近年来,随着中国工业化的快速发展,空气质量也逐渐转差,雾霾天气逐渐增多[1,2],尤其是PM2.5颗粒的吸入对人体的健康非常有害[3]。我国环保部门非常重视对PM2.5颗粒的监测[4],2012年2月GB3095—2012《环境空气质量标准》正式颁布实施,首次将PM2.5列入环境空气质量必测项目之中。2008年美国环境保护署(EPA)第一次批准了PM2.5自动监测方法为等效方法,并开始逐步应用于国家监测网络中。

截至2012年,通过美国EPA认证的自动监测设备有11种,监测方法主要有β射线法(联用DHS)[5,6]、微量振荡天平法(联用FDMS)[7]、光散射法[8]。这三种方法中,除光散射法外,都需要在滤膜上收集PM2.5颗粒物才以实现其浓度的测量。微量振荡天平技术对滤膜质量的变化尤其敏感,当空气污染严重或湿度较大时,滤膜更换不及时会导致仪器故障。β射线自动监测仪器能够自动更换滤膜,从而有效地预防仪器故障,结合动态加热系统,能够准确测量PM2.5的浓度。然而,β射线自动监测仪器中使用的碳-14源发射的β粒子要求较高,其发射率至少要达到3×105s-1。

碳-14β标准源的常规制备工艺是通过有机合成法[9],先制备14C的甲基丙烯酸甲酯单体[10],然后通过聚合反应生成甲基丙烯酸甲脂聚合物,将其涂在铝底片上,做成有机薄膜源。该工艺制备的碳-14源发射的β粒子能量低、射程短、有机膜厚、产品自吸收大,适合做一些低发射率的标准源,不能满足β射线自动监测仪器的发射率要求,因此,研究高发射率碳-14β源的制备工艺尤其重要。

目前国内外没有关于碳-14高发射率放射源制备工艺的文献报道,本研究组经过不断优化实验条件,总结出高发射率碳-14β源的最优制备工艺。将碳酸钡、二氧化锆、丙酮的混合液磁力搅拌后过滤吸附、塑封、装壳,最终制备的碳-14β放射源的β粒子表面发射率可达106s-1。工艺简单、放射性核素利用率高、安全可靠。解决了β射线自吸收大、原料不易混合均匀、密封膜晃动的问题。

1、实验材料

1.1 主要仪器与装置

SU8020型冷场发射扫描电子显微镜:德国;碳-14测量仪:自制;LC-DMS-PRON1磁力搅拌器:力辰科技;721型可见分光光度计:上海仪电;过滤器:分为上下两个部分,螺纹相连,自制;2.5mL注射器:江苏正康医疗器械有限公司

1.2 主要材料与试剂

Ba14CO3原料:放化纯度(>99%),比活度为284mCi/g,美国;丙酮、无水乙醇:化学纯,北京化学试剂公司;吸附膜:尼龙6,孔径0.45μm,直径ϕ10mm,天津津腾实验设备有限公司;进口镀铝膜、国产PET镀铝膜、有机薄膜:聚酯薄膜作为基片,单片均匀涂抹EVA胶涂层;源壳:不锈钢,自制。

2、实验方法

2.1 放射源的制备

(1)将一定量的Ba14CO3原料放入玻璃瓶中,加入适量丙酮,再加入磁子和ZrO2磨球,其中ZrO2磨球做为研磨介质,用磁力搅拌器搅拌一定时间,搅拌后得到分布均匀的碳酸盐粉末悬浊液。

(2)用2.5mL注射器取预定体积的碳酸钡粉末悬浊液,并将所取预定体积的碳酸盐粉末悬浊液注射进入过滤装置(内部置有一个吸附膜),注射器将悬浊液全部注入过滤装置后即完成过滤吸附,示意图如图1所示,打开过滤装置,将吸附膜放置通风橱里3min,得到放射性源片。

图1放射性源片吸附过程示意图

(3)取有机膜与PET镀铝薄膜,如图2所示,将放射源载体放在有机膜与PET镀铝薄膜之间,用封膜机进行密封,裁剪得到源片。

图2放射性源片密封及装壳示意图

(4)取一个放射源壳体,将所述源片封装在放射源外壳中,得到高发射率的碳-14放射源。

2.2 混合搅拌实验

用0.25g非放碳酸钡和40mL丙酮进行混合,第一组不加磨球也不进行搅拌,在向丙酮中加入碳酸钡后静置30min进行测量。第二组只进行搅拌不加磨球,搅拌4小时后静置30min进行测量。第三组在搅拌的同时加入磨球,搅拌4小时后静置30min进行测量。

2.3 阻挡规律实验

取1mCiBa14CO3原料和33mL丙酮加入到玻璃瓶中,放入Φ2mmZrO2磨球8枚、Φ4mmZrO2磨球3枚,然后加入转子,搅拌30min。用2.5mL注射器取1mL的碳酸钡粉末(约30μCi)悬浊液加入过滤装置中进行过滤吸附,进行5次相同的操作得到5个放射性源片,测量其发射率。测量结束后进行密封装壳,测量其发射率。取30μCi的原料在不锈钢托片上测量其发射率,进行五次相同的操作。

