热电离质谱法测定铀同位素过程中铼灯丝氧化对目标铀离子形成的影响

采用热电离质谱法(thermal ionization mass spectrometry,TIMS)测定铀同位素过程中,质量分馏效应会引起同位素比值测量值偏离真值,一般采用外标校正法对质量分馏效应进行校正,这要求测量过程中标准物质和样品产生一致的质量分馏行为。因此,除考虑点样的一致性外,测量过程中产生单一的目标离子也非常重要。本研究采用热电离质谱技术考察了铼灯丝氧化对铀同位素测定的影响。将1μg铀以硝酸盐溶液的形式点于铼样品带上,通过监测铀及其氧化物的离子流强度,发现铀主要存在U+和UOx+(x=1或2)的电离形态,并且灯丝表面氧化程度越高,UOx+的产率越高(UOx+/U+可达到1)。实验结果表明,灯丝去气过程过早使灯丝暴露于大气或点样过程中,以及使用较高的样品蒸干电流都会加剧灯丝的氧化。控制灯丝表面氧化或点样过程中加入石墨,可有效降低UOx+的产率,提高目标离子的电离效率。全蒸发测量结果表明,UOx+离子流强度大小对测量结果无明显影响,但通过降低UOx+的离子流强度,可提高测量结果的重现性,进而提高测量过程中分馏行为的一致性。该研究可为提高铀同位素测定过程中样品的利用率提供理论依据。

热电离过程中铀的化学形态及微观形貌研究

热电离质谱在分析铀同位素时由于存在质量分馏效应,影响铀同位素准确测量,通常对质量分馏效应采用外标校正法,但此方法要求测量过程中标准物质和样品应产生一致的质量分馏行为。研究了涂样和热电离过程中铀的形态变化以及涂样方式对铀电离效率的影响。通过控制不同涂样加热温度,制备出硝酸铀酰、三氧化铀和八氧化三铀等3种形态的铀样品。采用扫描电镜和拉曼光谱分析技术,结合热电离质谱,研究了硝酸铀酰、三氧化铀和八氧化三铀等样品在热电离过程中发生的形态变化,以及铀的电离效率和铀氧化物离子的产率。研究发现:(1)在真空环境下加热超过一定温度后,硝酸铀酰、三氧化铀和八氧化三铀均会转化成二氧化铀,然后以二氧化铀固态形式进行热蒸发和电离。(2)双铼带结构下,铼蒸气会沉积到铀样品表面并逐渐形成包覆层,样品原子逐渐以扩散方式渗透出包覆层实现电离。(3)当样品被制备为八氧化三铀时铀金属离子电离效率最高。进一步完善了铀在铼灯丝上的蒸发和电离机理,为铀同位素测定过程中提高样品的利用率和测量准确性提供了实验依据。