一种新型二维打印技术的开发，用于生产用于国际原子能机构（IAEA）能力测试的放射源

《Radiation Measurements》：Development of a Novel 2D Printing Technique for Production of Radioactive Sources applied in IAEA Proficiency Testing

本研究开发二维打印技术制备Cs-137和Pu-239放射性校准源，解决传统来源与实际场景的几何、表面结构差异问题。通过同质化测试和γ/α谱学分析，验证了打印源批次均质性（<2%）和活度准确性（误差<3%），符合ISO 13528:2022标准，为便携式辐射监测、方法验证和质量控制提供新工具。

　　

B. Seslak|S. Tarjan|A. Mauring|A. Trinkl|J. Burnett

奥地利维也纳国际原子能机构（IAEA）核科学与应用部物理与化学科学司，陆地环境放射化学实验室，邮政信箱100，VIC，A-1400

摘要

可靠的放射源对于精确的放射性监测和放射分析测量至关重要，尤其是在测量几何形状和表面特性与实验室标准不同的现场条件下。传统放射源在几何形状、表面纹理或活性分布方面往往与实际样品存在差异，这可能导致测量偏差。这些局限性凸显了需要一种更加灵活、可控的方法来制备用于性能验证、质量控制、方法确认和能力测试的放射源。为了克服这些限制，并扩大可用于多种测量应用的放射源范围以及生产这些放射源的方法，研究人员开发了一种新型的3D打印技术。该技术能够将放射性物质精确地沉积在纸张、棉布和帆布等不同载体材料上，同时实现可定制的几何形状，并复制出用传统生产技术难以实现的真实表面结构。

通过制备Cs-137和Pu-239打印样品并进行均匀性测试和表征，证明了该技术的有效性。随后在国际原子能机构（IAEA）的能力测试项目PT-2021（涂抹样品）和PT-2022（矩形样品）中对其进行了独立评估。结果显示，涂抹样品中的Cs-137和Pu-239的活性分别为（11.2 ± 0.4）Bq/样品和（8.47 ± 0.31）Bq/样品；矩形样品中的活性分别为（0.327 ± 0.017）Bq/cm2和（0.253 ± 0.013）Bq/cm2（k = 1）。描述性统计分析和双因素方差分析的结果证实了样品的优异均匀性，而伽马射线和阿尔法粒子光谱分析以及已知的Cs-137/Pu-239墨水比例方法也验证了这些数值的准确性。

表征结果与实验室间测试结果的高度一致性证明了打印材料的准确性和稳定性。因此，该方法能够提供可重复的、适用于实际应用的放射源，适用于能力测试、培训、性能验证和质量控制，并显示出为各种核测量应用生产校准相关放射源的潜力。未来在开发正式的认证参考材料（CRM）时将纳入必要的合规性测试，这是推进3D打印技术的下一步。这一进展将进一步增强放射性测量的可靠性和可追溯性。

引言

自2018年以来，国际原子能机构（IAEA）的陆地环境放射化学（TERC）实验室一直在生产用于能力测试的3D打印样品。这些样品旨在提升成员国实验室在工作场所监测和应急准备方面的能力。然而，这些样品的应用不仅限于上述领域，还可用于放射分析测量方法的研究与开发。近年来，能力测试中使用了多种形状的样品，包括用纸张、棉布和帆布制成的圆形和矩形样品。圆形样品模拟了涂抹样品和过滤器，而矩形样品则用于便携式污染监测仪器的测量，以评估和提升其性能。这些样品适用于直接和间接监测方法，在评估涉及未密封放射源的工作的安全标准中起着关键作用（IAEA, 1970）。

在对受污染表面进行测量之前，需要考虑几个重要因素：确定污染类型（α、β或γ发射体）、它们是单独存在还是共同存在，以及识别任何潜在的干扰因素。每个因素都带来重大挑战（IAEA, 1970）。另一个关键信息是污染是固定在地表还是可移除的。ISO 7503:2016（ISO, 2016）中描述的认证参考校准源与实际场景之间的几何差异，尤其是对于α和β发射体，会在直接监测和某些间接方法中引入不确定性。

由于α粒子在空气中的传播距离较短，且会被油脂或灰尘等表面层衰减，因此α辐射的测量面临挑战。只有在光滑、干净、无孔的表面上才能可靠地进行直接α监测，例如某些监测仪器使用的校准标准表面（IAEA, 1970）。偏离这些条件会导致污染估计的不确定性。

建立可靠的认证参考材料是主要挑战。目前可用的校准源通常是平面状的α、β或γ发射体放射性核素，它们被沉积在低后向散射系数的材料上（如塑料和铝）（IAEA, 2000）。由于实际表面的不均匀分布、多孔性、化学成分、纹理和清洁度差异，这些源无法准确反映真实情况，特别是对于α发射体和低能β发射体放射性核素。这种差异可能导致使用不反映实际情况的校准源进行放射分析时得到不可靠的结果。

