一种电沉积-自沉积制备α放射源实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及同位素放射源技术领域，尤其是一种用于辐射环境监测以及同位素海洋学的电沉积-自沉积制备α放射源的实验装置及其实验方法。

背景技术：

天然放射性核素²¹⁰po、²¹⁰pb、²³⁸u、²³²th、²³⁰th以及人工放射性核素²⁴¹am、^239+240pu等，以不同活度水平广泛分布在土壤、水圈、生物圈、大气圈层等环境介质中，可通过食入和吸入进入生物体内或者人体内。此外，铀矿冶炼等核设施的运行会造成环境中放射性核素水平的升高，而其他工业活动，如火电站、磷肥厂运行也可能造成环境中放射性核素(²¹⁰po、²¹⁰pb等)活度升高，从环境保护和公众健康角度来看，准确监测环境介质(大气气溶胶、饮用水、食品等)中²¹⁰po、²³⁸u、²³²th、²³⁰th、pu同位素、²⁴¹am等核素的含量是十分重要的。由于ra同位素(²²⁶ra、²²⁸ra)能帮助海洋科学家进行水团混合过程研究、²¹⁰po-²¹⁰pb等核素对能帮助研究海洋上层水体输出生产力，²²⁶ra和²¹⁰po的分析也是至关重要的。

针对上述α放射性核素的分析，往往采用α能谱法进行测量，因此制备α薄源是准确分析α放射体含量的前提。目前po的制源方法主要是依据国标《水中钋-210的分析方法》(hj813-2016)和文献中所述的银片自沉积法，其具体实施过程是：往盛有70ml样品溶液烧杯中加入2～3g抗坏血酸和0.5ml盐酸羟胺，调节溶液酸度为0.2～0.5mol/l，然后置入搅拌磁石和银片，在磁力加热搅拌器上自沉积1～2h。而目前针对土壤、沉积物、生物等介质²²⁶ra可以方便地使用γ能谱法实现测量，但是针对海水等²²⁶ra活度较低样品，大体积采样难以实现，此时电沉积制源-α能谱法测量是一种行之有效的解决方法。同样针对²³⁰th、²³⁸u、²⁴¹am、²³⁹pu等α放射性核素，样品量只需要几克，在完成色谱分离后利用电沉积制源-α能谱法测量，也能十分有效的实现分析测定目的。

现有技术的po自沉积装置或ra-th-u-pu-am等α放射性核素电沉积装置只能单独或分别进行核素制源分析，对于多种放射性核素的分析过程复杂，操作很不方便，以至辐射环境监测水平和效率十分低下，而且po在高温下的挥发，回收率很低。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种电沉积-自沉积制备α放射源实验装置及其实验方法，采用内外套筒结构的沉积槽，将电沉积和自沉积集于同一装置，通过改变电沉积溶液中的电解质类型和电沉积电压，实现多种α放射性核素制源，即断电模式时实现自沉积功能，通电模式时实现电沉积功能，自沉积时，po同位素自沉积于金属镀片的一面，能提高测量效率，降低测量时间，较好的避免了po在高温下的挥发，电沉积制备的ra、th等α源，峰形尖锐，能量分辨率合适，回收率较高，装置结构简单，使用方便，安全可靠。

本发明的目的是这样实现的：一种电沉积-自沉积制备α放射源实验装置，其特点是该实验装置由特氟龙外筒与特氟龙内筒套装成设有夹套的沉积槽，沉积槽由连接套将其固定在不锈钢底座上，所述不锈钢底座上设有接线柱和凹槽；所述特氟龙内筒的一端为设有台阶的凸台，另一端设有凸缘，筒内设有筛板；所述特氟龙外筒的一端设有止口，另一端设有翻边，其筒壁上设有进水管和出水管；所述特氟龙内筒套装在特氟龙外筒内，且由连接套将其固定在不锈钢底座上，连接套与不锈钢底座为螺纹连接；所述特氟龙内筒上设有放置铂丝电极的特氟龙旋帽，特氟龙旋帽与特氟龙内筒为螺纹连接。

