西安加速器质谱中心多核素分析的加速器质谱仪

西安加速器质谱中心拥有的一台3MV的分析多核素的加速器质谱仪(Xi’an-AMS)是我国地学、考古、生物医学及其它运用AMS技术领域的一个实验平台。本文介绍四个核素(10Be、14C、26Al和129I)验收达到的先进水平,特别是测得14C/12C测量精度为0.2%,10Be/9Be最小比值为3.65×10-15。本文还介绍了该AMS的主要技术特点。

西安加速器质谱中心^(129)I加速器质谱分析方法建立及其在我国核环境示踪中的应用

随着中国核电的快速发展,核环境安全问题成为备受关注的基础性问题。^(129)I的加速器质谱(AMS)分析能够为我国核环境安全监测提供新的手段。新建立的西安加速器质谱中心对^(129)I测定的灵敏度达2×10^(-14),精度1.75%,为开展^(129)I的应用研究提供了良好的基础。西安加速器质谱中心已经建立了^(129)I-AMS分析的日常测量方法,建立了水样、土壤、植物等多种类型样品的制样方法,创新性地开发了无载体样品制备方法,解决了低碘含量样品中超低水平^(129)I的分离和制备技术难题。利用新建立的方法分析了我国一个核电站周边环境的^(129)I水平,结果表明^(129)I/^(127)I比值范围为(0.8~1.1)×10^(-10),与报道的大范围环境大气沉降本底水平一致,这说明没有明显可测量的^(129)I从核电厂排放到海水中,其周边环境安全可靠。

阿克量级放射性同位素分析的加速器质谱分析技术及其进展

加速器质谱(AMS)技术已发展成为测试超低含量长寿命放射性核素的最灵敏手段,探测限降低至阿克量级。该文对加速器质谱的基本原理、加速器质谱仪基本结构、仪器经历的四代发展演化情况以及加速器质谱相关的关键技术进行了综述,以便于感兴趣的科研人员或从事相关交叉研究的青年科技工作者了解加速器质谱的技术原理、发展趋势、应用领域和范围,促进该技术的应用和学科交叉融合创新。近10年来,我国加速器质谱技术发展快速,仪器设备急剧增加,实验室建设和应用领域发展迅猛,在建及建成各类设备二十余台,设备类型愈发多样化,测试核素同样经历了最初的14C单一核素到现在“主流长寿命放射性核素”的近乎全覆盖扩展,应用范围不断扩大,对我国加速器质谱实验室的建设发展情况进行梳理和汇总也正得其时。加速器质谱技术除了推动传统的基础科学研究外,必将在对全球气候、环境污染、公众健康和国际性的核材料安全防护等热点问题的研究中做出越来越大的贡献,发挥越来越重要的作用。

西安加速器质谱仪的运行和工作状况

西安加速器质谱仪(Xi’an-AMS)于2006年8月正式投入运行。在近两年的分析测试中,仪器运行正常,成功测试了14C1、0Be2、6Al和129I等共2 741个待测样品,对外测试服务占总测样品数比例达50%。为进一步优化仪器的测试性能,提高测样效率,西安加速器质谱中心与荷兰高压静电公司(HVEE)合作,对原有离子源部分进行升级改造,并对计算机控制部分做了优化。改造后的离子源头可以长时间稳定运行,且在14C测量中未发现记忆效应。

土壤样品中超痕量^129I的无载体共沉淀分离及加速器质谱测定

环境样品中超微量129I的准确测定是天然129I地质定年和环境示踪应用的关键。本研究通过高温热解法分离土壤中的碘,并将其收集于碱性捕集液中,再利用AgI-AgCl共沉淀方法实现捕集液中碘的无载体分离;采用3 MV加速器质谱仪测量沉淀样品中129I/127I比值。通过优化分离和分析条件,高温热解过程中碘的分离效率达95%以上;无载体共沉淀过程碘的回收率为75%～85%;样品中碘的总分离效率大于70%。应用本方法对低碘含量土壤样品中129I/127I原子比值低至10-11的超微量129I进行了准确测定。结果表明:本方法适用于129I/127I比值低至10-12的同类样品的分析。

