制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法与流程

本发明属于放射源制备技术领域，具体涉及一种制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法。

背景技术：

α能谱法在锕系元素的定性和定量分析中起着重要的作用。目前，α能谱法已经广泛的应用于各领域的放射性测量中，比如核保障分析、核安全、核裂变、核数据和环境检测等领域。在对α放射源进行α能谱测量时，测量的准确度主要依赖于所制备的α放射源的质量，高质量的固体放射源通常是放射性物质形成一种均匀一致的薄层。目前制备放射源的各种技术中电沉积法常用来制备极薄的固体放射源，这种制源方法的优势是，沉积率高、成本便宜。然而，在一些含有多种放射性核素的放射性物质中，这些放射性核素的能谱是叠加的，用传统电沉积方法制备的放射源在α能谱测量中能量分辨率不高，所以亟待建立一种能够明显的提高所制源的能量分辨率的新的放射源制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，以提高所制备α放射源的能量分辨率。

本发明的技术方案如下：一种制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，包括如下步骤：

(1)在沉积槽的外侧设置能够对沉积体系施加磁场的永磁体；

(2)将清洁处理后的阴极沉积源片置于沉积槽内并使沉积槽底密封，盛入电解液并调节其ph值后再滴加放射性溶液；

(3)将连接在电极下方的阳极丝伸入沉积槽内，使之位于阴极沉积源片上方，并以设定的转速转动；

(4)使阳极丝和阴极沉积源片分别接通电源的正极和负极，在磁场和电场共同作用下，进行磁流体动力学电沉积制备α放射源；

(5)沉积制备结束后，取出阴极沉积源片进行清洁并晾干备用。

进一步，如上所述的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，步骤(1)中永磁体能够移动调整与沉积槽之间的距离，在沉积制备过程中，将永磁体紧贴沉积槽外壁设置；永磁体的n-s极方向垂直于沉积槽的轴线方向。

进一步，如上所述的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，步骤(1)中在沉积槽的两侧对称的设置永磁体。

更进一步，所述永磁体材料选择钕铁硼，沉积槽采用聚四氟乙烯材料。

进一步，如上所述的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，步骤(2)中所述的阴极沉积源片的清洁方法为：机械抛光除去阴极沉积源片的氧化皮，先用少量去污粉清洗，由去离子水清洗干净后，再用少量的碳酸钠溶液进行清洗，再用去离子水清洗，如此反复直到阴极沉积源片表面呈现均匀水膜为止，再用无水乙醇进行清洗后将其置于无水乙醇中保存直至使用为止。

进一步，如上所述的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，步骤(2)中所述的电解液为0.5mol/l的硫酸铵溶液，通过硫酸溶液调节ph值在2-2.5之间，并加入1-2滴放射性溶液。

更进一步，所述阴极沉积源片为不锈钢材质或银材质；阴极沉积源片直径为24mm，沉积时活性区的直径为20mm。

进一步，如上所述的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，步骤(3)中阳极丝的转速为40r/min-60r/min；阳极丝距离阴极沉积源片的距离为5mm-9mm；阳极丝采用清洗干净的铂阳极丝。

进一步，如上所述的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，步骤(4)中在恒电流下进行磁流体动力学电沉积制备α放射源。

进一步，如上所述的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，步骤(5)中对阴极沉积源片进行清洁的方法为：先用去离子水清洗，再用0.1mol/l的硝酸擦拭阴极沉积源片的背面，保证非活性区清洁无污染，最后用无水乙醇冲洗干净晾干即可。

本发明的有益效果如下：

磁流体动力学电沉积方法制备放射源是在传统电沉积法制备放射源的基础上进行的改进，通过在沉积槽体外施加垂直于电场方向的磁场，在沉积液内部产生磁流体动力学效应，该效应能加强沉积液内部的液相传质，减小阴极表面扩散层的厚度，进而提高沉积速率和沉积效率，大大改善源的能量分辨率。

磁流体动力学电沉积方法制备放射源时，沉积槽采用聚四氟乙烯材料，避免了槽壁对放射性核素的吸附；通过永磁体的位置调整，可以实现对磁流体动力学电沉积方法制备放射源所施加的强磁的安全操作和强磁位置的准确方便调控，永磁体的位置能准确固定，进而可得知在阴极沉积源片中心处的磁通密度。本发明还可以通过辅助设备调控器使沉积槽位置准确固定、电极间距精确调控、阳极转速方便调控等，解决了传统电沉积法制备放射源中因这些因素的随机波动而造成的重复性很差的问题，是对普通电沉积法制备放射源方法的很大改进和优化。

