CN115774048A - 一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，包括以下步骤：1、仪器测量程序设置；2、样品纯化；3、样品测定；4、结果计算；本专利建立的二氧化钚同位素丰度测定方法，丰度测量相对标准偏差优于0.5％，方法准确可靠，节约分析时间和人力成本。
Description
技术领域
本发明涉及后处理分析技术领域，具体涉及二氧化钚中钚同位素分析方法。
背景技术
为控制二氧化钚产品质量，必须建立相应的二氧化钚样品分析检测技术标准和完善的分析检测体系，同位素丰度是其中必须检测的项目之一，同时同位素丰度也可以帮之判断工艺系统的运行状态，为技术决策提供参考。因此准确、及时、稳定地分析二氧化钚粉末中同位素丰度是非常必要的，
热电离质谱法在钚同位素丰度的测定过程中有较好的精密度。使用传统热电离质谱法测定钚同位素丰度时，误差主要来自蒸发过程中分馏效应的影响，这是由于某一元素中较轻的同位素会在较低温度下蒸发，造成在分析过程中同位素比值会随着时间变化。一般来说随着测量进行，同位素比值会形成一条分馏曲线。如果二氧化钚样品中不含有已知的同位素，将无法获知此时的测量点对应着分馏曲线上的核素点，对样品分析造成显著影响。
全蒸发测量技术在测量过程中二氧化钚样品全部被蒸发，各个同位素以相同概率被电离，同时记录各同位素离子流对时间的积分，用同位素离子流强度积分总量计算测量结果。该技术条件克服了各同位素的蒸发速率不同的缺陷，积分总量涵盖了蒸发的全部同位素离子，有效克服了热电离质谱的分馏效应。并且不需要标准物质校正，也可以实现准确测量。方法测量过程中，离子源内灯丝的加热、各同位素信号的调试、聚焦参数的选择等主要操作步骤均需要手动操作进行，计算机负责数据采集和计算测量结果。
发明内容
本发明的目的在于：通过确定仪器的测样程序及参数，完成样品的前处理，实现全蒸发测定二氧化钚的同位素丰度。
本发明的技术方案如下：一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，包括以下步骤：
S1：仪器测量程序设置
S1.1：在仪器稳定运行条件下，设置灯丝升温程序，定位好187Re峰，增加电离带电流使187Re峰上获得0.10-0.12V信号；
S1.2：将蒸发带电流均匀加至1.6-1.8A，再次通过调整聚焦参数，增加蒸发带电流至在同位素239Pu峰上获得0.08-0.10V信号，且保持稳定；
S1.3：扫描多个法拉第杯，接收单信号基线，使采集信号趋于稳定；
S1.4：待信号稳定后，运行数据采集程序，监控239Pu信号强度，进行钚同位素丰度比值的测量；
S2：样品纯化
S2.1：称取0.5-1mg的粉末样品，于10mL聚四氟乙烯坩埚内，加入1～2mL浓硝酸，0.1mL 0.08mol/L HF氢氟酸，加热缓慢溶解，待溶解后蒸至近干；再用2mL 3mol/L H2O2进行调价平衡；
S2.2：将S2.1中试样冷却至室温后，加入2-2.5mL 2mol/L的硝酸使物质完全溶解，得到浓度为0.25-0.5g/L的溶液；
S2.3：采用离子交换法，将聚苯乙烯吡啶强碱性阴离子树脂在水中浸泡，装入分离柱，用20mL 6mol/L的硝酸溶液淋洗装好的离子交换柱，将上述S2.2所得溶液缓慢加入离子交换柱，用20mL 6mol/L的硝酸淋洗镅，用10mL 0.35mol/L的硝酸洗脱钚；
S2.4：移取1mL S2.3中钚洗脱液，等待点样测量；
S3：样品测定
样品安装采用三灯丝铼带装载组件，中带作为电离带，被测样品加载于外带上，将除过气的外带安装在仪器配套点样加热装置上，样品烘干，用取样器取1～2μL S2.4中溶液滴加样品于样品带中央，待样品烘干后，将电流迅速升至1.8A灼烧10s，然后降低电流至0；测量样品，得到同位素i与239Pu的比值Ri,239；
S4：结果计算
X中同位素的原子百分比fi(％)和质量百分比Wi(％)分别按公式(1)、公式(2)计算。
式中：
Ri,239——同位素i与239Pu的比值；
Ari——同位素i的相对原子质量；
i——分别为238、239、240、241、242。
所述S1.1中，在800-1000s内将电离带电流均匀加至4.5-4.6A。
所述S1.2中，在800-1000s内将蒸发带电流均匀加至1.6-1.8A
所述S1.3中，扫描多个法拉第杯。
所述S1.3中，接收单信号基线2分钟。
所述S1.4中，随着样品的蒸发，电离带自动控制电流上升，保持信号强度稳定，直至样品蒸发完全，蒸发带电流升至4A信号强度仍无法维持在0.1V时，隔离阀自动关闭，测样结束。
