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新同位素分析技术提供了有关核材料的详细信息

2021-11-03 12:08          同位素 同位素分析

资料来源:Hauke Bosco / 汉诺威莱布尼兹大学
 
无论是被核材料污染的土壤还是考古发现。分析同位素可以帮助非常准确地确定一个样本的年龄和来源。来自汉诺威莱布尼兹大学(LUH)和美因茨约翰内斯-古腾堡大学(JGU)的研究人员现在已经开发出一种新技术,适合通过分析同位素分布来获得有关微粒子来源的信息。该项目由联邦教育和研究部(BMBF)和Siebold Sasse基金会资助了200多万欧元。他们的研究结果现在已经发表在《科学进展》上。

该方法是为核取证开发的,因此是为核材料开发的。最终,该方法可能被应用于非核样品,例如在考古学、食品或环境污染物中通过同位素分布确定样品的来源。"我们的方法几乎完整地保留了微观粒子。在理想情况下,我们只计算几万个离子。这使我们能够用不同的技术进行进一步的研究,或者,例如,将样品作为证据保存起来,"来自LUH放射生态学和辐射保护研究所的项目经理Clemens Walther教授博士解释说。

SNMS(共振激光二次中性质谱法)通过测量材料的元素和同位素组成,可以了解材料的起源和成因。例如,如果材料来自于核反应堆,这使研究人员能够得出关于反应堆类型及其运行条件的结论,或者确定材料在反应堆内停留了多长时间(燃烧)。通过这种方法,几乎所有的元素都可以被识别。研究小组的重点是锕系元素铀、钚、镅和锔,以及裂变产物,如锶、铯或锝。该出版物通过调查1986年反应堆爆炸期间释放的切尔诺贝利的粒子,证明了该方法的能力。

与传统方法相比,SNMS大多以一种准非破坏性的方式工作。因此,粒子可用于进一步研究。为此,商用TOF-SIMS仪器(静态二次离子质谱)与激光相结合,以选择性地电离各种元素。与标准的质谱方法不同,这种技术抑制了同位素,因此可以区分具有相同质量同位素的元素,如铀或钚,与传统的质谱仪相比具有优势。

这也适用于钚和镅这两种元素。这是很有意义的,因为241Pu的半衰期只有14年,会衰变成241Am。作为一个阿尔法发射体,241Am具有高度放射性毒性,并将在几年内成为切尔诺贝利地区最主要的阿尔法暴露(放射性污染)。为了在未来使用和处理被污染的地区,了解大量存在的粒子有多快和哪些同位素可以被释放是至关重要的。

由于该方法不需要大量的样品制备,如化学分离,研究人员能够在一个工作日内识别一个颗粒,将其分离并测量多达四个不同元素的同位素模式。由于这些特点,这是一个独一无二的设施。

日本大学物理研究所的Quantum/LARISSA工作组成员在该项目中使用的痕量分析方法的实验基础方面,在多个方面贡献了他们的专业知识。激光系统是在美因茨的物理研究所开发的,并在汉诺威的分析测量系统中实施。此外,通过JGU的激光质谱设备,对与环境相关的锕系元素钚、镅和锔的光学激发和电离步骤进行了测试,同时在放射生态学和辐射保护研究所对其空间分辨分析的适用性进行了鉴定。

工作小组负责人克劳斯-温特教授博士补充说。"与放射生态学和辐射防护研究所的合作特别富有成效,因为这使我们能够贡献我们的基本研究方法,以确定超痕量元素。通过合作,我们现在能够识别有害的放射性核素--即使是极少量的微小颗粒。"

他们的研究结果现在已经发表在《科学进展》上,题目是 "微粒子法医学的新视野。热粒子中238Pu和242mAm的锕系成像和检测"。
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