附图说明

图1为本发明实施例中高分辨率α放射源制备方法所采用的装置正面结构示意图；

图2为本发明实施例中高分辨率α放射源制备方法所采用的装置侧面结构示意图；

图3为本发明实施例中高分辨率α放射源制备方法所采用的沉积装置结构示意图。

图中，1-二维定位支架；2-永磁体调控台面；21-丝杠；22-滑块；23-轴承座3-沉积槽；31-阴极沉积源片；32-阴极导出垫片；33-螺纹底盖；34-防溅装置；4-永磁体；5-沉积槽支架；6-垂直升降臂；7-阴极导出线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，在沉积槽外部放置一块永磁体，对沉积体系施加磁场，沉积过程中在磁场和电场共存的情况下，产生一个与磁场和电场方向均垂直的洛伦兹力，该力的存在能加快沉积液内部的液相传质，减小阴极扩散层的厚度，在加快沉积速率提高沉积效率的同时，可以显著提高所制源的分辨率。

制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，主要包括如下步骤：

(1)在沉积槽的外侧设置能够对沉积体系施加磁场的永磁体；

(2)将清洁处理后的阴极沉积源片置于沉积槽内并使沉积槽底密封，盛入电解液并调节其ph值后再滴加放射性溶液；

(3)将连接在电极下方的阳极丝伸入沉积槽内，使之位于阴极沉积源片上方，并以设定的转速转动；

(4)使阳极丝和阴极沉积源片分别接通电源的正极和负极，在磁场和电场共同作用下，进行磁流体动力学电沉积制备α放射源；

(5)沉积制备结束后，取出阴极沉积源片进行清洁并晾干备用。

针对本发明的磁流体动力学电沉积方法，需要专门设计一种制备高分辨率α放射源的装置。可参见同期申请的专利“磁流体动力学电沉积方法制备高分辨率α放射源的装置”。该装置包括电源、沉积槽、沉积槽支架、防溅装置、高精度二维定位支架、永磁体、永磁体调控台面、铂阳极等。其中，电源选择直流稳流稳压电源，以满足恒电压电沉积和恒电流电沉积两种不同的沉积需求。

如图1、图2所示，高精度二维定位支架1包括底板、垂直固定架、垂直升降臂，电极以及用于控制电极的电极旋转电机均设置在垂直升降臂6上，垂直升降臂6的升降由外置的控制器通过对其界面上的按钮进行操作，并通过电动调节丝杠螺母传动装置来实现其上下移动。在电极的下端安装清洗干净的铂阳极丝，铂丝可以弯曲成不同的形状。永磁体调控台面2装设在二维定位支架的底板上，通过高精度二维定位支架的控制器，可以方便地调节阳极的升降进而调节阳极与阴极沉积源片的间距，还可调节阳极转速。该高精度二维定位支架主体结构采用了铝、灰塑料、碳钢等无磁性材料，以减少在磁流体动力学电沉积方法制备放射源过程中对磁场的干扰。

永磁体调控台面2包括底座、磁铁固定板、轴承座23、丝杠21和滑块22等部件。底座可以为一长方形铝板，在板的对角线中心处有一个圆形的孔，用于固定沉积槽3，在孔的左右两侧对称的安装有轴承座23、滑块22、磁铁固定板和丝杠21，丝杠21设置在轴承座23上，滑块22与丝杠21螺纹连接，磁铁固定板固定在滑块22上。永磁体4固定在磁铁固定板上，使其n-s极方向垂直于沉积槽的轴线方向，永磁体4可以通过丝杠随滑块22在丝杠21上左右移动，进而可以调节永磁体4与沉积槽3的距离，根据底座上的长度刻度可以准确的读出永磁体轴向端面中心与阴极沉积源片中心的距离，从而可求出沉积源片中心处的磁通密度。永磁体调控台面2的材料选用铝、铜、灰塑料，这些材料均无磁性，以避免对磁场的干扰。永磁体材料选择钕铁硼，其典型组成为fe65％，nd33％，b1.2％，另有少量的al、nb、dy和co，它的最大磁能积可高达400kj/m³或更高。永磁体形状为圆柱形，轴向充磁。永磁体为强磁，在沉积过程中，永磁体的放置方向为使其n-s极垂直沉积槽的轴线方向，且其与沉积槽的距离可以通过永磁体调控台面准确调控。

