吳 淼，李 軍，丘壽康，李連山，劉茹佳，唐 泉，*

1.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽 421001；

2.新疆輻射環(huán)境監(jiān)督站，新疆烏魯木齊 830011

?

Al2O3純化閃爍液過程中的放射性污染

吳 淼1，李 軍2，丘壽康1，李連山1，劉茹佳1，唐 泉1，*

1.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽 421001；

2.新疆輻射環(huán)境監(jiān)督站，新疆烏魯木齊 830011

Al2O3可用于純化閃爍液，但在純化過程中有可能引入放射性污染。本工作對Al2O3純化閃爍液過程中氡及Al2O3本身放射性對閃爍液的污染問題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：通過Al2O3與閃爍液的混合澄清實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)若有細(xì)小Al2O3顆粒懸浮于閃爍液中會(huì)對閃爍液產(chǎn)生污染。但經(jīng)過濾實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)過濾純化閃爍液過程中的放射性污染主要來源于環(huán)境空氣中氡的溶解，Al2O3過濾柱能阻擋絕大部分Al2O3中的放射性核素隨著極細(xì)顆粒進(jìn)入閃爍液。排除氡的影響后，在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)，未過濾與經(jīng)Al2O3過濾后的閃爍液的放射性計(jì)數(shù)率無明顯變化，說明Al2O3樣品中的放射性對閃爍液的影響已低于液閃的探測靈敏度。

閃爍液；Al2O3；氡溶解；放射性污染

液閃法是中微子研究中的測量方法之一［1］，但所用的閃爍液需要純化［2］，Al2O3可用于閃爍液純化。江門中微子研究中對閃爍液的放射性本底要求十分苛刻，對反應(yīng)堆中微子研究，其閃爍液中的U、Th、40K的含量要降低到10-15g/g，而對太陽中微子研究，這些雜質(zhì)含量應(yīng)該達(dá)到10-17g/g［3］。

江門中微子實(shí)驗(yàn)擬采用2萬噸閃爍液探測器探測中微子［3］，要在大量的宇宙線、巖石放射性和探測器放射性雜質(zhì)中分辨稀少的中微子事例，閃爍液需采用多種方法純化［2］，Al2O3過濾純化為其中的一種方法［3］。Al2O3過濾純化閃爍液相比其它純化方法，在提高閃爍液的光產(chǎn)額、增加衰減長度方面表現(xiàn)出較好的效果［3］。由于制備Al2O3的原礦石與環(huán)境粉塵的放射性核素會(huì)帶入到Al2O3樣品，Al2O3的放射性比活度不小于100 Bq/kg［3］，這對閃爍液有可能產(chǎn)生污染。另一方面，在純化過程中，空氣中的氡對閃爍液也有可能產(chǎn)生污染。這兩方面的問題都需要進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Al2O3，山東淄博聚騰化工λ型氧化鋁（粒徑0.049～0.074 mm）和國藥中性氧化鋁（粒徑0.074～0.149 mm）。

Quantulus1220型超低本底液體閃爍計(jì)數(shù)器，Perkin Elmer公司生產(chǎn)。閃爍液為江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所用的閃爍液（溶劑為線性烷基苯（LAB），第一、第二閃爍體為聚苯醚（PPO）和1，4-雙［2-（2-甲基苯基）乙烯基］苯（Bis-MSB），1 L線性烷基苯中加入3g PPO和15 mg Bis-MSB）［4］。

實(shí)驗(yàn)均采用聚四氟乙烯材質(zhì)的計(jì)數(shù)瓶。過濾裝置由上下口球瓶、過濾柱（底部有砂芯，孔徑為0.019 mm）和鐵架臺(tái)組成。實(shí)驗(yàn)用高純氮?dú)猓兌炔恍∮?9.999%，購于湖南省萬源氣體公司）隔離空氣。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別采用靜態(tài)法和固定床法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