暴露测年样品中^(26)Al和^(10)Be分离及其加速器质谱测定

在已有实验流程基础上,建立并优化了石英样品中Be和Al提取、纯化等实验流程,设计的流程条件实验包括实验试剂、器皿和离子交换柱选择、离子交换树脂分离Be和Al时酸浓度选择等。结果表明,选择钢铁研究总院研制的9Be标准溶液作为10Be样品制备的载体;使用一次性实验器皿;选用4 cm规格的离子交换柱;用0.05 mol/L草酸和0.75 mol/L盐酸混合溶液洗脱吸附于阴离子树脂上的Al,可有效提取、纯化样品中的Be和Al。加速器质谱(AMS)测量结果显示,13组化学空白的10Be/9Be和26Al/27Al比值平均值分别为7.48×10-15和1.96×10-15,与国内已有宇宙成因核素实验室的结果(5×10-15～8×10-15)具有可比性。电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)的测量结果表明,Be、Al回收率分别达90%和60%。基于新建立的实验流程分析了祁连山北侧金佛寺的一个岩石样品,获得了10Be和26Al的暴露年代分别为(10.7±1.0)ka和(10.0±1.2)ka,与前人研究结果一致。

^129 I 加速器质谱分析研究

通过对129I加速器质谱(AMS)分析中影响敏度和准确度各种参数的研究,如靶电极制备、压样、靶样中辅助介质(Matrix)的选择及使用比例等,优化了用于3 MV加速器质谱仪的SO-110型离子源的条件参数,确定129I-AMS测量的最佳靶电极材料为Cu,最佳的辅助介质为Nb粉末,Nb与AgI样品的最佳体积比为3∶1。在此条件下可以获得稳定且持续的I-束流进行测量129I/127I原子比值,实验测得西安加速器质谱仪的129I/127I本底值为1.52×10-14。

铍的长寿命放射性同位素加速器质谱测量研究与进展

铍(Be)的两种长寿命放射性同位素^(10)Be与~7Be在地质及环境科学等领域有着广泛的运用,对于二者准确、灵敏、便捷、低成本和快速的测定一直是科学家们基于实际应用所追求的目标。二者不同的衰变模式与半衰期决定了测量的主要方式:^(10)Be依赖于加速器质谱法(AMS);而~7Be最为广泛的是γ射线能谱法,但~7Be的AMS测量可以弥补γ射线能谱法相对效率低,灵敏度差的劣势。本文回顾了^(10)Be与~7Be的加速器质谱测量研究现状与进展,特别是结合不同的原理与方法介绍了^(10)Be-AMS技术的发展。以此同时,本文还介绍了西安加速器质谱中心3 MV AMS测量^(10)Be的工作的现状,及近期结合超级卤素负离子对^(10)Be测量的新方法;并对~7Be-AMS测量在Xi’an-AMS上的可能性初探进行报道。

利用加速器质谱仪进行快速^(129)I检测的方法研究

加速器质谱法是^(129)I最灵敏的检测方法。传统方法分析样品时通常需要复杂的化学制样流程,对样品中碘元素进行分离、富集和纯化,测试周期较长,成本高。在核应急分析等类型的应用研究中,需要对大批量样品中的^(129)I含量开展快速检测,针对此类应用需求特点,本研究尝试开发一种快速、流程简便并且成本低廉的^(129)I-AMS检测方法。以三种已知^(129)I水平的国际标准物质作为研究样品,将干燥和研磨均匀化的样品粉末直接与加入过本底碘的电热导体介质(Nb粉末)混合后压入靶座,实现快速制靶,进行加速器质谱测量,再结合制靶时称量的相关质量关系数据就能直接计算得出原始样品中的^(129)I活度。通过对测量数据与已知值进行比较分析验证了方法的可靠性,估算方法的探测下限可达0.15μBq?g^(-1)。

西安地区2008年降雨^(129)I水平与特征分析

降雨是大气中碘向陆地沉降的最主要方式。通过分析降雨中的^(129)I浓度和^(129)I/^(127)I比值,既可获得研究区域放射性碘的基础数据,也可为认识碘的来源提供基础数据。本工作分析了在西安收集的近1年(2008年4—10月)的降雨的^(129)I的浓度和水平,由于雨水样品中有机碘份额较高,采用NaOH热分解有机碘的方法对其进行了分解,萃取过程的化学回收率达63.3%—74.8%。127I浓度为0.45—14.10μg?L-1,^(129)I浓度为(1.18—48.91)×10~7 atoms?L-1,^(129)I和^(127)I浓度的变化趋势相似,具有随季节变化的特点,春季降雨^(129)I的浓度为(2.49—4.89)×10~8 atoms?L-1,^(129)I/^(127)I比值为(7.3—9.8)×10^(-9),夏、秋季降雨^(129)I的浓度为(1.18—7.32)×10~7 atoms?L^(-1),^(129)I/^(127)I比值为(1.2—12.0)×10^(-9),春季(4—5月)^(129)I、^(127)I浓度出现一个峰值,可能是由于春季降雨量少,大气中的^(127)I、^(129)I能够积累较长时间,之后通过湿沉降从大气中被去除。西安地区2008年降雨^(129)I的浓度及水平,与国际上已报道的不同地区雨水的^(129)I浓度和水平比较,处于较低水平,主要原因是我国及周边没有正在运行的大型核燃料后处理厂。西安降雨^(129)I/^(127)I比值总体上高于我国沿海海水和以海水中碘为主要来源的海藻,这一特征比值提示了西安降雨中的碘与我国沿海海水中的碘的来源存在差异。

