何 明，趙慶章，張文慧，何洪鈺，劉建成，胡 畔，武紹勇

(中國原子能科學(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主要來源于反應(yīng)堆、后處理、核試驗等過程。90Sr與134Cs、137Cs、131I等被認(rèn)為是核廢物中對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的測量方法一般有放射性測量和質(zhì)譜測量兩種方法。放射性測量方法一般是利用液體閃爍探測器對90Sr發(fā)射的0.546 MeV的β射線進(jìn)行測定。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，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。另一種放射性測量方法是對90Sr的衰變子體90Y進(jìn)行測量，它的β射線能量為2.28 MeV，有利于提高測量靈敏度，此方法對90Sr的探測限為幾個mBq[2-3]，但此方法需放射化學(xué)分離兩周后，在90Sr和90Y建立放射性長期平衡后才能進(jìn)行測定。此外，由于90Sr的半衰期為28.8 a，每個樣品的測量時間需幾小時甚至幾天。因此，復(fù)雜的放射化學(xué)分離和耗時的測量過程是90Sr放射性測量的主要局限。

為提高樣品的測量時效，發(fā)展了90Sr的質(zhì)譜測量方法。質(zhì)譜技術(shù)是對90Sr的原子進(jìn)行直接測量，幾分鐘可完成1個樣品的測定；同時，其他放射性核素不會對90Sr的測量產(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))，簡化了樣品放射化學(xué)分離流程，滿足大量樣品的快速測定。但質(zhì)譜測量時分子離子(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90Sr的探測限約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，同時也具有同量異位素的鑒別能力，有利于提高90Sr測量靈敏度。國際上一些AMS實驗室則相繼開展了90Sr的測量方法研究[7-10]，國內(nèi)目前尚未利用AMS開展90Sr的相關(guān)工作。在90Sr的AMS測量中，其同量異位素90Zr是限制測量靈敏度的關(guān)鍵因素，而要實現(xiàn)90Zr和90Zr的鑒別，需提高離子能量以便利用探測器對其進(jìn)行鑒別。由于90Zr和90Sr原子序數(shù)較大，要實現(xiàn)探測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實驗室曾嘗試采用端電壓為5 MV的串列加速器進(jìn)行90Sr的測量方法研究，但由于90Sr的能量僅33 MeV，探測器無法有效鑒別90Sr和90Zr，使得90Sr的測量靈敏度90Sr/Sr僅約10-8[10]；美國利弗莫爾AMS實驗室則利用端電壓為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極氣體電離室探測器實現(xiàn)了90Sr和90Zr的有效鑒別，從而使得90Sr的測量靈敏度達(dá)6×10-13[9]，對應(yīng)的活度探測限約為3 mBq。因此，利用端電壓高的AMS系統(tǒng)是實現(xiàn)90Sr高靈敏測量的關(guān)鍵因素。本文基于中國原子能科學(xué)研究院的HI-13大型串列加速器端電壓高并結(jié)合Q3D磁譜儀動量分辨高的特點開展90Sr的AMS測量方法研究。

1 中國原子能科學(xué)研究院加速器質(zhì)譜系統(tǒng)簡介

中國原子能科學(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、開關(guān)磁鐵和兩條AMS測量束線。其中AMS束線1主要包括1個15°的靜電分析器和1個多陽極氣體電離室；AMS束線2主要包括1臺Q3D磁譜儀和1個多陽極氣體電離室。根據(jù)測量核素選擇不同的測量束線，對于90Sr則采用AMS束線2進(jìn)行測量。

離子源為美國NEC生產(chǎn)的40個靶位的強流銫濺射負(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)將被測核素送入加速器。加速器為HI-13串列加速器，它是目前國際上為數(shù)不多的用于AMS測量的大型串列加速器，運行端電壓為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極電離室進(jìn)行測定。Q3D磁譜儀的特點是其動量分辨高，動量差異1%的離子在Q3D磁譜儀焦平面處分開的距離為113.7 mm。本工作基于Q3D磁譜儀的此特點建立了特色的ΔE-Q3D分析系統(tǒng)，用于90Sr的測量。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器采用4個陽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的距離和探測器的探測效率，將探測器的入射窗設(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)離子穿過一定厚度t薄膜時，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)不同使得它們穿過薄膜時的能量損失不同，從而使得離子穿過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量產(chǎn)生差異，利用Q3D磁譜儀動量分辨能力強的特點，可將同量異位素在Q3D磁譜儀的焦平面處被分離開。