（1）靜態(tài)法

實(shí)驗(yàn)先測量閃爍液的放射性本底值。再將20g山東淄博聚騰化工λ型Al2O3樣品與180g閃爍液進(jìn)行混合澄清實(shí)驗(yàn)，兩者混合于250 m L錐形瓶，用錫箔紙將錐形瓶口密封，再將錐形瓶置于電動(dòng)搖床上搖晃3 h，使其充分搖勻后取下靜置。分別在不同時(shí)間點(diǎn)取錐形瓶上層澄清閃爍液于計(jì)數(shù)瓶中測量。實(shí)驗(yàn)選擇的測量道址為1—1024道，初步觀察細(xì)小的Al2O3顆粒懸浮于閃爍液中是否帶來放射性污染。

圖1 過濾閃爍液裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of filtration liquid scintillator device

（2）固定床法

江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的閃爍液純化采用大型設(shè)備純化。實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模純化試驗(yàn)是為以后的大型設(shè)備純化過程提供參考。實(shí)驗(yàn)室條件下，Al2O3過濾純化閃爍液實(shí)驗(yàn)分為空氣環(huán)境中的過濾實(shí)驗(yàn)與隔離空氣的過濾實(shí)驗(yàn)。先將未過濾的LAB按配方配成閃爍液作為本底值測量，過濾實(shí)驗(yàn)為了避免Al2O3對閃爍體的吸附影響而選擇只過濾LAB，再將過濾后的LAB按相同比例配成閃爍液待測量?？諝猸h(huán)境中的過濾裝置示意圖示于圖1，過濾柱中填入Al2O3樣品高度與過濾柱內(nèi)徑比值為10：1，并使Al2O3粉末落實(shí)以充分接觸LAB。在容量瓶中先加入3g PPO，15 mgBis-MSB，再將錐形瓶收集的LAB轉(zhuǎn)入到1 L容量瓶，測量前將容量瓶中閃爍液搖晃至閃爍體完全溶解。隔離空氣的過濾裝置示意圖示于圖2。過濾實(shí)驗(yàn)采用相同的過濾柱，過濾柱上方用氮?dú)饧訅?，加快過濾過程，也起到隔離空氣的作用，下方用抽濾瓶收集，抽濾瓶內(nèi)按比例先加好閃爍液所需的PPO和Bis-MSB，并充滿氮?dú)狻３闉V瓶側(cè)邊開口接導(dǎo)管浸入水中，水可將抽濾瓶內(nèi)氮?dú)馀c空氣隔離，這就可以將整個(gè)過濾過程隔離空氣。過濾實(shí)驗(yàn)加的Al2O3粉末樣品、體積及測量條件與空氣環(huán)境中過濾實(shí)驗(yàn)相同。

分析Al2O3過濾純化閃爍液放射性效果時(shí)，由于3H、14C存在于閃爍液的成分中，這是過濾吸附無法去除的，所以用液閃測量時(shí)，可以忽略3H、14C的放射性計(jì)數(shù)［5］。根據(jù)液體閃爍計(jì)數(shù)器的3H、14C能譜圖，它們的計(jì)數(shù)道址大部分在500道以下，若將液體閃爍計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)道址設(shè)置在500道以上，可以降低閃爍液中3H、14C的計(jì)數(shù)干擾，重點(diǎn)分析釷系、鈾系核素對閃爍液的影響情況。由于β能譜是連續(xù)譜，這樣設(shè)置計(jì)數(shù)道址會(huì)漏記一部分β計(jì)數(shù)，但是可以降低閃爍液放射性本底，有利于分析對閃爍液產(chǎn)生放射性污染的因素。過濾實(shí)驗(yàn)測量分析均將道址設(shè)置在500—1024道。

圖2 氮?dú)饧訅?、隔離空氣過濾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of nitrogen pressure and isolation air experimental device

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3與閃爍液的混合澄清實(shí)驗(yàn)

取3個(gè)平行樣測量閃爍液的本底計(jì)數(shù)率。測量前樣品放入測量室避光3 h，消除余輝的影響，每個(gè)樣品測量3 h。1—1024道總計(jì)數(shù)率列于表1。

