製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法與流程
2023-11-09 04:45:17 1
本發明屬於放射源製備技術領域，具體涉及一種製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法。
背景技術：
α能譜法在錒系元素的定性和定量分析中起著重要的作用。目前，α能譜法已經廣泛的應用於各領域的放射性測量中，比如核保障分析、核安全、核裂變、核數據和環境檢測等領域。在對α放射源進行α能譜測量時，測量的準確度主要依賴於所製備的α放射源的質量，高質量的固體放射源通常是放射性物質形成一種均勻一致的薄層。目前製備放射源的各種技術中電沉積法常用來製備極薄的固體放射源，這種制源方法的優勢是，沉積率高、成本便宜。然而，在一些含有多种放射性核素的放射性物質中，這些放射性核素的能譜是疊加的，用傳統電沉積方法製備的放射源在α能譜測量中能量解析度不高，所以亟待建立一種能夠明顯的提高所制源的能量解析度的新的放射源製備方法。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術中存在的不足，提供一種製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，以提高所製備α放射源的能量解析度。
本發明的技術方案如下：一種製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，包括如下步驟：
(1)在沉積槽的外側設置能夠對沉積體系施加磁場的永磁體；
(2)將清潔處理後的陰極沉積源片置於沉積槽內並使沉積槽底密封，盛入電解液並調節其ph值後再滴加放射性溶液；
(3)將連接在電極下方的陽極絲伸入沉積槽內，使之位於陰極沉積源片上方，並以設定的轉速轉動；
(4)使陽極絲和陰極沉積源片分別接通電源的正極和負極，在磁場和電場共同作用下，進行磁流體動力學電沉積製備α放射源；
(5)沉積製備結束後，取出陰極沉積源片進行清潔並晾乾備用。
進一步，如上所述的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，步驟(1)中永磁體能夠移動調整與沉積槽之間的距離，在沉積製備過程中，將永磁體緊貼沉積槽外壁設置；永磁體的n-s極方向垂直於沉積槽的軸線方向。
進一步，如上所述的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，步驟(1)中在沉積槽的兩側對稱的設置永磁體。
更進一步，所述永磁體材料選擇釹鐵硼，沉積槽採用聚四氟乙烯材料。
進一步，如上所述的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，步驟(2)中所述的陰極沉積源片的清潔方法為：機械拋光除去陰極沉積源片的氧化皮，先用少量去汙粉清洗，由去離子水清洗乾淨後，再用少量的碳酸鈉溶液進行清洗，再用去離子水清洗，如此反覆直到陰極沉積源片表面呈現均勻水膜為止，再用無水乙醇進行清洗後將其置於無水乙醇中保存直至使用為止。
進一步，如上所述的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，步驟(2)中所述的電解液為0.5mol/l的硫酸銨溶液，通過硫酸溶液調節ph值在2-2.5之間，並加入1-2滴放射性溶液。
更進一步，所述陰極沉積源片為不鏽鋼材質或銀材質；陰極沉積源片直徑為24mm，沉積時活性區的直徑為20mm。
進一步，如上所述的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，步驟(3)中陽極絲的轉速為40r/min-60r/min；陽極絲距離陰極沉積源片的距離為5mm-9mm；陽極絲採用清洗乾淨的鉑陽極絲。
進一步，如上所述的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，步驟(4)中在恆電流下進行磁流體動力學電沉積製備α放射源。