将永磁体调控台面2的底座置于高精度二维定位支架底板的表面，使高精度二维定位支架上电极的中心在永磁体调控台面中心沉积槽孔圆心的正上方，即两圆心在同一垂直线上。在其位置调节好之后，用四个铝质螺母将高精度二维定位支架和永磁体调控台面进行固定。

如图3所示，沉积槽3采用聚四氟乙烯材料，不仅可以减少对放射性核素的吸附，也可以减小对磁场的干扰。沉积槽体顶部敞口，阳极丝从顶部垂直伸入到沉积液中，底部由同材质的螺纹底盖33进行密封，螺纹底盖33中心开有一个小口。在沉积过程中沉积槽体底部的螺纹底盖33内从下向上依次安装有阴极导出垫片32和阴极沉积源片31，阴极沉积源片31和阴极导出垫片32紧密接触，阴极沉积源片为厚度1mm直径为24mm的304不锈钢片(也可以采用银材料)，阴极导出垫片32为2mm厚的不锈钢片。其中，在阴极导出垫片32的底部焊接一根阴极导出线7，该阴极导出线7从螺纹底盖中心小口垂直向下引出一小段长度并以90度角弯曲成水平方向引出，该引出线可直接连接电源的负极。

沉积过程中，永磁体4紧贴沉积槽3设置，为了使阴极沉积源片31处在圆柱形永磁体的外轴线上，可根据永磁体的尺寸加工沉积槽支架5以调整沉积过程中沉积槽的实际高度。为了减小对磁场的干扰沉积槽支架5的材料也为聚四氟乙烯，支架的总体结构为上部有一凹槽的圆柱体，凹槽的内径略大于沉积槽底螺纹底盖的外径，使沉积槽可以刚好放入支架的凹槽内。在圆柱形支架的一侧以圆柱体的圆心为顶角开一个5度角的小口，以方便沉积槽底部阴极导出线7的引出。沉积槽支架的高度需根据永磁体的尺寸和沉积槽的体积而确定。

该装置还在沉积槽3的顶部设计了一个聚四氟乙烯的倒圆锥形防溅装置34，在其圆锥顶端开一个小口，以便沉积过程中阳极丝可以通过该小口而垂直伸入到沉积液中。该装置可以防止沉积过程中阴极产生的氢气在上升过程中对放射性溶液的载带作用而使沉积液减少。

在磁流体动力学电沉积制备放射源过程中，先将永磁体调控台面2与高精度二维定位支架1用螺栓固定，再将永磁体4按一定的方向固定在永磁体调控台面2上，然后将底部密封而且装有沉积液的沉积槽3及其支架5固定在永磁体调控台面2上。最后将铂阳极丝固定在高精度二维定位支架1上，并调节阳极丝与阴极沉积源片的距离为5mm-9mm，阳极的转速为40r/min-60r/min。

实施例1

本实施例提供了一种具体制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法，可按如下流程进行。

(一)对阴极沉积源片进行前处理

将机械抛光除去氧化皮的不锈钢沉积源片，先用少量去污粉清洗，去离子水清洗干净后，再用少量的碳酸钠进行清洗，再用去离子水清洗，如此反复直到阴极表面呈现均水膜为止。再用无水乙醇进行清洗后将其置于无水乙醇中保存直至使用为止。阴极沉积源片的直径为24mm，沉积时活性区的直径为20mm。

(二)电解液的配制

配制浓度为0.5mol/l的硫酸铵溶液，用(1+10)的硫酸溶液调节其ph值在2-2.5的范围作为电解液备用，电解液的体积约15ml。

(三)高精度二维定位支架和永磁体调控台面的组装固定

将永磁体调控台面2的底座置于高精度二维定位支架1底板的表面，使高精度二维定位支架上阳极固定器的中心在永磁体调控台面中心沉积槽孔圆心的正上方，即两中心在同一垂直线上。在其位置调节好之后，用四个铝质螺母将高精度二维定位支架和永磁体调控台面进行固定。

