应用新一代镭氡分析仪PC－2100测定镭的实验研究

黄秋红，董 晨，郭冬发，范增伟，田 飞，胡小华，潘景荣，王铁健

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

20世纪90年代中期，核工业北京地质研究院研制开发的PC－2000型镭氡分析仪[1]在核工业系统得到了广泛的应用。但随着铀矿地质的发展，原有仪器的电子学元器件及操作系统已经不能适应新的需要。因此，研制抗干扰性能更好、更加智能化、性能优越的新一代镭氡分析仪尤为必要。近年来核工业北京地质研究院研制成功的新一代镭氡分析仪PC－2100对探头和数据传输方式进行了重新设计和改进，使探头的屏蔽效果更好，测量更加精密。该仪器采用模块化设计、可单独使用调试，容错性强，可以自动进行高压坪曲线和阈值曲线的测试，实现了数据采集、传输、存储、处理、打印等自动化。本文介绍利用新型PC－2100镭氡分析仪对3种国家一级标准物质中的镭进行的精密测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

（1）PC－2100镭氡分析仪 （核工业北京地质研究院分析测试研究所）；

（2）镭检查源 （20.6Bq）

制备过程：称取0.0400g国家一级标准物质GBW04313a（碳酸钡镭粉末源）于50mL小烧杯中，用10%的稀盐酸溶解后，涂于闪烁室内壁和隔板，红外灯下烘干，放置平衡后，用于仪器调试；

（3）过氧化钠 （分析纯AR）；

（4）氢氧化钠 （分析纯AR）；

（5）甘露醇 （分析纯AR）；

（6）盐酸 （1.19g／mL）；

（7）氯化钡溶液 （Ba含量：20mg／mL）；

（8）硫酸溶液 （1＋1）；

（9）乙二胺四乙酸二钠溶液

制备过程：称取150g乙二胺四乙酸二钠和45g氢氧化钠，溶于去离子水，稀释到1000mL；

（10）镭标准溶液

制备过程：将一定量的标准碳酸钡镭粉末用10%的稀盐酸溶解后，装入扩散器中，配制成226Ra活度为0.5～60Bq的标准溶液；

（11）麝香草酚酞指示剂 （1g／L）。

1.2 实验方法

1.2.1 方法原理[2－4]

样品经过氧化钠和氢氧化钠熔融后，用水提取，用盐酸溶解，在溶液中加入一定量的氯化钡和硫酸溶液，使溶液中的镭形成硫酸钡镭沉淀，沉淀用EDTA溶解后转移到扩散器中，封闭数天后，将累积的氡气转移至闪烁室，50min后在PC－2100镭氡分析仪上测量。原理是：镭的衰变产物氡及其子体产生的α粒子作用在闪烁室内壁上，使ZnS（Ag）晶体受激而发出荧光，光子经过光电倍增管的转化、放大，产生光电脉冲，再经电子线路仪器放大后记录下来。脉冲计数率与α粒子的活度成正比，因此通过对光电脉冲的计数，即可计算出闪烁室中的氡浓度，根据镭氡衰变原理可以得到样品中的镭含量。

1.2.2 仪器调试

利用镭检查源对仪器进行最佳工作条件选择。测定参数为仪器的高压坪曲线、阈值曲线、本底、刻度系数、重复性、8h稳定性等。

1.2.3 样品处理

称取国家一级标准物质GBW04324（铀镭平衡源）、GBW04127（铀钍天然系矿石标准物质）、GBW04305a（铀镭平衡源）各1.0 g，平行3份于30mL铁坩埚中，按照GB／T13073—2010岩石样品226Ra的测定 射气法[3]，进行镭的溶解、分离和富集，转移至50mL扩散器中，密闭扩散器进行氡的积累，积累时间依据扩散器中226Ra的活度而定，226Ra活度大于20Bq，积累1～2d；活度在1～20Bq，积累3～8d；活度小于1Bq，积累10～15d。积累一定时间后，将氡气转移至闪烁室中，用PC－2100镭氡分析仪测量226Ra的含量。

2 结果与讨论

2.1 PC－2100镭氡分析仪的调试和性能测定

2.1.1 高压坪曲线的测定

PC－2100可以自动测定高压坪曲线，给定初始高压值和高压增量，以及每次测量的时间。即可自动改变加在光电倍增管上的高压，测定镭检查源和本底的计数率，可得到高压坪曲线 （图1、2）。由图1可见，高压为900～1100V时，源计数率较为稳定。从图2可见，当高压大于1080V后，本底计数率明显增高，说明出现噪声脉冲，这时对应的高压为坪的终点高压。因此采用高压900～1080V较为适宜。计算可得，坪长为180V，坪斜为5%／100V。本文选用高压950V作为工作电压。

图1 高压与镭检查源计数率关系曲线Fig.1 The curve of high voltage and the count rates of radium source

