基于同位素稀释质谱定量的放射性核素半衰期测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于核参数测量领域，具体涉及一种长寿命放射性核素（适用于半衰期大 于i年至iXIO4年范围内）半衰期及核素测定方法。作为一种核参数的准确测量方法，可 拓展应用于长寿命放射性样品活度的准确测量和标准源的制备。
【背景技术】
[0002] 核参数测试是核科学与工程、核测试分析领域的重要研究内容，在国内外受到广 泛重视。
[0003] -般短寿命放射性核素的测量方法，是通过对该放射性核素射线的跟踪测量， 由测量时间段内核素的放射性活度衰减幅度计算该核素的半衰期，半衰期计算公式为
面，均包括放射性活度测量的实验步骤，其技术手段主要依赖放射性测量方法，包括各种a、P和Y谱技术。受放射性分析技术中效率刻度等实验步骤来源的不确定度分量影响， 放射性方法测量结果的不确定度在〇. 6%以上，而在长寿命放射性核素的半衰期测量过程 中，活度测量更受到弱信号测量困难、放射性本底干扰等多种因素影响，测量不确定度更高 达百分之几甚至百分之十几以上。
【发明内容】
[0004] 为解决现有放射性核素半衰期测定方法在测定过程中采用放射性方法所导致的 测量结果的不确定度高的技术问题，本发明采用同位素质谱的方法，重点目标瞄准半衰期 为i年至103年（有特殊需求情况下，可通过调整存放时间拓展至半衰期为数月或 104年以 上）的核素，基于母子体的放化分离和质谱测试技术，通过高精度测定放射性核素在存放 时间内含量的变化计算核素的半衰期，具体的技术方案如下：
[0005] 在该放射性溶液纯化后已存放时间准确未知的情况下，基于同位素稀释质谱定量 的放射性核素半衰期的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0006] 1)取半衰期大于1年的放射性核素，配置成溶液；或直接取半衰期大于1年的放 射性核素溶液；
[0007] 2)在溶液中分别添加放射性核素母核同位素稀释剂，采用放化分离纯化技术，制 备该放射性核素溶液中母体元素溶液样品；
[0008] 3)采用同位素稀释质谱法，测定母体元素溶液样品中放射性核素母核的核数含量 N1;
[0009] 4)经存放时间t后，再次进行放射性溶液的纯化和同位素稀释质谱法定量，测定 母核的核数含量N2;其中的时间t大于该放射性核素半衰期的1% ;
[0010] 5)由两次定量结果和准确记录的存放时间t，由下式计算该核素半衰期：
[0012] 在该放射性溶液纯化后已存放时间准确已知的情况下，基于同位素稀释质谱定量 的放射性核素半衰期的测定方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
[0013] 1)取准确记录存放时间t、半衰期大于1年的放射性核素溶液；其中的时间t大于 该放射性核素半衰期的1%;
[0014] 2)在溶液中分别添加放射性核素母核和子核的同位素稀释剂，采用放化分离纯化 技术，分别制备该放射性核素溶液中母体元素溶液样品和子体元素溶液样品；
[0015] 3)用同位素稀释质谱法定量，测定母核的核数含量N2和子体的核数含量Nd;
[0016] 4)由定量结果和存放时间t，由下式计算该核素半衰期：
[0018] 本发明的优点是：
[0019] 1、本发明采用质谱的方法，通过对长寿命放射性核素母子体含量的高精度分析， 测定母核的半衰期，摆脱了对放射性分析方法的依赖，回避了放射性射线分之比、效率校正 等过程可能产生的不确定度，提高了部分放射性核素半衰期测量的准确度。结合对母核的 准确定量结果，可应用于长寿命放射性源度活度的准确标定，不确定度水平可由放射性方 法测定结果的0. 6%左右降至0. 3%以下水平，对大部分核素半衰期测量的不确定度好于 0. 5%，最好可低至0. 1 %水平。
[0020] 2、本发明对部分长寿命放射性核素分析用样品用量少，且测试技术不涉及活度、 射线等放射性分析。基于质谱的测试方法灵敏度高，对于半衰期大于10年以上核素分析测 试用样品操作量明显少于放射性分析方法用量，减少了人员辐射风险和测试成本。
【具体实施方式】
[0021] 下面以151Sm分析为例，介绍其半衰期测定方法和计算公式。
[0022] 实施例1:标样生产时间已知条件下定量测定151Sm半衰期方法
[0023] 151Sm是重要的核材料裂变产物，在乏燃料后处理、放射性环境监测和核试验等领 域受到广泛关注。151Sm半衰期为（89±8)年，其相对不确定度约为9%，远远不能满足核分 析等领域研究需求。
[0024] 采购151Sm标液（或由浓缩15°Sm同位素反应堆辐照生成151Sm)用于半衰期的测试。 下面分别介绍基于质谱同位素稀释法定量测定151Sm的半衰期。