(四)永磁体的安装与定位

将一磁通密度为0.7t的圆柱形永磁体4(该永磁体轴向充磁)小心置于磁铁固定台面的磁铁固定板处，使其轴线方向水平用铝质箍套将其套住，并用铝质螺母将其固定。通过永磁体调控台面的丝杠调节滑块移动使永磁体置于距离沉积槽最近的位置处。

(五)沉积槽的组装定位

将阴极导出垫片置于聚四氟乙烯螺纹底盖的盖底，使焊接在垫片下方的直径为1mm的极细的不锈钢阴极连接线穿过螺纹底盖中心开的直径约5mm的圆形小口。在阴极导出垫片的上方放置取自无水乙醇中的晾干的阴极沉积源片，使其光亮片朝上。然后将沉积槽体与螺纹底盖旋转进行沉积槽3的密封。将密封好的沉积槽置于圆形聚四氟乙烯的沉积槽支架上。然后将配置好的电解液用吸管完全转移到沉积槽内，并滴加1-2滴硝酸体系的²⁴¹am放射性溶液于沉积槽中并轻轻摇晃使其混合均匀，此时沉积槽内溶液为沉积液。后在沉积槽3顶端加盖一个顶端开一小口的扇形防溅装置。最后将沉积槽3连同支架5放入永磁体调控台面2的中心圆孔内，此时沉积源片中心位于柱形永磁体的外轴线上，且永磁体轴向端面中心到沉积源片中心的距离约为14mm。

(六)电极间距的调整、阳极转速的调节和阴阳极与电源的连接

在高精度二维定位支架1的电极下端安装清洗干净的铂阳极丝，铂丝可以弯曲成不同的形状。通过高精度二维定位支架1的辅助装置调控器，垂直下调阳极使其浸入沉积槽3内的沉积液中并与阴极沉积源片的间距固定为5mm，并调节阳极转速恒定在60r/min。利用导线及香蕉夹连接电源和沉积装置的阴阳极，其中沉积装置的阳极在阳极丝上端的电极上，阴极为沉积槽底的阴极连接线。最后接通电源，在恒电流下进行磁流体动力学电沉积制备²⁴¹amα放射源，调节电流值为0.57a，此时电压值为7.8v，沉积过程即开始。对沉积时间进行研究时发现，沉积时间小于60min时，沉积率随沉积时间线性增加，沉积时间大于60min后，沉积率随沉积时间的增加不大，几乎独立于沉积时间，因此本发明选择60min作为适宜的沉积时间。另外，通过研究发现，随着电流密度的增加，沉积效率呈现先增后减的趋势，其中电流密度在180ma/cm²时沉积效率达到最大值，因此本发明选择电流密度180ma/cm²作为最适宜的电流值。

(七)沉积结束及沉积源片后处理

在沉积结束前1min，向沉积液中滴加约1ml的氨水，以防止切断电源后阴极沉积物的溶解。沉积结束后切断电源、停止搅拌、提升阳极、调节永磁铁离沉积槽距离最远、倾倒沉积液到废液缸中、拆卸沉积槽、取出沉积源片。取出的沉积源片先用去离子水清洗，再用0.1mol/l的硝酸擦拭阴极沉积源片的背面，保证非活性区清洁无污染，最后用无水乙醇冲洗干净并晾干备用。

实施例2

本实施例的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法与实施例1的流程基本相同，与实施例1不同的是，阳极转速恒定在40r/min，阳极与阴极沉积源片的间距固定为9mm，所加核素为硝酸体系的²³⁸u溶液。在沉积槽两侧对称的施加永磁体，两块永磁体的磁通密度都为0.7t，且使阴极沉积源片的中心位置和每侧永磁体轴向表面的中心之间距离都为14mm。装置左右对称，不仅可以在沉积槽的两边对称的施加磁场，还可以方便地调控永磁体距离沉积槽的距离，实现不同磁场大小及磁场不同施加方式对磁流体动力学电沉积的影响的全面研究。

实施例3

本实施例的制备高分辨率α放射源的磁流体动力学电沉积方法与实施例1的流程基本相同，与实施例1不同的是，阳极转速恒定在50r/min，阳极与阴极沉积源片的间距固定为7mm，所加核素为硝酸体系的²³⁹pu溶液。在沉积槽单侧施加永磁体，永磁体的磁通密度为0.7t，且使阴极沉积源片的中心位置和永磁体轴向表面的中心之间距离为18mm。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。