大流量氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ體源制備技術(shù)

李 明，徐利軍，宋鑫鵬，肖振紅，陳克勝，夏 文

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 劑量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

大流量氣溶膠放射性活度的監(jiān)測(cè)主要有總α、β法和γ譜儀法[1]。近年來(lái)，利用γ能譜較高的能量分辨特性，通常采用高純鍺(HPGe)γ譜儀法監(jiān)測(cè)氣溶膠放射性活度[2]。γ譜儀法[2-4]使用大流量空氣氣溶膠取樣器進(jìn)行空氣取樣，壓制成一定形狀后，使用γ譜儀對(duì)濾膜樣品進(jìn)行測(cè)量、定值。該方法是相對(duì)測(cè)量方法，需要制備與待測(cè)樣品匹配的標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)γ譜儀進(jìn)行效率刻度。

本研究采用滴源裝置將放射性標(biāo)準(zhǔn)溶液60Co定量滴注在相應(yīng)的氣溶膠采樣濾膜上，晾干對(duì)角折疊后置于專用壓樣模具內(nèi)，壓成密實(shí)、形狀規(guī)則的圓盤(pán)形固態(tài)物，密封。并對(duì)制備的氣溶膠濾膜源進(jìn)行活度定值及均勻性研究，用于測(cè)量大流量氣溶膠樣品的γ譜儀進(jìn)行效率刻度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 滴源裝置

本研究滴源裝置(圖1)是在SF6移液機(jī)器人的基礎(chǔ)上為本實(shí)驗(yàn)專門(mén)設(shè)計(jì)加工。通過(guò)對(duì)控制軟件編寫(xiě)，液體存放模塊位置尺寸的確定，改進(jìn)后的滴源裝置由微量液體分配系統(tǒng)[5]、加熱板等組成。

微量液體分配系統(tǒng)[5]包括運(yùn)動(dòng)模塊(機(jī)械手) 、工作頭(吸取和分配液體的執(zhí)行器)、液體存放模塊(液體分配源位置和目標(biāo)位置)、控制和用戶操作系統(tǒng)等。微量液體分配系統(tǒng)通過(guò)工作頭將微量液體從源位置吸取、均等地分配到目標(biāo)位置，是全自動(dòng)點(diǎn)樣器的重要組成部分，一個(gè)完整的移液過(guò)程包括提取移液尖、液位探測(cè)、吸取樣本、移液槍移動(dòng)到樣本分配區(qū)域、分配樣本、退去移液尖。

圖1 滴源裝置Fig.1 Automatic sampler

1.2 壓樣裝置

為保證制備的標(biāo)準(zhǔn)源與測(cè)量樣品的幾何形狀統(tǒng)一，設(shè)計(jì)加工了專用的壓樣模具，實(shí)物示于圖2，裝置內(nèi)部尺寸為Φ50 mm，與通用的γ譜儀測(cè)量樣品盒相符。壓樣裝置用于放射性氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)體源壓樣時(shí)，能保證壓制樣品幾何形狀的準(zhǔn)確性，避免脫模過(guò)程對(duì)壓制樣品的破壞，并減少脫模過(guò)程對(duì)操作人員造成的輻射傷害。

圖2 壓樣裝置Fig.2 Pressure mould equipment

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 滴源

2.1.1滴源裝置滴注取樣重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

為了保證各點(diǎn)取樣量的一致性，通過(guò)稱量法，采用微量分析天平對(duì)滴源裝置的滴注量進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

2.1.2滴源參數(shù)優(yōu)化

采用布點(diǎn)式方式滴源，滴源過(guò)程中，對(duì)液體組成成分、滴源間隔、滴源高度進(jìn)行研究。

1) 液體組成成分

本實(shí)驗(yàn)滴注的放射性標(biāo)準(zhǔn)溶液基質(zhì)為0.1～0.2 mol/L鹽酸水溶液，氣溶膠采樣濾膜材質(zhì)為聚丙烯纖維，其親水性差，因此通過(guò)向放射性標(biāo)準(zhǔn)溶液中添加一定比例的乙醇溶液，使放射性溶液能夠在濾膜表面浸潤(rùn)達(dá)到均勻分布。

2) 滴源間隔

滴源間隔設(shè)計(jì)需要保證溶液在濾膜上浸潤(rùn)的斑點(diǎn)之間既不會(huì)相互重疊也不能留太大間隙，當(dāng)分液體積為50 μL時(shí)，設(shè)計(jì)7、10、12 mm滴源間隔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了明顯觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，向溶液中加入少量甲基橙達(dá)到增色效果。

3) 滴源高度

實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)滴源高度，使針尖距濾膜表面高度小于產(chǎn)生液滴的直徑，但不宜過(guò)低，這樣分樣時(shí)產(chǎn)生的液滴可以隨即浸潤(rùn)在濾膜內(nèi)，既可以消除掛滴現(xiàn)象[6]，又可以避免加樣針尖與濾膜表面碰觸損壞滴源裝置。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)γ體源制備

2.2.1制備60Co標(biāo)準(zhǔn)溶液

放射性標(biāo)準(zhǔn)溶液制備步驟[7]：(1) 鑒定純度；(2) 制備溶液；(3) 測(cè)定比活度；(4) 分裝和貯存；(5) 穩(wěn)定性檢查。