進一步，如上所述的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，步驟(5)中對陰極沉積源片進行清潔的方法為：先用去離子水清洗，再用0.1mol/l的硝酸擦拭陰極沉積源片的背面，保證非活性區清潔無汙染，最後用無水乙醇衝洗乾淨晾乾即可。
本發明的有益效果如下：
磁流體動力學電沉積方法製備放射源是在傳統電沉積法製備放射源的基礎上進行的改進，通過在沉積槽體外施加垂直於電場方向的磁場，在沉積液內部產生磁流體動力學效應，該效應能加強沉積液內部的液相傳質，減小陰極表面擴散層的厚度，進而提高沉積速率和沉積效率，大大改善源的能量解析度。
磁流體動力學電沉積方法製備放射源時，沉積槽採用聚四氟乙烯材料，避免了槽壁對放射性核素的吸附；通過永磁體的位置調整，可以實現對磁流體動力學電沉積方法製備放射源所施加的強磁的安全操作和強磁位置的準確方便調控，永磁體的位置能準確固定，進而可得知在陰極沉積源片中心處的磁通密度。本發明還可以通過輔助設備調控器使沉積槽位置準確固定、電極間距精確調控、陽極轉速方便調控等，解決了傳統電沉積法製備放射源中因這些因素的隨機波動而造成的重複性很差的問題，是對普通電沉積法製備放射源方法的很大改進和優化。
附圖說明
圖1為本發明實施例中高解析度α放射源製備方法所採用的裝置正面結構示意圖；
圖2為本發明實施例中高解析度α放射源製備方法所採用的裝置側面結構示意圖；
圖3為本發明實施例中高解析度α放射源製備方法所採用的沉積裝置結構示意圖。
圖中，1-二維定位支架；2-永磁體調控臺面；21-絲槓；22-滑塊；23-軸承座3-沉積槽；31-陰極沉積源片；32-陰極導出墊片；33-螺紋底蓋；34-防濺裝置；4-永磁體；5-沉積槽支架；6-垂直升降臂；7-陰極導出線。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
本發明所提供的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，在沉積槽外部放置一塊永磁體，對沉積體系施加磁場，沉積過程中在磁場和電場共存的情況下，產生一個與磁場和電場方向均垂直的洛倫茲力，該力的存在能加快沉積液內部的液相傳質，減小陰極擴散層的厚度，在加快沉積速率提高沉積效率的同時，可以顯著提高所制源的解析度。
製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，主要包括如下步驟：
(1)在沉積槽的外側設置能夠對沉積體系施加磁場的永磁體；
(2)將清潔處理後的陰極沉積源片置於沉積槽內並使沉積槽底密封，盛入電解液並調節其ph值後再滴加放射性溶液；
(3)將連接在電極下方的陽極絲伸入沉積槽內，使之位於陰極沉積源片上方，並以設定的轉速轉動；
(4)使陽極絲和陰極沉積源片分別接通電源的正極和負極，在磁場和電場共同作用下，進行磁流體動力學電沉積製備α放射源；
(5)沉積製備結束後，取出陰極沉積源片進行清潔並晾乾備用。
針對本發明的磁流體動力學電沉積方法，需要專門設計一種製備高解析度α放射源的裝置。可參見同期申請的專利「磁流體動力學電沉積方法製備高解析度α放射源的裝置」。該裝置包括電源、沉積槽、沉積槽支架、防濺裝置、高精度二維定位支架、永磁體、永磁體調控臺面、鉑陽極等。其中，電源選擇直流穩流穩壓電源，以滿足恆電壓電沉積和恆電流電沉積兩種不同的沉積需求。
如圖1、圖2所示，高精度二維定位支架1包括底板、垂直固定架、垂直升降臂，電極以及用於控制電極的電極旋轉電機均設置在垂直升降臂6上，垂直升降臂6的升降由外置的控制器通過對其界面上的按鈕進行操作，並通過電動調節絲槓螺母傳動裝置來實現其上下移動。在電極的下端安裝清洗乾淨的鉑陽極絲，鉑絲可以彎曲成不同的形狀。永磁體調控臺面2裝設在二維定位支架的底板上，通過高精度二維定位支架的控制器，可以方便地調節陽極的升降進而調節陽極與陰極沉積源片的間距，還可調節陽極轉速。該高精度二維定位支架主體結構採用了鋁、灰塑料、碳鋼等無磁性材料，以減少在磁流體動力學電沉積方法製備放射源過程中對磁場的幹擾。