尽管可以使用校正因子和建模方法来补偿理想表面的偏差，模拟也可以帮助估计非标准几何形状的效率，但这些方法无法完全复制复杂的真实表面纹理、多孔性和污染分布。此外，任何基于模拟或模型的校正最终都必须通过实际物理源进行实证验证，以确保仪器响应和效率在实践中得到准确反映。因此，具有可调几何形状和更真实表面特性的补充测试材料对于仪器响应研究、方法开发和性能验证非常宝贵。在本研究中，打印样品按照ISO 13528:2022（ISO, 2022）标准作为能力测试物品进行表征，而不是ISO 8769:2020（ISO, 2020）定义的主要校准源。这种方法为未来按照ISO 17034:2017（ISO, 2017）开发认证参考材料奠定了物理基础，从而弥合了理论建模与实证计量认证之间的差距。

为克服这些限制，3D打印技术为制备具有可控形状、载体材料、活性浓度和放射性核素组成的放射源提供了有前景的方法。通过这些新型打印技术制备的放射源为方法开发、验证、质量控制和质量校准提供了机会。然而，尽管有这些优势，目前关于利用3D打印技术制造放射性表面和参考源的出版物仍然有限。这些研究主要集中在使用喷墨打印技术制备大面积或具有明确活性分布的标准表面源（Sato等人，2004；Yamada等人，2012）。应用这种技术有助于缩小实验室条件与实际场景之间的差距，从而提高测量结果的可靠性和精度。

本研究介绍了2021年和2022年IAEA能力测试中使用的3D打印样品的制备过程。第一个样品（PT 2021）是一个实际的擦拭样品，通过自动放射照相技术捕获。使用打印机软件将该图案复制到100%的棉布材料上，选择棉布是为了模拟擦拭采样过程中使用的纺织材料。图1显示了真实擦拭样品及其打印版本的自动放射照相结果，尽管表面放射性分布不均匀，但复制效果非常接近。

第二个样品是一个10厘米×15厘米的矩形样品，打印在哑光聚酯帆布载体上，专为2022年的能力测试设计，用于便携式表面污染仪器的测量。图2展示了打印的矩形样品及其放大图，以突出表面结构。

打印机的青色墨水中添加了Cs-137和Pu-39，以包含γ、β和α辐射。使用气体流量比例计数器评估了打印样品的均匀性，并通过伽马射线光谱和阿尔法粒子光谱进行了表征。根据ISO 13528:2022（ISO, 2022）标准进行了均匀性研究，以确保所有能力测试样品的批次均匀性，这与ISO 8769:2020（ISO, 2020）中定义的表面均匀性要求不同。对这类表面上的α发射体放射性核素的分析更为复杂且耗时，因为需要对涂抹样品进行放射化学处理；而对于矩形样品，则需要对便携式监测仪进行适当校准，因为α发射体在帆布等纺织材料上的衰减较强。不过，可以通过测量到的γ活性间接确定α发射体的活性，因为两种放射性核素的比例在墨水中应保持一致。虽然对打印表面的Pu-239进行了放射化学分析以验证放射性核素比例方法，但这一过程的细节将在本文后面详细说明。

试剂、材料和仪器

使用标准浓度的Cs-137和Pu-239溶液对打印机墨水进行了掺杂。Cs-137标准溶液由PTB（德国）提供，其在0.1 M HCl中的活性为334 kBq/g，并用具有相同化学成分的溶液稀释，以制备用于掺杂的工作溶液。同样，Pu-239标准溶液由CERCA（法国）提供，其活性已获得认证。

均匀性结果

均匀性研究的结果表明达到了令人满意的均匀性水平。打印过程中的不均匀性导致的不确定性在预设的2%可接受范围内。因此，认为这些打印样品对于所测试的放射性核素来说具有足够的均匀性，适用于能力测试目的。

表1总结了均匀性研究的描述性统计信息。

结论

本研究证明，3D打印可以灵活且可重复地制备出具有高批次均匀性的良好表征的放射源，适用于能力测试方案、实验室方法验证以及放射分析和辐射监测领域的常规性能检查。通过将商用水性染料墨水与可追溯的放射性核素标准混合并打印在棉布或帆布基底上，

CRediT作者贡献声明

Jonathan Burnett：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。Alexander Trinkl：软件开发、项目管理、数据管理。Sandor Tarjan：方法学研究、调查、数据分析、概念构思。Bojan Seslak：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、数据分析、概念构思。Alexander Mauring：初稿撰写、数据分析

未引用参考文献

Epson Europea, ; Epson Europeb, ; Inkscape Project, .

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

资金来源

本研究在国际原子能机构（IAEA）的资助下完成。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国际原子能机构（IAEA）陆地环境放射化学（TERC）实验室的同事们在准备、打印、测量和评估能力测试材料过程中的讨论、技术支持及协助。他们的专业知识和反馈对于成功实施3D打印技术至关重要。