吸收膜厚度對ΔE-Q3D技術(shù)的同量異位素分離能力有直接影響。為實現(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，離子穿過膜后的能量離散和角度歧離均會增加，使其在焦面處束斑面積增大，而探測器入射窗面積有限，從而造成探測器探測效率下降；同時，吸收膜越厚，也會造成能量損失多，從而降低了離子進(jìn)入探測器時的能量，不利于探測器鑒別。特別對于重核素，吸收膜厚度增大會嚴(yán)重降低探測效率和離子能量。為確定合適的吸收膜厚度，對不同厚度Si3N4的分辨能力進(jìn)行模擬計算。表2為利用SRIM-2000[15]程序計算得到的105 MeV的90Sr和90Zr穿過不同厚度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，同時離子的剩余能量約為90 MeV且能量離散約為0.6%，利于探測器測量。綜合以上因素，選取1 μm的Si3N4作為90Sr測量時的吸收膜厚度。

表2 90Zr和90Sr穿過不同厚度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90Sr和90Zr的分離效果進(jìn)行實驗研究。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。通過調(diào)節(jié)Q3D的磁場并利用氣體電離室測量90Sr和90Zr的計數(shù)率，得到90Sr和90Zr的計數(shù)率隨Q3D磁場的變化關(guān)系，結(jié)果如圖2所示(其中1 Gs=10-4T)。90Zr的最佳磁感應(yīng)強度為5 775 kGs，峰的半高寬為36 Gs；90Sr的最佳磁感應(yīng)強度為5 800 kGs，90Sr的最佳磁感應(yīng)強度較90Zr的大25 Gs，表明90Sr的剩余能量較90Zr高0.9%，此結(jié)果與理論計算的能量相對差異符合。同時圖2的結(jié)果顯示，將Q3D磁場設(shè)定到90Sr的最佳磁場后，大部分的90Zr偏離Q3D焦平面中心位置而不能進(jìn)入探測器。根據(jù)探測器入射窗的尺寸和離子束斑的大小，將Q3D磁場設(shè)置到90Zr最佳磁場時，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會伴隨90Sr進(jìn)入探測器，這為探測器進(jìn)一步鑒別90Sr和90Zr奠定了良好基礎(chǔ)。

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

5 90Sr的探測器鑒別技術(shù)

為進(jìn)一步提高90Sr的測量靈敏度，需利用探測器對90Sr和90Zr進(jìn)行進(jìn)一步鑒別。多陽極氣體電離室是實現(xiàn)同量異位素鑒別的常用探測器，其基本原理是同量異位素原子序數(shù)不同導(dǎo)致在穿過探測器氣體介質(zhì)時的能量損失率不同，從而在探測器不同陽極上沉積的能量也不同，由此通過探測器陽極的能量信號可實現(xiàn)同量異位素鑒別。此外，由于同量異位素離子在穿過探測器入射窗時也會造成離子總能量的差異，因此利用探測器陰極進(jìn)行離子總能量測定也可用于同量異位素的鑒別[16]。對于90Sr測量鑒別，采用四陽極的氣體電離室探測器，即利用4個陽極信號和1個陰極信號進(jìn)行90Zr和90Sr的鑒別。探測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90Sr和90Zr在探測器中的射程與其能量損失率的關(guān)系進(jìn)行了模擬計算，結(jié)果示于圖3。圖3也給出了探測器各陽極板及陰極板對應(yīng)離子射程的位置。其中E0為探測器入口處的保護(hù)極，用以保持探測器電場均勻。E1、E2、E3、E4分別為4個陽極，Et為陰極。模擬結(jié)果表明，不同陽極區(qū)域90Sr和90Zr的能量損失率不同，利用4個陽極信號可實現(xiàn)90Sr和90Zr的鑒別，陰極則是對進(jìn)入探測器的離子總能量進(jìn)行測定。由此，通過利用4個陽極上的能量損失信號和陰極的總能量信號進(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

為檢驗探測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)樣品測量得到的Et與E2、Et與E3、E1與E2能量雙維譜圖。3個譜圖測量結(jié)果均顯示，利用探測器能譜可將90Sr和90Zr進(jìn)行有效區(qū)分，即可實現(xiàn)90Sr和90Zr的鑒別。為進(jìn)一步檢驗探測器排除同量異位素的能力，利用90Sr空白樣品進(jìn)行了測定。圖4d為空白樣品測量得到的Et與E2雙維譜。結(jié)果顯示，雖然90Zr能譜區(qū)域內(nèi)有近104個離子，但在90Sr能譜區(qū)域基本沒有計數(shù)，表明探測器對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，采用將探測器的5路能量信號進(jìn)行開門符合的方法，即5路能量信號均滿足90Sr能量區(qū)間時才認(rèn)為是90Sr離子。在此條件下，測量得到氣體電離室對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)樣品和空白樣品測量結(jié)果Table 3 Measurement results of standard sample and blank sample

7 結(jié)論

感謝中國輻射防護(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。