数字放射自显影定量评估 UO2微球铀浓缩水平：核取证领域的关键突破

在核取证和核不扩散政策监管中，评估二氧化铀（UO2）微球中的铀浓缩水平至关重要。研究人员开展利用数字放射自显影评估铀浓缩水平的研究，优化了实验条件，提升了测量精度。该成果为核取证提供了重要工具。

　　在神秘而又充满挑战的核领域，核材料的管控和追踪一直是全球关注的焦点。核取证作为一门重要的学科，致力于通过分析核材料的各种特性，来追溯其来源、背景等信息，在保障核安全和维护国际核不扩散体系中发挥着关键作用。在众多核材料中，二氧化铀（UO₂）微球里铀浓缩水平的准确评估至关重要。传统的分析方法，如 α、β 和 γ 射线光谱法，只能测定每种放射性核素的总活度，无法提供铀富集的空间分布信息。而以往的放射自显影技术，虽然能提供一定的空间分辨率，但在定量分析方面存在不足，信号强度波动大，精度不高，这使得在核取证工作中难以对铀材料进行准确、有效的筛查和评估。为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项极具意义的研究，其成果发表在《Analytica Chimica Acta》上。

研究人员采用的主要关键技术方法有：利用 Elysia-raytest CR35+ IP 扫描仪结合定制的成像板进行数字放射自显影实验；开发基于 Python 的定制软件，借助 NumPy、pandas 等多种库对实验数据进行处理和分析；运用热电离质谱（TIMS）精确测定铀样品的同位素组成。

下面来看看具体的研究结果：

• 曝光时间优化：研究人员对两种成像板（Duerr NDT 和 Fujifilm BAS - TR2025）在不同曝光时间下进行测试。结果发现，BAS 成像板在 0.5 - 5 小时内信号强度与曝光时间呈线性关系，但 NDT 成像板在 3.5 小时后信号强度开始偏离线性，接近饱和。综合考虑，确定 BAS 成像板的最佳曝光时间为 3.5 小时，NDT 成像板为 2.5 小时。这样的曝光时间既能保证信号强度，又能充分利用成像板和扫描仪的动态范围，减少测量误差。
• 多模式校准：由于 UO₂微球中含有²³⁸U、²³⁵U 和²³⁴U 等多种放射性同位素，研究人员利用线性回归分析，以²³⁵U 质量分数、²³⁴U 质量分数和比活度为自变量进行校准。结果显示，以比活度进行标准化时，BAS 成像板的测量结果最为准确，误差最小，但该方法对贫铀样品存在一定偏差。
• 信号响应的可重复性和重复性：对 11 个铀样品在 BAS 和 NDT 成像板上多次曝光测试，结果表明，多次测量的信号强度具有较高的可重复性。例如，不同富集度的铀样品在重复测量中，信号响应表现出一致性，反映出实验系统的稳定性较好。
• 内部标准化：引入内部标准后，实验的重复性显著提高，相对标准偏差（RSD）从之前的 20% 大幅降低至约 6.5%。对于天然铀和低浓缩铀样品，RSD 进一步降至约 2.2%，不过贫铀样品的改善效果相对较小。在准确性方面，天然铀和低浓缩铀样品的系统偏差约为 - 1.1%，但贫铀样品偏差较大，为 - 38% 。
• 背景研究：研究人员对成像过程中的背景信号进行分析，包括暗信号、热像素和宇宙射线的影响。结果发现，虽然随着曝光时间增加，背景信号的均值和标准差有所上升，但平均背景信号在像素层面远低于样品图像强度，热像素出现频率较低，对定量分析影响较小。

在研究结论和讨论部分，该研究成功展示了一种新颖的数字放射自显影方法，用于定量评估 UO₂微球中的铀浓缩水平。通过定制软件、内部标准的应用和曝光时间的优化，测量的可重复性和准确性得到显著提升。这一成果为核取证工作提供了一种快速、可靠且非破坏性的铀材料筛查手段，有助于加强国际核安全保障。不过，该方法在贫铀样品的测量上还存在一定的局限性，未来研究可以针对这一问题进一步优化技术，同时拓展该技术在更多核材料分析中的应用，以充分发挥其在核领域的重要价值。