所述S2.1中，将电热板加热温度设置为160℃。
所述S2.3中，将聚苯乙烯吡啶强碱性阴离子树脂在水中浸泡24h以上。
所述S2.3中，按湿法装柱要求装入10mL分离柱。
所述S2.3中，直接用烧杯接30-50mL洗脱液。
所述S3中，点样采用红化技术。
所述S3中，样品烘干阶段采用0.5A电流
所述S3中，用取样器取1～2μL S2.3中溶液滴加样品于灯丝上，分3～5滴滴在样品带中央。
所述S3中，将样品带组件装入样品盘，在分析室真空小于5.0×10-9mbar，离子源真空小于5.0×10-8mbar条件下，等待仪器运行稳定，升高压至8000V，运行程序测量样品。
本发明的显著效果在于：按照上述方法及技术路线，建立的二氧化钚同位素丰度测定方法，丰度测量相对标准偏差优于0.5％，方法准确可靠，节约分析时间和人力成本。
具体实施方式
一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，包括以下步骤：
1、仪器测量程序设置
仪器采用热电离质谱仪，主要由转盘式固体进样系统(样品盘)、离子源、质量分析器、检测器(法拉第杯、电子倍增器)、真空系统、计算机控制和数据处理系统等组成，仪器测量配套装置有点样加热装置，三灯丝铼带装载组件。
(1)在仪器稳定运行条件下，设置灯丝升温程序，在800-1000s内将电离带电流均匀加至4.5-4.6A，定位好187Re峰，调整聚焦参数，缓慢增加电离带电流使187Re峰上获得0.10-0.12V信号。
(2)在800-1000s内将蒸发带电流均匀加至1.6-1.8A，再次通过调整聚焦参数，增加蒸发带电流至在同位素239Pu峰上获得0.08-0.10V信号，且保持稳定。
(3)扫描法拉第杯接收单信号基线2分钟，使采集信号趋于稳定。
(4)待信号稳定后，运行数据采集程序，监控239Pu信号强度，进行钚同位素丰度比值的测量，随着样品的蒸发，电离带自动控制电流上升，保持信号强度稳定，直至样品蒸发完全，蒸发带电流升至4A信号强度仍无法维持在0.1V时，隔离阀自动关闭，测样结束。
2、样品纯化
(1)称取0.5-1mg的粉末样品，于10mL聚四氟乙烯坩埚内，加入1～2mL浓硝酸，0.1mL 0.08mol/L HF氢氟酸，将电热板加热温度设置为160℃，加热缓慢溶解，待溶解后蒸至近干。再用2mL 3mol/L H2O2进行调价平衡。
(2)将(1)中试样冷却至室温后，加入2-2.5mL 2mol/L的硝酸使坩锅中的物质完全溶解，得到浓度约为0.25-0.5g/L的溶液。
(3)采用离子交换法，将聚苯乙烯吡啶强碱性阴离子树脂在水中浸泡24h以上，按湿法装柱要求装入10mL分离柱，用20mL 6mol/L的硝酸溶液淋洗装好的离子交换柱，将上述(2)所得溶液缓慢加入离子交换柱，用20mL 6mol/L的硝酸淋洗镅，用10mL 0.35mol/L的硝酸洗脱钚，并直接用烧杯接30-50mL洗脱液。
(4)将完成分离的样品溶液混合均匀，并移取1mL(3)中钚洗脱液，等待点样测量。
3、样品测定
样品安装采用三灯丝铼带装载组件，中带作为电离带，被测样品加载于外带上。点样采用红化技术，将除过气的外带安装在仪器配套点样加热装置上，样品烘干阶段采用0.5A电流，用取样器取1～2μL(1)中溶液滴加样品于灯丝上，分3～5滴滴在样品带中央，待样品干燥后，将电流迅速升至1.8A灼烧10s，然后降低电流至0；将样品带组件装入样品盘，装入仪器，在分析室真空小于5.0×10-9mbar，离子源真空小于5.0×10-8mbar条件下，等待仪器运行稳定，升高压至8000V，用上述仪器运行程序测量样品，得到同位素i与239Pu的比值Ri,239。
4、结果计算
X中同位素的原子百分比fi(％)和质量百分比Wi(％)分别按公式(1)、公式(2)计算。
式中：
Ri,239——同位素i与239Pu的比值；
Ari——同位素i的相对原子质量；
i——分别为238、239、240、241、242。
Claims (14)
1.一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：仪器测量程序设置
S1.1：在仪器稳定运行条件下，设置灯丝升温程序，定位好187Re峰，增加电离带电流使187Re峰上获得0.10-0.12V信号；
S1.2：将蒸发带电流均匀加至1.6-1.8A，再次通过调整聚焦参数，增加蒸发带电流至在同位素239Pu峰上获得0.08-0.10V信号，且保持稳定；
