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129I的紧凑型AMS测量技术研究

张文慧 赵庆章 何明 修诚利 李康宁 包轶文 郭巍 李建良 苏胜勇 游曲波

张文慧, 赵庆章, 何明, 修诚利, 李康宁, 包轶文, 郭巍, 李建良, 苏胜勇, 游曲波. 129I的紧凑型AMS测量技术研究[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(4): 560-565. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
引用本文: 张文慧, 赵庆章, 何明, 修诚利, 李康宁, 包轶文, 郭巍, 李建良, 苏胜勇, 游曲波. 129I的紧凑型AMS测量技术研究[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(4): 560-565. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
Wenhui ZHANG, Qingzhang ZHAO, Ming HE, Chengli XIU, Kangning LI, Yiwen BAO, Wei GUO, Jianliang LI, Shengyong SU, Qubo YOU. Compact AMS Measurement Technology for 129I[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 560-565. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
Citation: Wenhui ZHANG, Qingzhang ZHAO, Ming HE, Chengli XIU, Kangning LI, Yiwen BAO, Wei GUO, Jianliang LI, Shengyong SU, Qubo YOU. Compact AMS Measurement Technology for 129I[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 560-565. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110

129I的紧凑型AMS测量技术研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
详细信息
    作者简介:

    张文慧(1993−),女,山西大同人,助理研究员,硕士,从事核分析技术研究;E-Mail: 1224137438@qq.com

    通讯作者: 何明,E-Mail: heminghhy@163.com
  • 中图分类号: O571.1,

Compact AMS Measurement Technology for 129I

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  • 摘要: 中国原子能科学研究院(CIAE)最新研制成功的紧凑型加速器质谱(AMS)装置,可用于14C、129I、239Pu等多种核素测量。129I是环境示踪常用的核素,129I的测量对于该装置的推广应用至关重要。经过系统实验研究,建立了基于紧凑型AMS的129I测量技术。129I/127I的测量灵敏度和精度分别达到1.5×10−14与0.81%。结果表明:该紧凑型AMS装置对于129I的测量已经达到国际先进水平,这也为129I在核环境监测、海洋污染示踪等领域的应用研究奠定了坚实的基础。
  • 图  1  紧凑型AMS的结构示意图(在线彩图)

    图  2  气体剥离器结构示意图[13]

    图  3  127I传输效率与剥离气压关系图(在线彩图)

    图  4  薄窗型类布拉格探测器整体结构示意图

    图  5  129I2+的测量能谱

    图  6  剥离气体气压和丰度灵敏度的关系(在线彩图)

    图  7  静电分析器电压与丰度灵敏度关系(在线彩图)

    图  8  标准样品标称值与测量值的关系(在线彩图)

    表  1  紧凑型加速器质谱仪参数列表

    序号名称型号(参数)作用
    1离子源NS1·1将样品进行离子化,形成负离子
    2低能端静电分析器偏转半径为65 cm,偏转角度为90°对负离子进行能量选择
    3注入磁铁偏转半径为65 cm,偏转角度为90°对负离子进行动量选择
    4加速器紧凑型串列加速器将负离子剥离为正离子,并瓦解分子离子
    5分析磁铁偏转半径为65 cm,偏转角度为90°对正离子进行动量选择
    6高能端静电分析器偏转半径为65 cm,偏转角度为90°对正离子进行能量选择
    7测量磁铁偏转半径为70 cm,偏转角度为110°对正离子进一步进行动量选择,提高质量分辨率
    8探测器入射窗为30 nm的 Si3N4膜的类布拉格型对低能量重离子进行有效探测
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    表  2  精度测量数据

    实验次数127I(10−8C)129I计数129I/127I
    (个/10−8C)
    129I/127I
    (归一值)
    1295520090.684.26×10−11
    2292120400.704.38×10−11
    3287619720.694.32×10−11
    4286020360.714.45×10−11
    5284320350.724.51×10−11
    6283219060.674.19×10−11
    7284819060.674.19×10−11
    8283320030.714.45×10−11
    9281519560.694.32×10−11
    平均值///4.34×10−11
    平均不确定度///3.53×10−13
    测量精度/%///0.81%
    下载: 导出CSV
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图(8) / 表 (2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-15
  • 修回日期:  2023-12-10
  • 网络出版日期:  2024-02-04
  • 刊出日期:  2023-12-20