表1 閃爍液本底測量結(jié)果Table 1 Measurement results of radioactive background of liquid scintillator

為初步探索Al2O3粉末與閃爍液混合澄清后、細(xì)小的Al2O3顆粒懸浮于閃爍液中會(huì)給閃爍液帶來的放射性污染情況，在混合澄清實(shí)驗(yàn)后于不同時(shí)間點(diǎn)取15g錐形瓶上層澄清閃爍液于計(jì)數(shù)瓶，1—1024道總計(jì)數(shù)率測量結(jié)果列于表2，測量前避光3 h。根據(jù)表1算得15g閃爍液放射性本底計(jì)數(shù)率為2.76min-1，凈計(jì)數(shù)率=樣品計(jì)數(shù)率-閃爍液本底計(jì)數(shù)率。

從表2結(jié)果看出，混合20g Al2O3樣品后的15g澄清閃爍液的放射性計(jì)數(shù)率約增加0.6min-1，說明若有Al2O3樣品中的細(xì)小顆粒懸浮于閃爍液中會(huì)對閃爍液產(chǎn)生污染。

表2 混合Al2O3樣品后澄清閃爍液放射性測量結(jié)果Table 2 Measurement results of radioactivity in supernatant liquid scintillator after mixing Al2O3

2.2 空氣環(huán)境中Al2O3過濾LAB實(shí)驗(yàn)

分別用國藥中性氧化鋁和山東淄博聚騰化工λ型氧化鋁進(jìn)行了過濾實(shí)驗(yàn)，觀察未過濾的閃爍液與過濾后的閃爍液放射性計(jì)數(shù)率的變化情況。由于淄博聚騰化工λ型氧化鋁粉末（粒徑0.049～0.074 mm）比國藥中性氧化鋁粉末（粒徑0.074～0.149 mm）粒徑要小，國藥中性氧化鋁過濾1 L LAB用時(shí)3 d，淄博聚騰化工λ型氧化鋁過濾1 L LAB用時(shí)8 d。

測量實(shí)驗(yàn)每種閃爍液取3個(gè)平行樣，每個(gè)樣品瓶稱15g閃爍液，每個(gè)樣品測量3 h，樣品測量前放入測量室避光靜置3 h，消除余輝對計(jì)數(shù)的干擾。500—1024道總計(jì)數(shù)率測量結(jié)果列于表3。從表3結(jié)果看出，兩種氧化鋁過濾后的單位質(zhì)量閃爍液的放射性計(jì)數(shù)率較未過濾閃爍液的本底計(jì)數(shù)率都有所增大，說明過濾過程有對閃爍液產(chǎn)生污染的因素存在。由于過濾過程是在空氣環(huán)境中，并且過濾時(shí)間都較長，空氣中的氡極有可能溶解到閃爍液。即空氣中的過濾實(shí)驗(yàn)的影響因素可能有兩個(gè)：既有可能是極細(xì)Al2O3顆粒透過過濾柱進(jìn)入閃爍液，又有可能是空氣中氡的溶解造成的污染。為了具體分析閃爍液的污染來源，需要排除氡的影響后再分析。

表3 閃爍液放射性測量結(jié)果Table 3 Measurement results of radioactivity of liquid scintillator