所述铂丝电极一端盘成圆饼状后放置在特氟龙内筒里，另一端由特氟龙旋帽上的中心通孔引出沉积槽。

所述凹槽与不锈钢底座为同心圆设置。

所述筛板固定设置在特氟龙内筒的下部。

所述进水管与出水管为下进、上出设置在特氟龙外筒的筒壁上，且与夹套连通。

所述接线柱设置在不锈钢底座的外侧。

一种电沉积-自沉积制备α放射源实验装置的实验方法，其特点是该实验装置按下述方法在通电模式时实现α放射性核素电沉积，或断电模式时实现po自沉积：

(一)通电模式的电沉积

将待电镀样品溶液倒入特氟龙内筒，不锈钢镀片放置在不锈钢底座的凹槽内，铂丝电极一端由铂丝盘成圆饼状后放置在溶液里，另一端由特氟龙旋帽的中心通孔引出后与电源的阳极连接，其阴极与设置在不锈钢底座上的接线柱连接，调节极间距后旋紧特氟龙旋帽，然后将进水管和出水管与循环水连接，通入夹套的循环水对特氟龙内筒进行循环冷却，设定电压后接通电源，实现α放射性核素电沉积。

(二)断电模式的po自沉积

将银镀片或镍镀片放置在不锈钢底座的凹槽内，筛板上放置若干磁子后倒入待分析样品溶液，将本实验装置放于磁力搅拌器上，开启磁力搅拌和加热，若干磁子在磁场驱动下转动，将溶液混合均匀，实现po自沉积，所述加热温度为70～80℃。

本发明与现有技术相比具有电沉积和自沉积集于同一装置，通过改变电沉积溶液中的电解质类型和电沉积电压，实现多种α放射性核素制源，即断电模式时实现自沉积功能，通电模式时实现电沉积功能，自沉积时，电镀液搅拌均匀，降低核素在器壁上的吸附，同时还能保证po同位素自沉积于镀片的一面，能提高测量效率，降低测量时间，较好的避免了po在高温下的挥发，电沉积制备的ra、th等α源，峰形尖锐，能量分辨率合适，回收率较高，装置结构简单，制作成本低，使用方便，安全可靠，尤其适用于普通化学实验室的配备。

附图说明

图1为本发明的实验装置结构示意图；

图2为图1的a-a剖面图；

图3为特氟龙内筒结构示意图；

图4为特氟龙外筒结构示意图；

图5为不锈钢底座结构示意图；

图6为本发明的电沉积运用示意图；

图7为本发明的自沉积运用示意图；

图8为西北太平洋海水样品中²³⁰th回收率测定的典型α能谱谱图；

图9为东海沉积物样品中²¹⁰po活度测定的典型α能谱谱图。

具体实施方式

参阅附图1～图2，本发明由设置在不锈钢底座3上的特氟龙外筒1和特氟龙内筒2，以及连接套4和铂丝电极5组成，所述特氟龙内筒2套装在特氟龙外筒1内，组成设有夹套7结构的沉积槽，沉积槽由连接套4将其固定在不锈钢底座3上，连接套4与不锈钢底座3为螺纹连接；所述特氟龙外筒1与特氟龙内筒2之间的夹套7结构与进水管13和出水管14连通；所述进水管13和出水管14为上出、下进设置在特氟龙外筒1的筒壁上；所述特氟龙内筒2内设有筛板21，筒顶上设有与特氟龙内筒2为螺纹连接的特氟龙旋帽6，特氟龙旋帽6；所述特氟龙旋帽6上设有放置铂丝电极5的中心通孔61；所述铂丝电极5一端盘成圆饼状后放置在特氟龙内筒2里，另一端由特氟龙旋帽6上的中心通孔61引出沉积槽。