永磁體調控臺面2包括底座、磁鐵固定板、軸承座23、絲槓21和滑塊22等部件。底座可以為一長方形鋁板，在板的對角線中心處有一個圓形的孔，用於固定沉積槽3，在孔的左右兩側對稱的安裝有軸承座23、滑塊22、磁鐵固定板和絲槓21，絲槓21設置在軸承座23上，滑塊22與絲槓21螺紋連接，磁鐵固定板固定在滑塊22上。永磁體4固定在磁鐵固定板上，使其n-s極方向垂直於沉積槽的軸線方向，永磁體4可以通過絲槓隨滑塊22在絲槓21上左右移動，進而可以調節永磁體4與沉積槽3的距離，根據底座上的長度刻度可以準確的讀出永磁體軸向端面中心與陰極沉積源片中心的距離，從而可求出沉積源片中心處的磁通密度。永磁體調控臺面2的材料選用鋁、銅、灰塑料，這些材料均無磁性，以避免對磁場的幹擾。永磁體材料選擇釹鐵硼，其典型組成為fe65％，nd33％，b1.2％，另有少量的al、nb、dy和co，它的最大磁能積可高達400kj/m3或更高。永磁體形狀為圓柱形，軸向充磁。永磁體為強磁，在沉積過程中，永磁體的放置方向為使其n-s極垂直沉積槽的軸線方向，且其與沉積槽的距離可以通過永磁體調控臺面準確調控。
將永磁體調控臺面2的底座置於高精度二維定位支架底板的表面，使高精度二維定位支架上電極的中心在永磁體調控臺面中心沉積槽孔圓心的正上方，即兩圓心在同一垂直線上。在其位置調節好之後，用四個鋁質螺母將高精度二維定位支架和永磁體調控臺面進行固定。
如圖3所示，沉積槽3採用聚四氟乙烯材料，不僅可以減少對放射性核素的吸附，也可以減小對磁場的幹擾。沉積槽體頂部敞口，陽極絲從頂部垂直伸入到沉積液中，底部由同材質的螺紋底蓋33進行密封，螺紋底蓋33中心開有一個小口。在沉積過程中沉積槽體底部的螺紋底蓋33內從下向上依次安裝有陰極導出墊片32和陰極沉積源片31，陰極沉積源片31和陰極導出墊片32緊密接觸，陰極沉積源片為厚度1mm直徑為24mm的304不鏽鋼片(也可以採用銀材料)，陰極導出墊片32為2mm厚的不鏽鋼片。其中，在陰極導出墊片32的底部焊接一根陰極導出線7，該陰極導出線7從螺紋底蓋中心小口垂直向下引出一小段長度並以90度角彎曲成水平方向引出，該引出線可直接連接電源的負極。
沉積過程中，永磁體4緊貼沉積槽3設置，為了使陰極沉積源片31處在圓柱形永磁體的外軸線上，可根據永磁體的尺寸加工沉積槽支架5以調整沉積過程中沉積槽的實際高度。為了減小對磁場的幹擾沉積槽支架5的材料也為聚四氟乙烯，支架的總體結構為上部有一凹槽的圓柱體，凹槽的內徑略大於沉積槽底螺紋底蓋的外徑，使沉積槽可以剛好放入支架的凹槽內。在圓柱形支架的一側以圓柱體的圓心為頂角開一個5度角的小口，以方便沉積槽底部陰極導出線7的引出。沉積槽支架的高度需根據永磁體的尺寸和沉積槽的體積而確定。
該裝置還在沉積槽3的頂部設計了一個聚四氟乙烯的倒圓錐形防濺裝置34，在其圓錐頂端開一個小口，以便沉積過程中陽極絲可以通過該小口而垂直伸入到沉積液中。該裝置可以防止沉積過程中陰極產生的氫氣在上升過程中對放射性溶液的載帶作用而使沉積液減少。
在磁流體動力學電沉積製備放射源過程中，先將永磁體調控臺面2與高精度二維定位支架1用螺栓固定，再將永磁體4按一定的方向固定在永磁體調控臺面2上，然後將底部密封而且裝有沉積液的沉積槽3及其支架5固定在永磁體調控臺面2上。最後將鉑陽極絲固定在高精度二維定位支架1上，並調節陽極絲與陰極沉積源片的距離為5mm-9mm，陽極的轉速為40r/min-60r/min。
實施例1
本實施例提供了一種具體製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法，可按如下流程進行。
(一)對陰極沉積源片進行前處理
將機械拋光除去氧化皮的不鏽鋼沉積源片，先用少量去汙粉清洗，去離子水清洗乾淨後，再用少量的碳酸鈉進行清洗，再用去離子水清洗，如此反覆直到陰極表面呈現均水膜為止。再用無水乙醇進行清洗後將其置於無水乙醇中保存直至使用為止。陰極沉積源片的直徑為24mm，沉積時活性區的直徑為20mm。
(二)電解液的配製
配製濃度為0.5mol/l的硫酸銨溶液，用(1+10)的硫酸溶液調節其ph值在2-2.5的範圍作為電解液備用，電解液的體積約15ml。
(三)高精度二維定位支架和永磁體調控臺面的組裝固定