2.3 隔離空氣后Al2O3過濾LAB實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)為了避免未過濾閃爍液也有氡的溶解污染，需快速配制未過濾的閃爍液，配好后的閃爍液裝于錐形瓶，錐形瓶上部空氣用高純氮?dú)庵脫Q，塞上橡皮塞密封，將未過濾閃爍液與環(huán)境空氣隔離。過濾裝置氮?dú)飧綦x后，國藥氧化鋁過濾收集完成500 m L LAB用時(shí)約2.5 h，淄博氧化鋁用時(shí)約3 h。將未過濾閃爍液與過濾后閃爍液分別快速取3個(gè)平行樣測量，每個(gè)樣品瓶取15g閃爍液。將待測樣品瓶避光3 h后，每個(gè)樣品瓶測3 h。500—1024道總計(jì)數(shù)率測量結(jié)果列于表4。從表4結(jié)果看出，氮?dú)飧綦x后，未過濾的單位質(zhì)量閃爍液本底計(jì)數(shù)率與經(jīng)氧化鋁過濾后的單位質(zhì)量閃爍液的放射性計(jì)數(shù)率在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)無明顯變化。對比表3的結(jié)果，分析得出過濾實(shí)驗(yàn)中，閃爍液的放射性計(jì)數(shù)增大的因素主要為空氣中氡的溶解影響。對比表2結(jié)果，閃爍液通過過濾后，15g閃爍液放射性計(jì)數(shù)率增加0.03min-1左右，而混合澄清后的15g閃爍液放射性計(jì)數(shù)率增加0.6min-1左右，也說明實(shí)驗(yàn)室過濾裝置能阻擋絕大部分的Al2O3中的放射性核素隨著極細(xì)顆粒進(jìn)入閃爍液。

空氣中的氡主要為222Rn，由于222Rn的半衰期為3.8 d，以前實(shí)驗(yàn)所留下的未過濾的閃爍液和兩種氧化鋁過濾后的閃爍液避光封存兩個(gè)月之后，溶入閃爍液的氡及其短壽命子體絕大部分已衰減，此時(shí)測量閃爍液的放射性，也可排除氡及其短壽命子體對閃爍液放射性的影響。將存放后的每種閃爍液分別取3個(gè)平行樣測量，每個(gè)樣品瓶取15g閃爍液。待測計(jì)數(shù)瓶避光3 h，每個(gè)樣品瓶測量3 h，得到500—1024道總計(jì)數(shù)率測量結(jié)果列于表5。從表5結(jié)果中看出，避光密封儲(chǔ)存兩個(gè)月后，未過濾與經(jīng)氧化鋁過濾后的單位質(zhì)量閃爍液的放射性計(jì)數(shù)率在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)無明顯變化，與表4中的測量結(jié)果相符。說明空氣中的過濾實(shí)驗(yàn)，閃爍液的放射性污染確實(shí)主要來源于氡的溶解。

表4 氮?dú)飧綦x空氣后閃爍液測量結(jié)果Table 4 Measurement results of radioactivity of liquid scintillator after isolating air

表5 閃爍液密封放置兩個(gè)月后放射性測量結(jié)果Table 5 Measurement results of radioactivity of liquid scintillator after sealing two months

2.4 空氣中氡溶解的影響

將隔離空氣后的未過濾閃爍液放射性計(jì)數(shù)作為本底值。在空氣環(huán)境的過濾實(shí)驗(yàn)中，國藥氧化鋁過濾過程LAB中溶解的氡所增加的計(jì)數(shù)ΔN1≈1.04min-1，淄博氧化鋁過濾過程LAB中溶解的氡所增加的計(jì)數(shù)ΔN2≈0.58min-1。這是由于過濾是緩慢的過程，空氣中的氡基本與LAB達(dá)到溶解平衡，但淄博氧化鋁過濾時(shí)間長達(dá)8 d，過濾過程中逐步轉(zhuǎn)移到容量瓶內(nèi)的閃爍液不會(huì)再與環(huán)境空氣接觸，儲(chǔ)存在容量瓶內(nèi)的閃爍液中的氡會(huì)產(chǎn)生衰減。所以相對來說，國藥氧化鋁過濾過程LAB中溶解的氡比淄博氧化鋁過濾過程LAB中溶解的氡要多，導(dǎo)致其計(jì)數(shù)率增加較大。

綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出空氣中的氡在過濾純化過程中較易溶解到閃爍液里，并且對閃爍液的放射性產(chǎn)生較大的影響。若空氣中的222Rn溶解到閃爍液，222Rn衰變的子體210Pb有較長的半衰期（22.3 a），這會(huì)給閃爍液造成長期污染，并且210Pb的子體210Bi衰變出的β粒子和210Bi的子體210Po衰變出的α粒子在閃爍液里產(chǎn)生的沉積能量在太陽中微子探測能量范圍內(nèi)里，這將嚴(yán)重干擾中微子的探測［5］。所以閃爍液的純化過程隔離空氣環(huán)境是很有必要的。

