激光共振电离质谱及其在核技术中的应用

激光共振电离质谱是激光共振电离技术和质谱技术相结合的一种新型质谱分析技术,具有高元素选择性和高灵敏度的特点,能有效克服商业质谱仪存在的同量异位素干扰难题。为满足复杂基体干扰下超痕量核素分析测量的需求,实验室研制了一台基于磁 电双聚焦质量分析器的激光共振电离质谱仪。该装置的质量分析器采用正向Nier-Johnson型双聚焦结构,由柱形静电分析器和扇形磁质量分析器组成。本文介绍了仪器质量分析器的结构和理论参数,并对其进行理论仿真与实验测试。结果表明,该仪器实现了方向和能量双方向聚焦,具有较小的高阶像差,仪器的水平方向放大率为0.78,质量色散达到500 mm,当源狭缝宽度0.25 mm、探测器入口狭缝宽度0.65 mm时,质量分辨率（10%峰谷）达到580左右,接近质量分辨率的理论极限605。最后,介绍了本实验室利用该仪器开展的分析测量工作,展示了该装置在强同量异位素干扰下超痕量核素测量方面的部分应用情况。     

激光共振电离质谱法选择性电离铀钚混合物中的痕量钚

利用实验室开发的激光共振电离质谱仪,初步建立了激光共振电离质谱测定钚同位素比值的方法。通过扫描测量钚原子的自电离态能级,获得了一种具有较大电离截面的三色三光子共振电离方案。对铀钚混合物模拟样品,钚元素相对于铀元素的选择性在5×10⁶以上,²⁴⁰Pu/²³⁹Pu比值测量结果的相对标准偏差为1.1%。结果表明,激光共振电离质谱技术能有效避免同量异位素干扰以及其他元素带来的强峰拖尾干扰。     

激光共振电离质谱用钚源的制备及探测效率测定

为提高激光共振电离质谱（LRIMS）中钚的原子化效率,设计制备了金属包覆钚源,以期提高LRIMS测量痕量钚的灵敏度。本工作设计加工了适用于痕量钚制源的电沉积装置,研究了水相中痕量钚的电沉积条件,实现了痕量钚的定量电沉积;对比研究了金属铂和钛的电镀条件及性能,确定了以钛为包覆层的真空蒸镀条件,实现了镀层厚度为1 μm、金属钛包覆的高效钚源中钚的总沉积率达95%。研究表明,制备的高效钚源经过LRIMS测试,仪器对钚样品的总探测效率为2.5×10^-4,原子化效率提高至7.7%,较直接滴加源提高3个数量级,为LRIMS法高灵敏测量环境中痕量钚奠定了基础。     

不同气体环境下激光诱导击穿光谱实验条件优化

激光诱导击穿光谱(LIBS)分析性能受实验条件的影响较大,为此重点研究了空气、Ar气和He气3种不同气体环境下,激光能量、采光延时和气压等实验参数对铁合金中Fe原子谱线特性的影响。结果表明,相同实验条件下,Ar气中激光等离子体的寿命最长且谱线强度最强;相较于空气与He气,Ar气中激光诱导击穿阈值最低,谱线强度随激光能量的增长更早达到饱和;分析谱线在低气压下有更小的线宽,有利于复杂LIBS谱图中谱线的识别;谱线强度随气压的变化规律与激光强度有关,当激光强度较大,谱线始终处于饱和状态时,谱线强度随气压的增大而增加,当激光强度较弱,谱线未处于饱和状态时,谱线强度随气压的增加先增加后减小。     

铀颗粒物中~(235)U/~(238)U的LA-MC-ICP-MS分析技术研究

为满足核保障和核取证中含铀颗粒物分析的需求,建立了激光剥蚀-多接收电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)测定铀颗粒物中~(235)U/~(238)U值的方法,并研究了铀颗粒物样品的装载、质量分馏的影响因素和校正方法,以及粒径10μm以下铀颗粒物的定位和分析等关键技术问题。建立了基于GBW04234的外标标准化法、基于膜去溶和LA-MC-ICP-MS联用的标准样品交叉法(SSB法)两种质量分馏校正技术,该方法对CRM124-1中~(235)U/~(238)U测量结果的相对扩展不确定度小于0.14%(k=2),测量结果与参考值在不确定度范围内一致。用显微操纵技术将颗粒物转移至覆盖定位铜网的导电胶表面,解决了微米级铀颗粒物的装载和定位问题,通过优化参数,实现了粒径5μm铀颗粒物中~(235) U/~(238)U比值的准确测量,测量结果的相对扩展不确定度小于0.64%(k=2)。     