129I的紧凑型AMS测量技术研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
    作者简介:

    张文慧(1993−),女,山西大同人,助理研究员,硕士,从事核分析技术研究;E-Mail: 1224137438@qq.com

    通讯作者: 何明,E-Mail: heminghhy@163.com
  • 中图分类号: O571.1,

摘要: 中国原子能科学研究院(CIAE)最新研制成功的紧凑型加速器质谱(AMS)装置,可用于14C、129I、239Pu等多种核素测量。129I是环境示踪常用的核素,129I的测量对于该装置的推广应用至关重要。经过系统实验研究,建立了基于紧凑型AMS的129I测量技术。129I/127I的测量灵敏度和精度分别达到1.5×10−14与0.81%。结果表明:该紧凑型AMS装置对于129I的测量已经达到国际先进水平,这也为129I在核环境监测、海洋污染示踪等领域的应用研究奠定了坚实的基础。

English Abstract

张文慧, 赵庆章, 何明, 修诚利, 李康宁, 包轶文, 郭巍, 李建良, 苏胜勇, 游曲波. 129I的紧凑型AMS测量技术研究[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(4): 560-565. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
引用本文: 张文慧, 赵庆章, 何明, 修诚利, 李康宁, 包轶文, 郭巍, 李建良, 苏胜勇, 游曲波. 129I的紧凑型AMS测量技术研究[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(4): 560-565. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
Wenhui ZHANG, Qingzhang ZHAO, Ming HE, Chengli XIU, Kangning LI, Yiwen BAO, Wei GUO, Jianliang LI, Shengyong SU, Qubo YOU. Compact AMS Measurement Technology for 129I[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 560-565. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
Citation: Wenhui ZHANG, Qingzhang ZHAO, Ming HE, Chengli XIU, Kangning LI, Yiwen BAO, Wei GUO, Jianliang LI, Shengyong SU, Qubo YOU. Compact AMS Measurement Technology for 129I[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 560-565. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023110
    • 129I是碘元素中唯一的长寿命放射性核素,半衰期长达1 570万年[1]。天然129I主要通过宇宙射线与大气中的氙发生核反应、热中子诱发的235U裂变和238U自发裂变等过程产生。从20世纪40年代起,人类开展的一系列核活动,如反应堆运行、核事故泄漏和乏燃料后处理等释放了大量129I到环境中[2]。人工产生的 129I主要来源于235U和239Pu的中子诱发裂变,其在环境中不断积累[3]并参与碘的地球化学循环。人类核活动所产生的129I远远超出表生环境中的天然产量(约263 kg)[4],成为目前环境中129I的主要来源[5]。因此,129I是研究人类核活动以及其对环境影响非常重要的核素,常用于环境监测[6-7]和环境过程示踪[8-9]。目前,加速器质谱(AMS)是测量环境中痕量129I的最灵敏方法[10]。加速器质谱从20世纪70年代末问世以来,逐步向专用化、小型化和紧凑化发展,国际上很多AMS实验室都开展了129I的测量方法研究,相继建立了适用于大型AMS和小型AMS装置的129I测量技术[11-12]。本文,将对中国原子能科学研究院(CIAE)最新研制的紧凑型加速器质谱进行简要介绍,并对基于该装置建立的129I测量方法进行系统概述。

    • 中国原子能科学研究院(CIAE)最新研制成功的紧凑型AMS的结构如图1所示,它主要包括离子源、低能静电分析器、注入磁铁、加速器、气体剥离器、分析磁铁、高能静电分析器、测量磁铁和探测器。此外本装置还有束流传输系统,以实现束流的高效传输。束流传输系统主要由X-Y导向器和静电四级透镜组成,这些器件结合离子加速、双聚焦磁铁和球面静电分析器等实现离子在整个加速器质谱系统的高效传输,具体参数见表1

      图  1  紧凑型AMS的结构示意图(在线彩图)