西安市2013—2017年大气PM2.5的时空变化特征及影响因素分析

为了解西安市近年大气颗粒物PM2.5污染现状,为进一步研究、治理和控制区域PM2.5污染以及空气质量情况预警预测提供可靠的科学依据,并服务于西安市将于2019年举办的第二届“一带一路”国际合作高峰论坛,本文基于西安市13个国控空气质量监测站2013年7月2017年12月的PM2.5质量浓度监测数据和同期气象资料,对不同时空尺度下PM2.5的质量浓度变化特征及影响因素进行了分析。研究结果表明:近几年西安市PM2.5一级浓度标准日达标率由15.71%逐渐升高到27.25%,但冬季依然存在高污染天气。PM2.5浓度冬季高、夏季低;具有周末和节假日浓度高于工作日的“周末效应”;日变化呈现上午、凌晨高,下午低的日变化双峰模式。PM2.5浓度在空间上具有城北高于城南,城区高于城郊区县的特征。人为活动和气象要素都在一定程度上影响区域PM2.5质量浓度。

西安市2016-2017年大气化石源CO2的14C示踪研究与来源的初步分析

14C是研究城市中化石能源碳排放状况的有效手段;认识化石源CO2(CO2ff)的主要来源将有利于针对性地制定减排方案。本文利用分子筛主动吸附采样方法对西安市大气CO2行了连续积时采样,并利用AMS-^14C示踪方法,研究了西安市2016-2017年CO2ff的浓度变化,同时基于CO2ff与大气污染物的同源性,对CO2ff的主要来源进行了定性分析。2016年1月至2017年1月,西安大气△^14C季节变化显著,变化范围是(-1.00±2.84)‰-(-187.25±3.62)‰,平均值为(-63.20±17.35)‰,相对于2012-2013年的平均值(-41.3±27.4)‰有明显的下降。CO2ff变化范围是(6.91±1.94)-(105.60±3.09)μmol·mol^-1,呈显著的夏季低、冬季高的季节变化特征,与前人研究结果一致。CO2ff与SO2及NO2浓度总体上呈相同的季节变化特征,但与两者的相关性存在季节差异:在春夏季,CO2ff与SO2(R2=0.47,p<0.01)的相关性较强;而在秋冬季,CO2ff与NO2(R2=0.73,p<0.01)的相关性更为显著。可能是由于大气扩散条件的改变使得采样点CO2ff的主要来源发生了变化。春夏季节,大气扩散条件较好,采样点化石源CO2可能主要受到工业燃煤(高空排放)的影响,而秋冬季节,受到不利于扩散的气象条件的影响,化石源CO2可能主要受到采样点周围交通源(近地面排放)的影响。该研究结果可为CO2ff的源解析研究及大气CO2样品采集提供参考。