將永磁體調控臺面2的底座置於高精度二維定位支架1底板的表面，使高精度二維定位支架上陽極固定器的中心在永磁體調控臺面中心沉積槽孔圓心的正上方，即兩中心在同一垂直線上。在其位置調節好之後，用四個鋁質螺母將高精度二維定位支架和永磁體調控臺面進行固定。
(四)永磁體的安裝與定位
將一磁通密度為0.7t的圓柱形永磁體4(該永磁體軸向充磁)小心置於磁鐵固定臺面的磁鐵固定板處，使其軸線方向水平用鋁質箍套將其套住，並用鋁質螺母將其固定。通過永磁體調控臺面的絲槓調節滑塊移動使永磁體置於距離沉積槽最近的位置處。
(五)沉積槽的組裝定位
將陰極導出墊片置於聚四氟乙烯螺紋底蓋的蓋底，使焊接在墊片下方的直徑為1mm的極細的不鏽鋼陰極連接線穿過螺紋底蓋中心開的直徑約5mm的圓形小口。在陰極導出墊片的上方放置取自無水乙醇中的晾乾的陰極沉積源片，使其光亮片朝上。然後將沉積槽體與螺紋底蓋旋轉進行沉積槽3的密封。將密封好的沉積槽置於圓形聚四氟乙烯的沉積槽支架上。然後將配置好的電解液用吸管完全轉移到沉積槽內，並滴加1-2滴硝酸體系的241am放射性溶液於沉積槽中並輕輕搖晃使其混合均勻，此時沉積槽內溶液為沉積液。後在沉積槽3頂端加蓋一個頂端開一小口的扇形防濺裝置。最後將沉積槽3連同支架5放入永磁體調控臺面2的中心圓孔內，此時沉積源片中心位於柱形永磁體的外軸線上，且永磁體軸向端面中心到沉積源片中心的距離約為14mm。
(六)電極間距的調整、陽極轉速的調節和陰陽極與電源的連接
在高精度二維定位支架1的電極下端安裝清洗乾淨的鉑陽極絲，鉑絲可以彎曲成不同的形狀。通過高精度二維定位支架1的輔助裝置調控器，垂直下調陽極使其浸入沉積槽3內的沉積液中並與陰極沉積源片的間距固定為5mm，並調節陽極轉速恆定在60r/min。利用導線及香蕉夾連接電源和沉積裝置的陰陽極，其中沉積裝置的陽極在陽極絲上端的電極上，陰極為沉積槽底的陰極連接線。最後接通電源，在恆電流下進行磁流體動力學電沉積製備241amα放射源，調節電流值為0.57a，此時電壓值為7.8v，沉積過程即開始。對沉積時間進行研究時發現，沉積時間小於60min時，沉積率隨沉積時間線性增加，沉積時間大於60min後，沉積率隨沉積時間的增加不大，幾乎獨立於沉積時間，因此本發明選擇60min作為適宜的沉積時間。另外，通過研究發現，隨著電流密度的增加，沉積效率呈現先增後減的趨勢，其中電流密度在180ma/cm2時沉積效率達到最大值，因此本發明選擇電流密度180ma/cm2作為最適宜的電流值。
(七)沉積結束及沉積源片後處理
在沉積結束前1min，向沉積液中滴加約1ml的氨水，以防止切斷電源後陰極沉積物的溶解。沉積結束後切斷電源、停止攪拌、提昇陽極、調節永磁鐵離沉積槽距離最遠、傾倒沉積液到廢液缸中、拆卸沉積槽、取出沉積源片。取出的沉積源片先用去離子水清洗，再用0.1mol/l的硝酸擦拭陰極沉積源片的背面，保證非活性區清潔無汙染，最後用無水乙醇衝洗乾淨並晾乾備用。
實施例2
本實施例的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法與實施例1的流程基本相同，與實施例1不同的是，陽極轉速恆定在40r/min，陽極與陰極沉積源片的間距固定為9mm，所加核素為硝酸體系的238u溶液。在沉積槽兩側對稱的施加永磁體，兩塊永磁體的磁通密度都為0.7t，且使陰極沉積源片的中心位置和每側永磁體軸向表面的中心之間距離都為14mm。裝置左右對稱，不僅可以在沉積槽的兩邊對稱的施加磁場，還可以方便地調控永磁體距離沉積槽的距離，實現不同磁場大小及磁場不同施加方式對磁流體動力學電沉積的影響的全面研究。
實施例3
本實施例的製備高解析度α放射源的磁流體動力學電沉積方法與實施例1的流程基本相同，與實施例1不同的是，陽極轉速恆定在50r/min，陽極與陰極沉積源片的間距固定為7mm，所加核素為硝酸體系的239pu溶液。在沉積槽單側施加永磁體，永磁體的磁通密度為0.7t，且使陰極沉積源片的中心位置和永磁體軸向表面的中心之間距離為18mm。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其同等技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。