      表 1  紧凑型加速器质谱仪参数列表

      序号名称型号(参数)作用
      1离子源NS1·1将样品进行离子化,形成负离子
      2低能端静电分析器偏转半径为65 cm,偏转角度为90°对负离子进行能量选择
      3注入磁铁偏转半径为65 cm,偏转角度为90°对负离子进行动量选择
      4加速器紧凑型串列加速器将负离子剥离为正离子,并瓦解分子离子
      5分析磁铁偏转半径为65 cm,偏转角度为90°对正离子进行动量选择
      6高能端静电分析器偏转半径为65 cm,偏转角度为90°对正离子进行能量选择
      7测量磁铁偏转半径为70 cm,偏转角度为110°对正离子进一步进行动量选择,提高质量分辨率
      8探测器入射窗为30 nm的 Si3N4膜的类布拉格型对低能量重离子进行有效探测

      其中,加速器是本装置的重要部件,采用无加速管、间隙加速的方式,使得加速器缩短至近1 m,减少占地面积。加速器中的剥离系统如图2所示,剥离气体从剥离管中部进入,剥离管和流导管内径根据束流接收度和发散度设计成阶梯形状,这不仅使得剥离管中心具有较高的气压,而且提高了束流的传输效率,还能降低氦气对加速区域真空的影响(详细介绍见文献[13])。加之对AMS分析系统(包括分析磁铁、静电分析器和测量磁铁等)进行了紧凑化处理,这样既满足了重核素质量分辨,又达到了紧凑化的目标。

      图  2  气体剥离器结构示意图[13]

    • 1) 剥离气体选择

      离子穿过加速器端部(指输入高压的高压线与剥离管连接的一端)剥离气体时的角度和能量歧离对AMS的传输效率有重要影响。对于紧凑型AMS系统,由于离子能量小,这种现象尤为明显,尤其对于重离子,角度和能量离散成为限制其测量性能的主要因素。为了提高传输效率,需要选取合适的剥离介质以降低角度发散和能量离散。氦气的原子序数小,使得离子穿过氦气时相较于其它气体具有较小的角度和能量歧离;同时电离势高的特点使得氦气可将离子剥离到更高电荷态,从而也有利于传输效率的提高。因此,对于紧凑型AMS装置,氦气作为剥离气体是较为理想的选择。

      2) 传输效率测量

      为了得到紧凑型AMS系统的传输效率,实验利用127I进行了测试,如图3所示。从图中可以看出: 127I经气体剥离后电荷态主要分布在2+和3+,与之前的文献[12]所述一致。其中,剥离气压为1.42 Pa时,电荷态为2+的传输效率约为55%(蓝色、菱形图线),3+的传输效率约为16%(红色、方形图线),2+和3+总的传输效率可达71%(绿色、三角形图线),2+电荷态的传输效率是3+的3.4倍。因此对于129I测量时最佳的效率选择是2+电荷态。由图3还可以明显看出,传输效率与剥离气体气压紧密相关,输入剥离气体气压较低时(0.79 Pa),氦气较薄,负离子不能被完全剥离为正离子,故127I2+127I3+的传输效率较低,分别为36.7%和9.6%。随着输入剥离气体气压升高,氦气变厚,传输效率逐渐变高。当输入剥离气体气压为1.42 Pa时,127I2+的传输效率达到最大,为55%,略优于国际类似装置的测试数据[14-15],表明装置具有传输效率高的优势。继续增加剥离气体气压,127I2+的传输效率开始降低,这是由于粒子在介质中飞行时,与剥离气体碰撞会发成电荷交换从而使粒子的电荷态分布发生变化,即粒子电荷态分布会受到剥离气体碰撞次数的影响,而碰撞次数与气体气压有关,故剥离气体气压会影响电荷态的传输效率。另一方面,由于氦气气压变厚,粒子能散和角散增大,也会造成传输效率的下降。

      图  3  127I传输效率与剥离气压关系图(在线彩图)

    • 1) 127I的AMS系统优化

      将样品制备成AgI形式并与银粉混合后(1:1)装入靶锥中放入离子源,调节离子源将负离子引出并经过预加速后进入静电分析器,通过静电分析器的能量选择后再由注入磁铁将127I 注入到加速器,将加速器端电压设定到198 kV,利用氦气作为剥离气体将127I 剥离成不同电荷态的原子正离子,这些正离子经加速器再加速后进入分析磁铁,选择剥离几率最高的2+的电荷态,然后再由静电分析器和测量磁铁对127I2+进行能量和质量的选择后将其传输到最后的法拉第筒,最后再整体微调AMS系统使得整个系统的传输效率达到最佳,由此完成127I的AMS系统传输。