2.1.2 阈值曲线

给定高压950V时，改变阈值电压，阈值增量为0.05V，测量时间为30s，测定镭检查源和本底的计数率，可得到阈值曲线 （图3、4）。由图3和图4可见，当高压950V时，阈值为0.55～0.95V，源计数率和本底较稳定。本文选用0.70V为阈值电压。

图2 高压与本底计数率关系曲线Fig.2 The curve of high voltage vs the count rates of the background

图3 阈值与镭检查源计数率关系曲线Fig.3 The curve of threshold vs the count rates of radium source

图4 阈值与本底计数率关系曲线Fig.4 The curve of threshold vs the count rates of background

2.1.3 本底

PC－2100镭氡分析仪选用了噪声能当量和暗电流小的光电倍增管，并采用负高压给光电倍增管供电，以降低高压纹波对噪声的贡献，仪器的测控系统处于一个圆筒内，可以较好地屏蔽外界电磁波的干扰，降低假脉冲，从而降低噪声水平。本底测量结果见表1，本底平均值为0.025cps。

表1 本底测量结果Table 1 Detected results of background

2.1.4 刻度系数

将已知不同含量的镭标准溶液分别装入扩散器中，进行氡的积累，累积一定时间后，依次将积累的氡气导入闪烁室中，放置50min后，用PC－2100镭氡分析仪进行测量。按式（1）计算仪器的刻度系数K。

式中：K——刻度系数，Bq／cps；A0——镭标准溶液的226Ra源活度，Bq；λ——222Rn的衰变常数，取0.1813d－1；t2——送气结束时刻；t1——开始封闭时刻；Ns——镭标准溶液的平均计数率，cps；N0——本底平均计数率，cps。

经计算，本文中仪器的刻度系数为0.53 Bq／cps。

2.1.5 重复性

使用碳酸钡镭检查源，测量仪器的重复性。测量时间为20min，采样间隔1min，结果见表2。

根据表2数据计算可得，检查源平均计数率为79.67cps，标准偏差SD＝2.17，相对标准偏差RSD＝2.72%，重复性良好。

2.1.6 8h稳定性

仍使用碳酸钡镭检查源，对仪器的8h稳定性进行测试。每小时测量1次，每次测量时间为20min，结果见表3。

表2 20次重复测量结果Table 2 The determined results of 20times repeatability

表3 8h稳定性测试结果Table 3 The determination results of 8hstability

仪器稳定性由标准偏差 （S1）与统计误差 （S2）之比 （S1／S2）来判断，当S1／S2≤1.5时，仪器稳定[5]。由表3可知，在本文的稳定性测试中，S1／S2＝0.029，该 PC－2100镭氡分析仪稳定性良好。

2.2 标准物质测定

为了验证新一代镭氡分析仪PC－2100测量样品中镭的准确性，使用3种国家一级标准物质根据国家标准方法进行前处理后，用PC－2100镭氡分析仪测量镭含量 （表4）。镭分析误差允许限见表5，精密度允许限计算公式见式 （2）[6]。

重复分析精密度允许限的数学模型[6]为：

式中：YC——重复分析试样中某组分的精密度允许限，%；——重复分析试样中某组分的平均质量分数，镭用平衡当量铀含量表示，%；C——某矿物某组分重复分析精密度允许限系数，对镭，C＝1。

表4 PC－2100测量标准物质中镭的精密度和准确度Table 4 The determination accuracy and precision of radium in reference materials by PC－2100

表5 含铀样品中镭分析误差允许限Table 5 The allowable determination error limit of radium in uranium samples

根据式 （2）计算可得，3个标样GBW04324、GBW04127和GBW04305a的精密度允许限分别为24%、12%和9.0%。

综上所述可见，应用新一代镭氡分析仪测量样品中的镭含量，精密度和准确度较高，能够满足放射性矿产地质分析测试实验室质量保证规范的要求。

3 结论

应用核工业北京地质研究院研制的新一代镭氡分析仪PC－2100，可进行样品中镭含量的精密测定，稳定性良好，分析结果准确。

[1]汤三星.PC－2000型测氡仪 [J].铀矿地质，2003，19 （6）：374－379.

[2]GB／T 8538—2008，饮用天然矿泉水检验方法（4.51226镭放射性） [S].北京：中国标准出版社，2008.

[3]GB／T 13073—2010，岩石样品226Ra的测定 射气法 [S].北京：中国标准出版社，2010.

[4]GB／T 13072—2010，地质水样226Ra／228Ra放射性活度比值测定 射气法－β法 [S].北京：中国标准出版社，2010.

[5]李利权，董纯菡，魏世林，等.矿石岩石中铀镭钍的物理测定 [M].北京：原子能出版社，1981.

[6]EJ／T 751—93，放射性矿产地质分析测试实验室质量保证规范 [S].北京：中国核工业总公司，1993.