参阅附图3，所述特氟龙内筒2的一端为设有台阶22的凸台，另一端设有凸缘23，筒内设有筛板21；所述筛板21固定设置在特氟龙内筒2的下部。

参阅附图4，所述特氟龙外筒1的一端设有止口11，另一端设有翻边12，其筒壁上设有进水管13和出水管14。

参阅附图5，所述不锈钢底座3上设有接线柱31和凹槽32；所述凹槽32为同心圆设置在不锈钢底座3上。

参阅附图6，本发明在通电模式时是这样进行电沉积的：将待电镀样品溶液倒入特氟龙内筒2，不锈钢镀片放置在不锈钢底座3的凹槽32内。将铂丝电极5的一端由铂丝盘成圆饼状后放置在溶液里，另一端铂丝由特氟龙旋帽6的中心通孔61引出后与电源8的阳极连接，其阴极与设置在不锈钢底座3上的接线柱31连接，调节极间距后旋紧特氟龙旋帽6，然后将进水管13和出水管14与循环水连接，冷却水通过进水管13进入夹套7，并通过出水管14流出对特氟龙内筒2进行循环冷却，有效解决电沉积过程中的发热问题，设定电压等相关参数后接通电源，实现其他α放射性核素电沉积制源。

参阅附图7，本发明在断电模式时是这样进行自沉积的：将银镀片或镍镀片放置在不锈钢底座3的凹槽32内，并在筛板21上放置若干个磁子，倒入待分析样品溶液后将本实验装置放于磁力搅拌器10上，然后开启磁力搅拌和加热，若干个磁子在磁场驱动下转动，将溶液混合均匀，实现po自沉积，所述加热温度为70～80℃。

下面以th同位素电沉积及po自沉积制源的具体运用实例，对本发明作进一步说明。

实施例1

参阅附图6，利用本发明的实验装置进行th同位素电沉积制源，具体操作按下述步骤进行：

a、电解液制备：5％草酸铵+2％氯化铵溶液，ph值为1～2；

b、将th同位素(²³⁰th和²²⁹th)从阴离子交换树脂柱上以9mhcl溶液洗脱至干净特氟龙烧杯，在加热板上将洗脱液蒸干，随后往烧杯中加入10ml电解液溶解烧杯中残余物质；

c、将不锈钢圆片置入不锈钢底座3的凹槽32内，并将内设筛板21的特氟龙内筒2套装在特氟龙外筒1中，置入铂丝电极5后用连接套4将套装的特氟龙外筒1和特氟龙内筒2固定设置在不锈钢底座3上，利用螺纹紧密衔接组装成沉积槽；

d、将制备的电解液倒入特氟龙内筒2后旋紧特氟龙旋帽6，将恒压恒流电源8的正极接铂丝电极5，即为电沉积装置的阳极，恒压恒流电源8的负极接不锈钢底座3的接线柱31，即为电沉积装置的阴极，电流强度保持在1.2～1.4a，电沉积时间为60min；

e、电沉积实验结束后断开电源，滴加1～2滴浓度为wt％的氨水后，再继续通电3～5min，然后切断电源并倒出残液，取出的不锈钢圆片用milli-q水和乙醇冲洗后晾干，标记后送入α能谱仪中进行测量。

实施例2

在七个实际的西北太平洋海水用mno2共沉淀法富集th同位素后，需确定添加的²³⁰th示踪剂的回收率过程中，运用本发明的实验装置进行了th同位素电沉积制源实验方法稳定性和准确性的测试。

往4升酸化的海水中加入10dpm²³⁰th示踪剂后，利用kmno4和mncl2溶液在碱性条件下生成mno2共沉淀，随后加入3.66dpm²²⁹th示踪剂并将mno2用h2o2溶解后蒸干并转型为8mhno3体系，然后在阴离子交换树脂柱上进行th同位素分离提纯，其淋洗液蒸干后用10ml电解液溶解烧杯中残余物质。将溶液转移至沉积槽的特氟龙内筒2中，调节铂丝电极5与不锈钢圆片的极间距为7～10mm，调节电流电压后接通电源8，电沉积时间为60min，电沉积实验结束后断开电源并倒出溶液，取出的不锈钢圆片用milli-q水和乙醇冲洗后晾干，标记后送入α能谱仪进行测量。

依据²²⁹th的计数率计算th同位素的回收率，依据²²⁹th和²³⁰th的峰面积比值乘以初始加入²²⁹th的活度即可计算样品中²³⁰th的活度，结合初始加入的²³⁰th示踪剂的活度，即可计算mno2共沉淀法对海水中th同位素的回收率，进而计算海水中th同位素活度。依据回收率的大小和标准偏差对po自沉积制源实验方法的稳定性和准确性进行判断，其实验结果见下述表1的回收率数据表：