      2) 129I的AMS系统传输

      在完成127I的AMS系统优化后,保持系统其它参数不变,仅将注入磁铁、分析磁铁和测量磁铁的磁场值设置到129I的磁场值,然后换上129I标准样品,用探测器进行129I测量,并优化注入磁铁、分析磁铁和测量磁铁的磁场值使得129I的计数率达到最大,由此完成AMS系统对129I的传输。

    • 端电压为198 kV时,129I2+进入探测器时的能量仅为0.65 MeV,因此本装置的探测系统采用适用于低能量核素测量的薄窗型类布拉格探测器[16]。该探测器可以将重离子在探测器中电离产生的电子全部收集,而且对于低能量粒子,可以利用其电子倍增区,提高信噪比,有利于提高低能量离子的能量分辨率,特别适用于小型AMS。探测器的示意图如图4所示,其主体结构包括:入射窗薄膜、阴极、阳极、栅网、入射窗、探测器外壳及进气和出气等部分。为了尽量降低入射离子尤其是重离子穿过入射窗膜造成的能量损失,采用30 nm厚的Si3N4[17];内部探测室是一个直径为20 mm的圆柱形空腔,空腔内焊接有一条气路管道与法兰相连,此管道用于抽真空、充异丁烷气体以及连接真空计;阳极是一块直径7 mm的圆面与直径10 mm的圆面以半径1.5 mm圆角连接的紫铜,这样设计的小电容阳极可以得到较小的本底噪声,阳极与氮化硅窗口的距离约为17 mm,焊接在型号为BNC(M)-KY-2的连接器上,此连接器与探测器外壳绝缘,连接器后接入前置放大器(Amptek CoolFET)。

      图  4  薄窗型类布拉格探测器整体结构示意图

      图5129I2+的探测器测量能谱。可以看出,信号峰峰值在85道,信号峰与低道区的噪音和干扰能明显区分,能够很好地实现129I2+的探测与鉴别。

      图  5  129I2+的测量能谱

    • 一般来讲,测量灵敏度需要利用空白样品进行AMS系统测试,然而目前由于人工释放了大量的129I,且129I的半衰期非常长使得目前碘的所谓“空白”样品中的129I/127I比值一般都在10-13左右,因此对于129I的测量灵敏度无法直接利用空白样品进行测量。故本实验也采用国际上通用的间接测量方法[18]来获得AMS系统的129I测量丰度灵敏度。

      在AMS测量时,影响测量核素灵敏度的来源有三个:一是被测核素的同量异位素,二是质量数相同的分子本底,三是同位素本底。由于129I的唯一稳定同量异位素129Xe不能形成负离子,因此在负离子源引出阶段就完全排除,从而使得129I测量时不存在原子同量异位素的干扰。那么能对129I测量产生本底干扰的只有两个来源,一是分子同量异位素干扰(如127IHH),二是129I的同位素或临近质量数核素的本底。因此只要实验测定了分子本底和同位素本底贡献,即可得到129I的测量灵敏度。

      1) 分子本底的测定

      AMS排除分子本底的方法是气体剥离手段,通过调节剥离气体的气压,利用公式(1)即可实现分子本底的排除:

      $$ N = {N_0}{{\text{e}}^{ - \sigma d}} \text{,} $$ (1)

      其中:N为剩余分子离子数;N0为初始分子离子数;σ为分子离子解离截面;d为剥离气体的气压。由此可见,通过设定合适的剥离气体气压即可有效排除分子本底。

      本文利用129I/127I = (2.28 ± 0.20)×10−13的标准样品,将AMS系统设置到129I测量状态,并实现129I的优化传输和测量。从输入气压为0.69 Pa逐步增加剥离气体的气压,测量质量数为129的计数率和127I的束流,得到质量数为129与127I比值随剥离气压增加的关系,测量结果如图6所示。结果显示,随着剥离气压的升高,分子本底的计数指数减小,与理论完全符合。在剥离气压达到1.6 Pa后,129I/127I比值不随气压的升高而降低,而是进入一个平台区,129I/127I在误差范围内相同,平均值为129I/127I = 2.30×10−13,与标称值相符。根据分子离子瓦解的趋势,在将剥离气压设定在2.1 Pa的情况下,分子本底的贡献应该在129I/127I~1.0×10−14

      图  6  剥离气体气压和丰度灵敏度的关系(在线彩图)

