定性、復現性及其受溫濕度影響

228Th平面源達到放射性平衡后，將其置于釷射氣室內，測量220Rn體積活度，并根據式（1）計算其220Rn析出率。在固定溫濕度條件下（20 ℃、40% RH），連續測量48 h，其析出率穩定性如圖4所示。228Th平面源的220Rn析出率在連續48 h內保持穩定，均值為10.04 Bq/s，相對標準差為1.2%，相對均值的最大偏差不超過2.3%，略優于此前采用232Th樹脂源的穩定性測量結果（最大偏差3.0%）[8]。該結果表明本研究制備的228Th平面源的220Rn析出率在固定溫濕度條件下（20 ℃、40% RH）具有良好的穩定性。

圖4 228Th平面源的220Rn析出率穩定性

在固定溫濕度條件下（20 ℃、40% RH）重復三次220Rn析出率測試實驗，每次測試持續4 h，每組實驗間隔2 d。表1展示了每次實驗的析出率均值及其擴展不確定度（實驗標準誤差乘以擴展因子）。三次實驗析出率均值最大相差0.11 Bq/s，在其擴展不確定度范圍內，該結果表明本研究制備的228Th平面源的220Rn析出率在固定溫濕度條件下（20 ℃、40% RH）具有良好的復現性。

表1 228Th平面源的220Rn析出率復現性

固定釷射氣室內的濕度為40% RH，并改變其溫度，圖5展示了220Rn析出率隨溫度變化情況。隨著溫度的增高，220Rn析出率近似線性地增長，從10 ℃增至35 ℃，220Rn析出率增長2.22 Bq/s，以標準狀況（20℃、40% RH）下析出率（9.97 Bq/s）為歸一化因子，增長22%。

固定釷射氣室內的溫度20 ℃，并改變其濕度，圖6展示了220Rn析出率隨濕度變化情況。如圖5所示，隨著濕度的增大，220Rn析出率同樣近似線性地增長，從25% RH增至80% RH，220Rn析出率增長2.99 Bq/s，以標準狀況（20 ℃、40% RH）下析出率（9.97 Bq/s）為歸一化因子，增長30%。

圖5 228Th平面源220Rn析出率隨溫度變化情況（濕度固定為40% RH）

圖6 228Th平面源220Rn析出率隨濕度變化情況（溫度固定為20 ℃）

其他研究者同樣報道了220Rn源析出率隨溫濕度增長的現象[11]，近似溫度變化范圍時，220Rn析出率增長可達2倍，近似濕度變化范圍時，220Rn析出率增長可達3倍，遠高于本研究，這可能是由平面源電鍍表層的微觀結構及228Th原子的分布所導致。由此可見，228Th平面源析出率穩定性對環境變化具有更佳的抗性，有利于220Rn計量學研究。

3 結語

220Rn源是開展220Rn計量學研究、220Rn行為分析、220Rn防護技術與劑量評估等科學研究的必備要素。其中電沉積工藝制備的228Th源是220Rn源的最佳選擇。本文采用電沉積法制備了一枚228Th面源，其電沉積回收率為54%。在后續的工作中，應致力于進一步研究改善電沉積工藝，提高電沉積回收率，以提高源溶液的利用率并減少放射性廢液的產生。該枚228Th面源的220Rn析出率具有良好的穩定性、復現性，且受溫濕度影響較小。這意味著使用該228Th面源有利于保證實驗過程中220Rn體積活度的穩定性與一致性，可滿足上海市計量測試技術研究院日常220Rn體積活度校準工作、220Rn測量技術研究工作等220Rn計量學研究的需要。研究結果也提示保證釷射氣室的溫濕度穩定對于220Rn體積活度穩定仍具有相當的必要性。