3 結(jié) 論

（1）通過Al2O3與閃爍液的混合澄清實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)若有細(xì)小Al2O3顆粒懸浮于閃爍液中會(huì)對閃爍液產(chǎn)生污染。但經(jīng)過濾實(shí)驗(yàn)，Al2O3過濾柱能阻擋絕大部分的Al2O3中的放射性核素隨著極細(xì)顆粒進(jìn)入閃爍液。

（2）純化閃爍液過程中的放射性污染主要來源于環(huán)境空氣中氡的溶解。排除氡的影響后，未過濾與經(jīng)氧化鋁過濾后的閃爍液的放射性計(jì)數(shù)率的變化在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)。說明經(jīng)過濾柱過濾后，Al2O3制品中的放射性對閃爍液的影響已低于液閃的探測靈敏度。

江門中微子實(shí)驗(yàn)對閃爍液的純化要求為U、Th的含量要降低到10-17g/g量級(jí)，換算得到約為0.001～0.004 s-1·kg-1，實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模的液閃分析無法達(dá)到這個(gè)靈敏度，要分析Al2O3過濾純化閃爍液時(shí)是否有放射性污染，需要大型純化設(shè)備，測量大體積的閃爍液［2］。本工作僅對大型的江門中微子實(shí)驗(yàn)閃爍液純化系統(tǒng)提供參考。

［1］曹俊.大亞灣與江門中微子實(shí)驗(yàn)［J］.中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2014，44：1025-1040.

［2］Benziger J B.A scintillator purification system for the Borexino solar neutrino detector［J］.Nucl Instrum Methods Phys Res，Sect A，2008，587：277-291.

［3］方建，周莉，等.JUNO液體閃爍體研制課題組會(huì)［R］.北京：中國科學(xué)院高能物理研究所，2014.

［4］丁雅韻，張智勇，曹俊，等.一類高效低毒安全的新型液體閃爍體［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012，32（5）：501-504.

［5］Niedermeier L.Experimental scintillator purification tests with silica gel chromatography［J］.Nucl Instrum Methods Phys Res，Sect A：2006，568：915-922.

Radioactive Contamination in the purifying process of Liquid Scintillator Using Al2O3particles

WU Miao1，LI Jun2，QIU Shou-kang1，LI Lian-shan1，LIU Ru-jia1，TANG Quan1，*
1.Institute of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang 421001，China；
2.Surveillance Station of Xinjiang Radiation Environment，Urumqi 830011，China

Al2O3can be used for the purification of liquid scintillator，but radioactive contamination may happen in the process of purification.Radioactive contamination of liquid scintillator in the process of purification is studied in this paper.Research shows that when the Al2O3was mixed with liquid scintillator，the supernatant liquid scintillator can be contaminated by radioactive impurities in the suspended Al2O3.The results of liquid scintillator filtration experiments with Al2O3filter column show that contamination of liquid scintillator may come from the radon in air.The Al2O3filter column can prevent most of the radioactive impurities from flowing into the liquid scintillator with fine Al2O3particles.After the removal of the influence of radon，there is no significant difference in radioactivity between filtered liquid scintillator and unfiltered liquid scintillator in the range of standard deviation.In other words，the radioactive contamination of liquid scintillator from Al2O3is below detectionsensitivity of liquid scintillation counter.

liquid scintillator；Al2O3；radon dissolution；radioactive contamination

TL812

A

0253-9950（2016）02-0097-06

10.7538/hhx.2016.38.02.0097

2015-06-24；

2015-10-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11275094）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（XDA10010500）

吳 淼（1990—），男，湖北咸寧人，碩士研究生，放射化學(xué)專業(yè)

*通信聯(lián)系人：唐 泉（1974—），男，湖南永州人，副教授，主要從事放射化學(xué)研究，E-mail：tangquan528@sina.com