S1.3：扫描多个法拉第杯，接收单信号基线，使采集信号趋于稳定；
S1.4：待信号稳定后，运行数据采集程序，监控239Pu信号强度，进行钚同位素丰度比值的测量；
S2：样品纯化
S2.1：称取0.5-1mg的粉末样品，于10mL聚四氟乙烯坩埚内，加入1～2mL浓硝酸，0.1mL0.08mol/L HF氢氟酸，加热缓慢溶解，待溶解后蒸至近干；再用2mL 3mol/L H2O2进行调价平衡；
S2.2：将S2.1中试样冷却至室温后，加入2-2.5mL 2mol/L的硝酸使物质完全溶解，得到浓度为0.25-0.5g/L的溶液；
S2.3：采用离子交换法，将聚苯乙烯吡啶强碱性阴离子树脂在水中浸泡，装入分离柱，用20mL 6mol/L的硝酸溶液淋洗装好的离子交换柱，将上述S2.2所得溶液缓慢加入离子交换柱，用20mL 6mol/L的硝酸淋洗镅，用10mL 0.35mol/L的硝酸洗脱钚；
S2.4：移取1mL S2.3中钚洗脱液，等待点样测量；
S3：样品测定
样品安装采用三灯丝铼带装载组件，中带作为电离带，被测样品加载于外带上，将除过气的外带安装在仪器配套点样加热装置上，样品烘干，用取样器取1～2μL S2.4中溶液滴加样品于样品带中央，待样品烘干后，将电流迅速升至1.8A灼烧10s，然后降低电流至0；测量样品，得到同位素i与239Pu的比值Ri,239；
S4：结果计算
X中同位素的原子百分比fi(％)和质量百分比Wi(％)分别按公式(1)、公式(2)计算。
式中：
Ri,239——同位素i与239Pu的比值；
Ari——同位素i的相对原子质量；
i——分别为238、239、240、241、242。
2.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S1.1中，在800-1000s内将电离带电流均匀加至4.5-4.6A。
3.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S1.2中，在800-1000s内将蒸发带电流均匀加至1.6-1.8A。
4.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S1.3中，扫描多个法拉第杯。
5.根据权利要求4所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S1.3中，接收单信号基线2分钟。
6.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S1.4中，随着样品的蒸发，电离带自动控制电流上升，保持信号强度稳定，直至样品蒸发完全，蒸发带电流升至4A信号强度仍无法维持在0.1V时，隔离阀自动关闭，测样结束。
7.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S2.1中，将电热板加热温度设置为160℃。
8.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S2.3中，将聚苯乙烯吡啶强碱性阴离子树脂在水中浸泡24h以上。
9.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S2.3中，按湿法装柱要求装入10mL分离柱。
10.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S2.3中，直接用烧杯接30-50mL洗脱液。
11.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S3中，点样采用红化技术。
12.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S3中，样品烘干阶段采用0.5A电流。
13.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S3中，用取样器取1～2μL S2.3中溶液滴加样品于灯丝上，分3～5滴滴在样品带中央。
14.根据权利要求1所述的一种测定二氧化钚粉末中钚同位素丰度的方法，其特征在于：所述S3中，将样品带组件装入样品盘，在分析室真空小于5.0×10-9mbar，离子源真空小于5.0×10-8mbar条件下，等待仪器运行稳定，升高压至8000V，运行程序测量样品。
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