2.4 表面污染和泄露检验

采用上述方法制备10枚碳-14β源,用酒精棉球轻擦源表面进行清洗去污。放置7天后用蘸有酒精的棉签擦拭源的全部外表面进行表面污染和泄露检验,用液闪计数器测量棉签上的放射性活度,测量结果<200Bq为合格。

3、结果与讨论

3.1 放射源的制备

3.1.1 原料的选择

目前常见的14C原料主要有碳酸钡、碳酸钠和碳酸钙,三种常见原料的部分性质对比见表1。其中碳酸钡的化学稳定性和热稳定性良好,且价格相对低廉,综合技术和经济两方面考虑,最终选择Ba14CO3作为碳-14β源的原料。

3.1.2 溶剂的选择

为使Ba14CO3能够均匀分布在载体上,选择将其制成悬浊液再进行定量吸附,由于溶剂本身会对β粒子形成阻挡,应当选择易挥发的溶剂,同时还应考虑毒性和安全性等指标。通过对比十余种常见溶剂(见表2),最终选择挥发快且安全性有保障的丙酮作为溶剂。

3.1.3 密封方式的选择

PET镀铝膜是通过真空镀铝工艺将一层薄薄的铝原子堆积到优质PET薄膜上而形成的阻隔性薄膜,具有优异的气体和光线阻隔性以及良好的防潮、耐热、耐穿刺性能。因此选用10μm厚的PET镀铝膜做为密封膜。用吸附膜均匀的吸取Ba14CO3原料,封于有机薄膜与PET镀铝膜之间做成源芯,再将源芯密封在外壳中。

3.2 混合搅拌实验

原料液的均匀度关系到制备的放射性源片的均匀性。磁力搅拌可以方便料液的取用,加入磨球可以降低原料颗粒的大小。因此选择磁力搅拌,并向其中加入适量ZrO2磨球以提高产品的均匀性。由表3可以看出,使用磁力搅拌器后悬浊液的透过率降低,表明磁力搅拌明显提高料液的均匀性,而加入磨球透过率进一步降低,表明均匀性更好。

将上述3种样品干燥后放入低真空镀膜机进行喷金,使其可以导电便于观察,然后逐个放入扫描电镜,在20000倍的放大倍数下观察其形貌特征并进行对比,由图3扫描电镜图和图4碳酸钡颗粒的长度统计图可以看出,搅拌前的碳酸钡粉末颗粒较大,经过磁力搅拌之后颗粒明显变小,在加入磨球之后颗粒被进一步研磨变小。

图3碳酸钡扫描电镜图

图4碳酸钡粒子长度统计图

3.3 阻挡规律实验

采用自制的碳-14β测量仪器在3cm处进行测量,仪器的探测效率约为5%,表4是测量仪器所显示的测量值。用10μm密封膜密封的源片,仪器示数为12878.8,放射源的β粒子实际发射率约为2.57×105s-1。吸附膜对β粒子的阻挡较为明显,推测主要原因在于吸附膜粗糙表面上的多孔结构使得部分14C原料在垂直方向上形成了堆积,上层的14C原料和周围的吸附膜材料阻挡了部分β粒子的发射。加密封膜后,对β粒子的阻挡率在17%左右,在保证安全性能的同时并未对β粒子造成过度阻挡。本研究所生产的150μCi的放射源发射率达1.1×106s-1,完全符合β射线自动监测仪器的最高使用要求。

3.4 表面污染和泄漏检验

用检验设备300SL液闪计数器(Sn:2140415),由表5可知,表面污染检验的最大值为25Bq,结果远低于国家标准的200Bq,因此可以证明用此方法制备的碳-14β源密封性好。

表4吸附膜阻挡规律实验结果

表5碳-14β源表面污染检验结果

4、结论

本文对高发射率碳-14β源的制备方法进行了研究。以Ba14CO3为原料、丙酮为溶剂,采用过滤吸附法制备了放射性源片;随后采用镀铝膜、有机膜对其密封,最后装壳得到放射源。通过对混合搅拌、阻挡规律和表面污染与泄漏的一系列研究,结果表明,采用磁力搅拌加磨球的混合方式,镀铝膜、有机膜相结合的密封方法制备的碳-14β源具有平行性好、密封性好、放射性核素利用率高、安全可靠、β粒子发射率达106s-1的优点,可满足β射线自动监测仪器中对β粒子发射率的要求。

参考文献：

[5]只茂群.环境空气可吸入颗粒物PM10连续自动监测仪TEOM微量震荡天平法与Beta射线法测定中相关问题的分析与探讨[J].科技信息(学术研究),2007(25):45-46.

[6]赵雪美,黄银芝.β射线法与微量振荡天平法的环境空气PM2.5在线监测设备应用比较[J].广东科技,2013,22(24):223-203.

[7]张元茂,郑叶飞.β射线衰减法与微量振荡天平法测定PM-(10)的比较[J].环境监测管理与技术,2002(4):21-23.

[10]孙树正.放射源的制备与应用[M].北京:原子能出版社,1992:321-322.

高岩,王念,史晨钟,刘明阳,崔洪起.高发射率碳-14β源制备方法的研究[J].同位素,2020,33(04):220-225.