      2) 同位素本底测量

      AMS装置的高能分析系统,由分析磁铁、高能端静电分析器和测量磁铁组成。这种组合能更加有效地排除同位素本底干扰。因为磁铁是对离子的动量进行分析,静电分析器是对离子能量进行分析,只有和129I相同动量的127I才能通过磁铁的选择,那么这些127I离子的能量必然比129I高1.5%,因此利用静电分析器的能量选择就可以将同位素本底排除。

      采用129I/127I = (4.32 ± 0.10)×10−11的样品,将AMS系统设置到129I测量状态,并实现129I的优化传输和测量。保持整个AMS系统测量参数不变,只改变高能静电分析器的电压,扫描质量数为129、127的计数率随静电分析器电压的变化并同时测量127I的低能端偏置束流,测量结果如图7所示。

      图  7  静电分析器电压与丰度灵敏度关系(在线彩图)

      测量结果显示,静电分析器电压为20.07 kV时是129I的最佳电压,静电分析器电压为20.38 kV时是127I的最佳电压,此电压正好比129I的电压高1.5%,和理论预期符合。由测量结果可以看出,理论上静电分析器可以将同位素127I的本底完全排除。测量结果也显示有128Te的本底,可以看出,在设定到最佳128Te的静电分析电压时其本底贡献只有3×10−4,其拖尾影响到129I测量电压时的本底贡献远小于5×10−15

      综合129I测量时分子本底的贡献为129I/127I~1.0×10−14和同位素本底的贡献小于1×10−14,可以得到本装置对129I的测量灵敏度为129I/127I ≈ 1.5×10−14

      3) 标准样品测量

      基于以上讨论,对3个129I/127I含量已知的样品进行了比对测量,测量结果如图8所示。可以看出,3个标准样品的测量结果和标称值在误差范围内符合得很好,表明该装置的129I测量方法成功建立。

      图  8  标准样品标称值与测量值的关系(在线彩图)

    • 为了得到129I的测量精度,实验采用129I/127I = (4.32 ± 0.10)×10−11的样品进行测定。首先调节AMS系统(包括注入磁铁、分析磁铁、静电分析器、测量磁铁、聚焦系统等)让129I2+离子进入探测器,并进行系统优化使得129I的计数率达到最大,然后将AMS系统设置到129I测量参数,同时测量129I的计数和127I的偏置束流,利用129I计数与127I束流计数比值,通过K次测量平均值的不确定度(σ$\bar{N}$)与其测量结果平均值($\bar{X}$)的比值得到测量精度(ν$\bar{N}$)(Xi为第i次的测量值):

      $$ \nu \bar{N} = \sigma \bar{N} / \bar{X} \times 100 {\text{%}} = \sqrt{\frac{\displaystyle\sum _{i=1}^{K}({X{{\rm{i}}}-\bar{X)}}^{2}}{K(K-1)}} / \bar{X} \times 100 {\text{%}} 。 $$ (2)

      实验数据如表2所列,结果显示,重复9次测量平均值的精度为0.81%,表明本系统具有很好的稳定性。

      表 2  精度测量数据

      实验次数127I(10−8C)129I计数129I/127I
      (个/10−8C)
      129I/127I
      (归一值)
      1295520090.684.26×10−11
      2292120400.704.38×10−11
      3287619720.694.32×10−11
      4286020360.714.45×10−11
      5284320350.724.51×10−11
      6283219060.674.19×10−11
      7284819060.674.19×10−11
      8283320030.714.45×10−11
      9281519560.694.32×10−11
      平均值///4.34×10−11
      平均不确定度///3.53×10−13
      测量精度/%///0.81%
    • 本工作介绍了原子能院最新研制的紧凑型AMS装置,基于该装置,通过剥离气体种类、电荷态的选取和剥离气压的优化设定等实验探索,实现了碘的AMS高效传输,127I2+传输效率达到55%。利用适用于低能量离子测量的类布拉格探测器,实现了能量为0.65 MeV的129I测定,并通过分子本底和同位素本底的排除实现了129I的高灵敏测定,测量灵敏度约1.5×10−14。同时系统具有很好的测量稳定性,可以用于环境129I的测量,为129I在环境示踪、核设施监测、核事故分析等方面的广泛应用奠定了基础。

参考文献 (18)

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