^(41)Ca的AMS测量方法及在生物医学领域的应用

钙(Ca)的长寿命放射性核素^(41)Ca是理想且安全的生物示踪剂,在生物医学领域具有重要价值,但其发展一直受制于测量技术。传统衰变计数法测量效率极低、样品需求量高且耗费时间长,无法有效开展^(41)Ca分析;普通质谱方法很难剔除同量异位素41K和分子碎片的干扰,难以获得理想的探测限。而加速器质谱法(AMS)测定^(41)Ca具有样品用量小(mg量级)、测量时间短(约1 h)、检测灵敏度高(^(41)Ca/^(40)Ca丰度灵敏度最低可至10^(-15))等优点,是目前分析^(41)Ca最常用的方法。AMS测量的关键是如何有效剔除或分离同量异位素41K。本研究从样品形式的选择和仪器技术两方面综述了^(41)Ca的AMS测量方法发展进程。一方面,使用CaH_(2)或CaF_(2)作为主要样品形式目前可以有效抑制41K的干扰。CaF_(2)制备流程更简单,存储更方便,束流引出阶段对同量异位素41K的抑制在4个量级左右,满足添加^(41)Ca为示踪剂的生物医学样品的分析要求。另一方面,随着AMS逐渐小型化,^(41)Ca-AMS测量技术也在不断改进。对比不同能量下AMS分析^(41)Ca的特点、优势和局限性,其中:高能量大型(≥5 MV)AMS对41K有足够的辨别能力,测量灵敏度一般在10^(-14)~10^(-15),但由于成本和仪器运行专业性过高的要求,使其应用不够广泛;低能量小型(≤3 MV)AMS应用最为广泛,虽然只能将^(41)Ca和41K部分分离,但可以通过dE/dx、ΔTOF和ISA等方法对^(41)Ca实现直接测量,测量灵敏度在10^(-12)~10^(-13)或有望更低;而更低能量的紧凑型(≤1 MV)AMS无法在低能量情况下将^(41)Ca和41K分离,只能通过39K校正的间接方法实现对^(41)Ca的测量,测量灵敏度一般为10^(-11)~10^(-12)之间。在此基础上,本研究介绍了基于^(41)Ca-AMS分析技术在生物医学领域中的应用。^(41)Ca示踪技术是目前探究生物体骨钙代谢的重要手段,在评估人类骨骼健康、监测骨重塑动态和建立人类钙平衡的线性动力学模型等方面具有潜力。^(41)Ca-AMS示踪技术可以用于临床医学中相关疾病的早期诊断和预后监测;评估失重对股骨摄取外源钙能力的影响以及骨量下降和骨钙代谢紊乱的机理,从而提出针对性的预防和治疗措施;^(41)Ca标记体内钙库,可以更精准的测量钙吸收率,为临床上补钙剂量的确定提供理论指导;还可以通过探究细胞内钙离子动力学从而研究相关疾病的机理。此外,^(41)Ca-AMS技术还可以对植物体进行示踪研究,有望为农作物的科学补钙和破译植物-土壤系统界面化学相互作用过程提供帮助。可见,^(41)Ca在生物医学领域研究中具有广泛的应用,且由于其极低的放射性,在涉及人体的研究中其安全性有着不可替代的优势,而近年随着国内^(41)Ca-AMS分析技术的发展,有望为我国深入开展相关前沿研究提供技术支撑。

洛川黄土国家地质公园SWOT分析与深度开发

针对洛川黄土国家地质公园旅游市场疲软,与黄土地质遗迹极高的科学、科普价值不匹配等问题,运用SWOT态势分析法,对洛川黄土国家地质公园进行系统诊断,提出了加快现代化地质博物馆建设、加强专业人才培养、提高科普效应、整合资源、联合申报世界地质公园、产权分离、广泛融资等发展战略,以期为洛川黄土国家地质公园深度开发和区域可持续发展提供科学依据。

硫化物矿物LA-ICP-MS激光剥蚀元素信号响应

采用193 nm ArF准分子激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)对5种天然硫化物矿物进行激光剥蚀分析,基于不同硫化物矿物的剥蚀形貌特征和元素瞬时信号响应,考察了硫化物矿物的元素分馏效应及激光频率、能量和激光斑径对硫化物矿物激光剥蚀行为的影响.结果表明,不同硫化物矿物的激光剥蚀形貌和元素分馏效应存在明显差异,其中黄铁矿、辉钼矿和闪锌矿的剥蚀晕约为剥蚀斑径的10倍,而黄铜矿和磁黄铁矿的剥蚀晕约为剥蚀斑径的14倍;黄铜矿、磁黄铁矿和闪锌矿元素分馏因子(EFI)约为1.0,其元素分馏效应可以忽略,而黄铁矿和辉钼矿存在明显的元素分馏效应.在对硫化物矿物的LA-ICP-MS分析中,选择较大的激光剥蚀斑径、较小的激光剥蚀频率与激光能量可获得理想的信号强度和准确的分析结果.