MC-ICP-MS测量铀中低丰度铀同位素比值

高精密度地测量铀材料中的铀同位素组成信息,特别是低丰度铀同位素²³⁴U和²³⁶U,是核取证研究的重要内容。本研究采用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）测量铀同位素比值,将两种黄饼样品的酸消解液制备成²³⁸U浓度约21 000 ng/g和180 ng/g的待测样品,采用外标标准化法和标准样品交叉法校正质量分馏效应,MC-ICP-MS对²³⁸U浓度约180 ng/g的样品中²³⁵U/²³⁸U测量的相对实验标准偏差可低于0.014%。为降低超档离子流信号对低丰度铀同位素分析的影响,建立了法拉第杯接地方法,使轰击到法拉第杯上的²³⁸U⁺产生的电流在到达前置放大器之前被引入大地,该方法对²³⁸U浓度约21 000 ng/g的样品中²³⁴U/²³⁵U测量的相对实验标准偏差可低于0.020%,对浓缩铀GBW04234和GBW04238中²³⁶U/²³⁵U测量的相对实验标准偏差小于0.11%,测量结果与参考值在不确定度范围内一致。该方法的精密度较高、结果准确,可识别铀同位素组成存在一定差异的核材料,为核取证和核保障监督提供技术支持。     

不同气体环境下激光诱导击穿光谱实验条件优化

激光诱导击穿光谱(LIBS)分析性能受实验条件的影响较大,为此重点研究了空气、Ar气和He气3种不同气体环境下,激光能量、采光延时和气压等实验参数对铁合金中Fe原子谱线特性的影响。结果表明,相同实验条件下,Ar气中激光等离子体的寿命最长且谱线强度最强;相较于空气与He气,Ar气中激光诱导击穿阈值最低,谱线强度随激光能量的增长更早达到饱和;分析谱线在低气压下有更小的线宽,有利于复杂LIBS谱图中谱线的识别;谱线强度随气压的变化规律与激光强度有关,当激光强度较大,谱线始终处于饱和状态时,谱线强度随气压的增大而增加,当激光强度较弱,谱线未处于饱和状态时,谱线强度随气压的增加先增加后减小。     

飞行时间质谱宽能量聚焦反射器设计

离子的能量分散是影响飞行时间质谱分辨率的主要因素之一。本研究在Vlasak提出的宽能量聚焦反射器设计方法的基础上,通过同时优化飞行时间反射器各电极间的距离和电压的方法,使宽能量分布的离子具有更好的时间聚焦性能,并采用SIMION软件建立的仿真模型验证该方法的有效性。理论计算和仿真实验表明,本设计方法对极板加工和装配的误差可通过微调极板电压补偿,这有效地降低了仪器研制过程中的机械加工和装配精度的要求,从而进一步提高了方法的实用性。     

磁-电-四极杆级联质谱中的离子光学设计

离子光学设计是质谱仪器的核心技术,为了提高常规质谱的丰度灵敏度指标,设计了磁-电-四极杆级联质谱,并构建了一台原理实验样机。样机中的离子光学设计是仪器设计的关键内容,尤其是与最后一级质谱相关的离子透镜的设计,与常规双聚焦质谱和四极杆质谱中的透镜均有较大差异。本工作介绍了样机中的总体离子光学设计、四极杆前后相关透镜的设计、离子轨迹的 SIMION仿真计算,最后通过实验调试实现了整体设计,并测试了整套设计的总体指标。结果表明,样机比原仪器的丰度灵敏度指标提高约330倍,样机最后一级的传输率约为9%,与仿真计算结果相符。