[0025] 依据证书提供的标样生产时间（如10年），浓度分别取约IOkBq的151Sm溶液2份， 用十万分之一天平分别称取天然Sm、Eu浓度标准作为定量用稀释剂，在1份151Sm溶液中分 别添加约3微克的天然Sm、3纳克的天然Eu;1份不添加天然浓度标准。经摇晃、静置等步 骤至使同位素交换均匀后，采用分别经化学分离纯化提取Sm、Eu元素样品溶液各2个，采用 高精度同位素质谱如多接收电感耦合等离子体质谱（热表面电离质谱亦可）分析技术，分 别测量Sm、Eu的同位素比值。
[0026] 采用天然Sm校正2个样品中Sm质量分馏，测定151Sm/15°Sm同位素比值，由天然Sm 稀释剂添加量和2个Sm样品中151Sm/15°Sm比值测量结果，计算此时151Sm的核数含量N2;采 用天然Eu校正2个样品Eu质量分馏，测定151Eu/153Eu同位素比值，由天然Eu稀释剂添加量
计算151Sm的半衰期。在半衰期计算中，&和Nd定量用的稀释剂浓度的不确定度、同位素比 值测量的校正因子的不确定度等按B类不确定度评定的相互抵消，半衰期测定的主要不确 定度来源于同位素稀释质谱法定量的精度（好于〇. 03% )，初步分析认为该方法对151Sm半 衰期测量不确定度约为〇. 6%。
[0027] 实施例2:标样生产时间未知条件下定量测定151Sm半衰期方法
[0028] 如果证书中生产年龄不准，或生产过程中Eu去除不干净，则采用以下标定过程。
[0029] 依据证书浓度分别取约IOkBq的151Sm溶液2份，用十万分之一天平称取天然Sm 浓度标准作为定量用稀释剂，在2份151Sm溶液中分别添加约3微克的天然Sm。经摇晃、静 置等步骤至使Sm交换均匀后，1份151Sm溶液分别经化学分离纯化去除Eu等干扰核素，采用 高精度同位素质谱如多接收电感耦合等离子体质谱（热表面电离质谱亦可）分析技术，经 天然Sm校正质量分馏，测定151Sm/15°Sm同位素比值，由天然Sm稀释剂添加量计算此时151Sm 的核数含量N1;将第二份添加天然Sm浓度标准溶液的151Sm静置4年后，经同样的实验步 骤，包括化学分离纯化去除干扰核素、同一天然Sm溶液校正质量分馏高精度同位素质谱分 析，测定151Sm/15°Sm同位素比值，由天然Sm稀释剂添加量计算4年后151Sm的核数含量N2，由
度、同位素比值测量的校正因子的不确定度等按B类不确定度评定的相互抵消，半衰期测 定的主要不确定度来源于同位素稀释质谱法定量的精度（好于0. 03% )，初步分析认为该 方法对151Sm半衰期测量不确定度约为0. 67 %。
【主权项】
1. 基于同位素稀释质谱定量的放射性核素半衰期的测定方法，其特征在于：包括以下 步骤： 1) 取半衰期大于1年的放射性核素，配置成溶液；或直接取半衰期大于1年的放射性 核素溶液； 2) 在溶液中分别添加放射性核素母核同位素稀释剂，采用放化分离纯化技术，制备该 放射性核素溶液中母体元素溶液样品； 3) 采用同位素稀释质谱法，测定母体元素溶液样品中放射性核素母核的核数含量N1; 4) 经存放时间t后，再次进行放射性溶液的纯化和同位素稀释质谱法定量，测定母核 的核数含量N2;其中的时间t大于该放射性核素半衰期的1% ; 5) 由两次定量结果和准确记录的存放时间t，由下式计算该核素半衰期：2. 基于同位素稀释质谱定量的放射性核素半衰期的测定方法，其特征在于：包括以下 步骤： 1) 取准确记录存放时间t、半衰期大于1年的放射性核素溶液；其中的时间t大于该放 射性核素半衰期的1% ; 2) 在溶液中分别添加放射性核素母核和子核的同位素稀释剂，采用放化分离纯化技 术，分别制备该放射性核素溶液中母体元素溶液样品和子体元素溶液样品； 3) 用同位素稀释质谱法定量，测定母核的核数含量N2和子体的核数含量N d; 4) 由定量结果和存放时间t，由下式计算该核素半衰期：
【专利摘要】本发明提供基于同位素稀释质谱定量的放射性核素半衰期测定方法，采用同位素质谱的方法，重点目标瞄准半衰期为1年至103年(有特殊需求情况下，可通过调整存放时间拓展至半衰期为数月或104年以上)的核素，本发明基于母子体的放化分离和质谱测试技术，通过高精度测定放射性核素在存放时间内含量的变化计算核素的半衰期，回避了放射性射线分之比、效率校正等过程可能产生的不确定度，提高了部分放射性核素半衰期测量的准确度。
【IPC分类】G01N21/71
【公开号】CN105067594
【申请号】CN201510465514
【发明人】徐江, 李志明, 汪伟, 李静雅, 韦冠一, 粟永阳
【申请人】西北核技术研究所
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月31日