利用大几何尺寸的二次离子质谱法，对微米级含钚颗粒中的240Pu/239Pu同位素比值进行时间依赖性的氢化物校正，以实现精确测量

《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》：Time-dependent hydride correction for accurate 240Pu/239Pu isotopic ratio measurements in μm-sized Pu-bearing particles using large geometry-secondary ion mass spectrometry

本文提出了一种基于时间依赖的氢化物校正方法，用于准确测量微米级钚颗粒的同位素比例。通过大型几何二次离子质谱（LG-SIMS）结合动态多收集模式，解决了铀氢化物干扰对钚同位素分析的影响。实验表明，该方法可将武器级钚和MOX样品中钚同位素比的测量偏差从4.6%降至0.24%，并实现了铀和钚同位素的同时分析，为核 safeguards和核 forensics提供了更可靠的技术。

　　本文介绍了一种基于时间依赖性氢化物校正的新方法，用于测量含有微量钚的微米级颗粒的同位素组成，使用的是大型几何二次离子质谱（LG-SIMS）技术。该方法有效减少了氢化物干扰对铀-236（²³⁶U）、钚-239（²³⁹Pu）和钚-240（²⁴⁰Pu）的测量偏差，尤其适用于武器级钚颗粒和含有少量钚的MOX颗粒。通过这种方法，研究团队成功分析了六种不同的样品，并展示了该方法在提高同位素比值测量精度方面的显著成效。例如，在MP2样品（武器级钚）中，²⁴⁰Pu/²³⁹Pu同位素比值的偏差从+4.6%降低至+0.24%，而在UKMOX-100样品（MOX颗粒）中，偏差从?7%降至+0.75%。此外，该方法还实现了对MOX颗粒中铀和钚同位素组成的同步测量，并成功用于测量铀与钚的相对灵敏度因子（RSF），以量化MOX颗粒中的钚含量。

在核保障和核溯源领域，粒子分析是一项至关重要的技术，它能够揭示核材料的来源和性质。然而，传统的分析方法常常受到氢化物干扰的影响，这些干扰会显著影响同位素比值的测量结果。氢化物干扰主要来自于氢化物离子与同位素离子的重叠，如²⁴¹Am与²⁴¹Pu的干扰，以及²³⁸UH与²³⁹Pu的干扰。为了克服这一问题，本文提出了一种基于时间变化的氢化物校正方法，通过建模氢化物比率随时间的变化趋势，从而在分析过程中获得更准确的校正参数。这种校正方法不仅考虑了分析过程中的氢化物干扰，还能够适应不同颗粒尺寸和不同分析时间的情况，从而提高测量的准确性。

在实验方法方面，研究团队使用了LG-SIMS仪器，该仪器配备有多收集装置，能够同时收集铀和钚的多种同位素。通过设置不同的分析参数，如磁偏转、电子倍增器的调整等，实现了对铀和钚同位素信号的同步检测。同时，利用APM软件对粒子进行自动识别和定位，提高了分析效率和准确性。研究中还特别关注了不同分析条件对氢化物比率的影响，包括真空条件、基底材料和粘附剂的选择。这些因素可能会影响氢化物形成率，进而影响最终的同位素比值测量结果。因此，为了确保分析的准确性，研究团队建议在分析参考材料和样品时保持一致的实验条件。

实验结果表明，基于时间变化的氢化物校正方法显著提高了同位素比值的测量精度。在武器级钚颗粒的分析中，MP2样品的²⁴⁰Pu/²³⁹Pu同位素比值的偏差由4.6%降至0.24%，而UKMOX-100样品的偏差由?7%降至+0.75%。这些数据的显著改善证明了该方法的有效性。此外，该方法还成功应用于MOX颗粒的分析，能够同步测量铀和钚的同位素组成，并准确计算钚的含量。通过测量²³⁹Pu/²³⁸U的原子比值，研究团队进一步验证了方法的可靠性，并展示了其在实际应用中的潜力。

研究还探讨了氢化物校正对测量精度的具体影响。氢化物干扰可能导致同位素比值的测量出现偏差，尤其是在分析时间较短的情况下。为了减少这种偏差，研究团队采用了基于时间变化的校正方法，能够更准确地反映实际的氢化物形成情况。此外，研究团队还分析了不同样品中氢化物形成率的波动情况，发现这些波动可能导致相对不确定性在16%到35%之间。因此，在分析过程中，有必要对这些不确定性进行详细评估，以确保结果的可靠性。

在核材料分析中，粒子的同位素组成不仅是材料来源的重要指标，还能提供关于其历史和处理过程的信息。例如，通过测量铀的同位素比值，可以推断出铀的年龄，这在核溯源研究中具有重要意义。同样，钚的同位素比值可以反映其生产过程和加工历史。本文中提到的RSF（相对灵敏度因子）方法，能够将离子比值转化为元素比值，从而更准确地确定样品中钚的含量。这种方法在实际应用中具有广泛的意义，尤其是在分析MOX颗粒时，由于其钚含量较低，传统的校正方法可能无法提供足够的精度。

此外，研究团队还评估了不同分析条件下检测极限的变化情况。在武器级钚颗粒中，²⁴⁰Pu/²³⁹Pu同位素比值的检测极限受到氢化物比率标准偏差的影响，因此在氢化物比率较低的情况下，检测极限可以进一步降低。同样，在MOX颗粒中，²³⁶U的检测极限也受到氢化物比率和铀同位素丰度的影响。研究团队指出，通过优化实验条件，如降低真空压力或使用不同的基底材料，可以进一步提高检测极限，从而增强该方法的适用性。

总的来说，本文提出的方法在核材料分析领域具有重要的应用价值。它不仅能够有效减少氢化物干扰对同位素比值测量的影响，还能够同步测量铀和钚的同位素组成，为核保障和核溯源研究提供了新的工具。通过这种方法，研究团队展示了其在实际样品分析中的可靠性和准确性，并强调了在实验设计中保持一致条件的重要性。此外，该方法还能够识别和区分不同类型的核粒子，如铀、钚或混合型粒子，从而提高了分析的全面性和精确性。这些成果为未来的核材料分析提供了坚实的基础，并可能推动相关技术的发展和应用。