用高純鍺γ譜儀測(cè)量制備的60Co標(biāo)準(zhǔn)溶液的活度濃度，活度測(cè)量結(jié)果為1.62×103Bq，按照公式(1)計(jì)算60Co參考溶液的活度濃度：

a=A/m

式中，a為放射性比活度，Bq/g；A為放射性活度，Bq；m為質(zhì)量，g。計(jì)算出制源用60Co參考溶液的活度濃度為7.13×104Bq/g。擴(kuò)展不確定度U(k=2)為2.6%。

2.2.2標(biāo)準(zhǔn)溶液定量稀釋

取60Co參考溶液272.44 mg，稀釋后采用差重法稱量溶液質(zhì)量，計(jì)算得到放射性標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋28.10倍，得到比活度濃度為 2.53×103Bq/g的稀釋溶液，稀釋的60Co放射性溶液介質(zhì)條件為：Co載體濃度1.14 mg/g，HCl濃度0.15 mol/L，無(wú)水乙醇比例(v/v)75%。溶液稀釋在50 mL玻璃瓶中進(jìn)行，稀釋后搖勻密封保存。

2.2.3滴源與壓制成型

采用滴源裝置將60Co稀釋參考液等間距的(10 mm)、定量(每滴50 μL)的滴注在尺寸為260 mm×210 mm的聚丙烯纖維濾膜[8](放射性活性區(qū)為230 mm×180 mm)上晾干。折疊過(guò)程為避免放射性核素?fù)p失，將采樣面朝內(nèi)多次對(duì)角折疊成與模具直徑相同的圓形源，放入薄塑料袋(食品)袋中，用真空封口機(jī)抽氣密封，濾膜帶著塑料袋儀器放入相應(yīng)模具中[9]，在2×105N壓力下，將樣品壓成Φ50 mm×3 mm的圓盤(pán)狀。將制備好的濾膜源裝入樣品盒中，樣品盒中有特制的有機(jī)玻璃圓環(huán)固定樣品的幾何位置和形狀，密封。每個(gè)濾膜源盒均進(jìn)行編號(hào)及標(biāo)注核素名稱。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)γ體源均勻性測(cè)量

大流量氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ源壓制成型后，采用分樣模具[10]，將壓制好的盤(pán)狀源壓制切割為6等分，放入壓樣模具中壓制成Φ50 mm盤(pán)狀源。將壓制好的分割樣品放入樣品盒中，分別置于探測(cè)器表面進(jìn)行測(cè)量，用平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示濾膜源的均勻性。

3 結(jié)果與討論

3.1 滴源

3.1.1滴源裝置滴注取樣重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

滴源裝置滴注量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。由表1結(jié)果可知，當(dāng)吸液體積為50 μL，分液體積為50 μL時(shí)滴源裝置重復(fù)性(用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示)為0.75%，優(yōu)于其他吸液-分液組合[11]。

表1 滴注量取樣重復(fù)性Table 1 The repeatability of drip sampling

3.1.2滴源參數(shù)優(yōu)化

1) 液體組成成分

液體組成成分實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2。由表2結(jié)果可以看出，當(dāng)乙醇含量大于50%時(shí)，溶液能夠在濾膜表面分散開(kāi)，向四周浸潤(rùn)開(kāi)，為了使溶液能夠較快的在濾膜表面分散開(kāi)，因此實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)液體組成成分乙醇含量為75%。

表2 液體組成成分影響Table 2 The effect of solution composition

2) 滴源間隔

滴源間隔結(jié)果示于圖3。圖3結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卧撮g隔為10 mm時(shí)，效果最佳。

a——7 mm；b——10 mm；c——12 mm圖3 滴源間距效果a——7 mm；b——10 mm；c——12 mmFig.3 The effect of droplet spacing

3.2 標(biāo)準(zhǔn)γ體源制備

通過(guò)差重法計(jì)算出制源用60Co稀釋參考液為17.357 2 g，因此60Co大流量氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ體源的活度為4.4×104Bq。不確定度分析列于表3，放射性溶液活度定值是標(biāo)準(zhǔn)γ體源活度定值的主要不確定度分量，其他分量可忽略不計(jì)。因此該方法制備的氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ體源活度定值的擴(kuò)展不確定度小于4%(k=2)。

表3 60Co氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ體源不確定度分析Table 3 Uncertainties of the measurement

3.3 標(biāo)準(zhǔn)γ體源均勻性測(cè)量

大流量氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ體源均勻性測(cè)量結(jié)果列于表4。由表4結(jié)果可知，濾膜源6等分樣品的平均值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%。

表4 氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ體源均勻性測(cè)量結(jié)果Table 4 Uniformity measurement of aerosol filter standard γ source

4 結(jié)論

采用自主設(shè)計(jì)加工的壓樣模具對(duì)濾膜進(jìn)行壓制成型，該壓樣模具有效的保證了濾膜源幾何形狀的一致性，能避免脫模過(guò)程對(duì)壓制樣品的破壞，并減少脫模過(guò)程對(duì)操作人員造成的輻射傷害。

建立了氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ體源的制備方法，制備的氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)γ體源活度為4.4×104Bq，相對(duì)擴(kuò)展不確定度(k=2)為3.6%，均勻性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。可以采用此方法制備其他γ放射性核素的氣溶膠濾膜標(biāo)準(zhǔn)源，從而為測(cè)量大流量氣溶膠樣品的γ譜儀效率刻度服務(wù)。