表1回收率数据表

从实验数据可以看出，采用本发明的实验装置进行电沉积制th同位素源的实验，可以获得较高且较稳定的po回收率，平均值为74.9±4.9％，最小值为68.5％，最大值为83.7％，该回收率可以满足实验要求。

参阅附图8，根据²²⁹th和²³⁰th峰形及能量分辨率，可以看出本发明的实验装置能满足po分析方法的要求。

实施例3

参阅附图7，利用本发明的实验装置进行po自沉积制源，具体操作按下述步骤进行：

a、将消解好的海洋沉积物样品(土壤，水体悬浮颗粒物，植被，食品，气溶胶，或者水样用fe(oh)3共沉淀法处理后的沉淀)即预处理好的po待测样品转移到酸泡过的干净特氟龙烧杯，调节溶液ph值为1～2；

b、加入1ml25％柠檬酸钠溶液、1ml20wt％盐酸羟胺溶液和0.3g抗坏血酸，充分溶解并摇匀为电解液待用；

c、将镍圆片置入不锈钢底座3的凹槽32内，并将内设筛板21的特氟龙内筒2套装在特氟龙外筒1中，然后用连接套4将套装的特氟龙外筒1和特氟龙内筒2固定设置在不锈钢底座3上，利用螺纹紧密衔接组装成沉积槽；

d、将上述制备的电解液倒入特氟龙内筒2中，在筛板21放置若干磁子，并旋紧特氟龙旋帽6；

e、将本发明的实验装置放在磁力加热搅拌器10上，开启磁力搅拌和加热，然后转速调节到100～200rpm，将加热温度设置为75℃，自沉积时间控制在4h后关闭磁力加热搅拌器10，然后倒出溶液，取出镀好的镍圆片用3mlmilli-q水和3ml乙醇冲洗并自然阴干，标记后送入α能谱仪中进行测量，依据²⁰⁹po计数率计算自沉积回收率。

实施例4

在九个实际的东海沉积柱(dh3-6)样品中²¹⁰po含量分析过程中，运用本发明的实验装置进行²¹⁰po自沉积制源实验方法稳定性和准确性的测试。

将0.5g东海沉积物转移到干净特氟龙烧杯中，加入1.0ml²⁰⁹po示踪剂(1.6647dpm/ml)，然后加入hno3:hf:hclo4＝1:1:1的混合酸，在200℃加热板上消解至澄清透明，蒸干后加入25mlmilli-q水，调节ph为1～2后加入1ml25wt％柠檬酸钠溶液、1ml20wt％盐酸羟胺溶液和0.3g抗坏血酸，充分溶解并摇匀，然后将上述配置的溶液转移至沉积槽的特氟龙内筒2中，若干个磁子放置在筛板21上，旋紧特氟龙旋帽6后将本实验装置放于磁力搅拌器10上，开启磁力搅拌并加热，在70～80℃温度下自沉积4h后关闭磁力加热搅拌器10，倒出自沉积溶液后取出镀好的镍圆片，并用milli-q水和乙醇冲洗后自然阴干，标记后送入α能谱仪中进行测量。

依据²⁰⁹po的计数率计算自沉积回收率，依据²⁰⁹po和²¹⁰po的峰面积比值乘以初始加入²⁰⁹po的活度即可计算样品中²¹⁰po的活度，依据回收率的大小和标准偏差对本发明的实验装置进行po自沉积制源方法稳定性和准确性的测试，其实验结果见下述表2的实验数据比较表：

表2实验数据比较表

从上述实验数据可以看出，采用本发明的实验装置进行po自沉积实验，可以获得较高且较稳定的po回收率，平均值为91.1±4.2％，最小值为85.3％，最大值为95.9％，该回收率可以满足实验要求。

参阅附图9，根据²⁰⁹po和²¹⁰po峰形及能量分辨率，可以看出本发明的实验装置能满足po分析方法的要求。

本发明的实验装置在断电模式下，不但适用于po自沉积测定po同位素，还可以用于分析²¹⁰bi和²¹⁰pb；在通电模式下不但可以用于电沉积制备th同位素源，还可以应用于²²⁶ra、^239+240pu、²⁴¹am、²³⁸u等其他放射性核素分析。以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。