黄土样品的BeO制备及AMS测量

采用常规方法提取黄土-古土壤样品中的10Be,制备BeO样品时,无法有效降低样品中B含量,导致在10BeAMS测量中本底值偏高。本文对BeO制备方法进行了优化。新的制备流程改进了阳离子树脂交换、Be(OH)2转化为BeO的灼烧方式以及实验所采用的仪器设备。在西安加速器质谱仪(Xi’an-AMS)上测试结果表明,采用该化学流程制备的BeO样品化学本底可以达到2.04×10-14。本文还介绍了Xi’an-AMS测量10Be的方法与测量结果。

藏药“渣驯”物质组成研究

目的：对藏药＂渣驯＂进行物质组成研究,为阐释其来源提供依据,并为建立质量标准提供参考。方法：采用生药学常规方法进行药材性状及显微鉴别,采用电感耦合等离子体光谱法测定26种矿物元素,采用X射线衍射法分析结晶物相,参照GB/T 14610-2008测定钙的含量,参考《土壤分析技术规范》测定有机质含量,参照GB/T11957-2001测定腐殖酸含量,采用容量滴定法测定黄腐酸含量,参照2010年版中国药典测定水分、灰分、酸不溶性灰分、水溶性浸出物。结果：渣驯药材中普遍含有动物粪便,结晶物相主要为Si O2,26种矿物元素含量总和约3%,13批次药材中有机质含量为29.03%~71.79%,腐殖酸含量为28.37%~58.51%,黄腐酸含量为19.69%~41.43%,水分为5.2%~11.7%,灰分为17.82%~64.39%,酸不溶性灰分为2.10%~39.09%,水溶性浸出物含量为28.39%~57.40%。结论：认为有关渣驯来源于金属熔汁的传统记载缺乏科学依据,渣驯中的矿物元素以非晶形存在;渣驯中含有大量有机质,包括腐植酸和黄腐酸;无机物中部分来源于泥沙;岩层中的有机质经历了漫长的地质演化。

深圳大鹏半岛沿岸海水中^(129)I的分布特征和来源

研究核电站运行时产生并可能向周边海洋环境排放的长寿命放射性核素碘-129(129I)对生态环境的影响,应用超热中子活化分析和加速器质谱分析深圳大亚湾核电基地所处大鹏半岛沿岸海水样品中127I的质量浓度和129I的原子浓度.结果显示,核电站排水渠附近海水中129I的原子浓度(370.9×106/L),以及129I和127I原子浓度比(37.4×10-10)最大,但在5 km外的海域,即被稀释至本底量级水平,表明核电站对周边海洋环境中129I的影响甚微.该区域海水中129I仍主要来源于大气层核试验和核燃料后处理厂释放导致的全球大气放射性落尘,其目前水平对人体的辐照风险尚可忽略.

原地宇宙成因核素暴露测年方法中石英的提取

原地宇宙成因核素10Be和26Al的暴露年龄测定是近年来发展较快的测年技术,已在地学研究中得到广泛应用。该方法需要选用经一系列前处理过程获得的纯净石英作为待测样品,制备成BeO和Al2O3以供加速器质谱仪测量。因此获得高纯度的石英样品,是该测年方法的关键环节之一。本研究在已有报道的石英提纯化学流程的基础上,尝试对流程进行部分优化,通过实验对比不同粒径组分、不同固液比水浴振荡器和滚筒HF-HNO3蚀刻效果,确定使用HF-HNO3(1%或2%,固液比15.0 g/L)滚筒加热法刻蚀样品以去除铝硅酸盐,多钨酸钠重液分离样品中的石英和其他组分。优化的分离纯化流程应用于处理采自祁连山北缘河流阶地含石英的岩石样品,经纯化的石英纯度可达98%以上,Al的含量小于200μg/g,表明采用优化的提取流程获得了高纯度的石英样品,可以满足10Be和26Al暴露测年所需样品要求。

黄土高原近60年生态治理分析及未来发展建议

黄土高原作为黄河中游独特的地理单元，维系黄河的健康运行和中华文明的传承。本文简要介绍了黄土高原的地理背景及水土流失问题，总结分析了近60年生态治理的历史，对未来发展提出了建议。根据主要治理措施的差异，黄土高原近60年生态治理历史可划分为5个阶段，即1950-1960s中期、1960s中期-1970s末期、1970s末期-1990s末期、2000-2010年、2010年至今。这5个不同时段，淤地坝、梯田等工程治理和植树造林、植被自然修复等生物治理交替出现，并逐步走向工程治理和生物治理全面结合的发展阶段。我们认为，在未来很长一段时间，退耕还林还草政策不能变；科学开展淤地坝建设和治沟造地工程，加快治理黄土高原水土污染，提高人民生活质量。