称重法测量强63Ni薄膜源活度的研究

张利峰，张 磊，夏玉倩

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

63Ni为纯β放射性同位素，半衰期长(100 a)，射线能量低(最大能量67 keV)，可广泛应用于真空电子器件[1]、离子迁移谱仪[2]、气相色谱仪[3]、辐伏同位素电池[4-6]等领域。然而以上应用均要求63Ni源有较高的活度，多数为108Bq/cm2。由于63Ni源的β射线能量低，强63Ni源的活度难以直接测量，这将影响其使用中输出特性的评价，因此对强63Ni源的活度测量至关重要，尤其对于63Ni辐伏同位素电池，63Ni活度测量对于评价电池转换效率具有重要意义。本研究利用放射性物质质量与活度的关系，采用称重法对强63Ni源的活度进行间接测量，并进行了相关实验，拟为强63Ni源活度准确测量提供参考。

1 63Ni活度与质量的关系

对于无载体的放射性同位素，其质量与活度存在下列关系：

(1)

式中，A为活度，Bq；m为质量，g；M为质量数；NA为阿佛加德罗常数；T1/2为半衰期，s。

根据式(1)计算得到无载体63Ni的比活度为2.1×1012Bq/g。由于制备方式原因，目前市售63Ni原料不可避免含有62Ni和64Ni，其比活度仅为3.7×1011～6.3×1011Bq/g。当采用电镀或化学镀制备强度大于108Bq/cm2的63Ni源时，对应的面密度大于160 μg/cm2。若衬底尺寸为1 cm2，则63Ni镀层的质量大于160 μg，该质量可用精度为10 μg的天平进行测量。因此，测量63Ni镀层质量，结合63Ni原料的比活度即可计算镀层中63Ni的活度。

2 实验方法

2.1 镀层称重

为了获得厚度均匀的63Ni镀层，以抛光的单晶硅为衬底，衬底尺寸为10.5 mm×10.5 mm×0.3 mm。利用精度10 μg的CPA225D型天平对9个硅衬底进行称重，每个硅衬底测量3次。 镀后漂洗并晾干后，利用同一天平测量9个样品的重量，每个样品测量3次。通过计算衬底与镀后称重差值获得镀层质量。

2.2 63Ni镀层制备

按照清洗→活化→施镀→漂洗的工艺流程制备63Ni镀层。清洗：去除硅衬底表面的油污等有机杂质，便于镀层结合牢固，在称重之前完成。活化：将PdCl3滴入硅衬底正面，使硅表面形成成核中心便于镀镍，此过程中Pd原子会残留于硅衬底表面，但残留物相对63Ni镀层而言，极其微量，对镀层的增重可忽略不计。施镀：采用碱性化学镀，还原剂为NaH2PO2，镍盐为63NiCl2，其中63Ni原料的比活度为4.44×1011Bq/g。漂洗：从镀池取出硅片，用去离子水、丙酮冲洗，去除表面的残余镀液和可能存在的有机成分。

2.3 活度计算

根据衬底称重与镀后称重确定镀层质量，再根据63Ni原料比活度计算镀层活度。实验中镀层以NaH2PO2为还原剂通过化学镀制备，形成的镀层为Ni-P间化物，镀层中包含P元素，不可直接将镀层质量与比活度相乘计算镀层活度，需确定镀层中镍的含量。为此，采用制备63Ni镀层的工艺制备了非放射性镍镀层，利用扫描电镜(SEM)按照GB/T 17359—2012《微束分析 能谱法定量分析》的标准要求对镀层的元素组成进行分析，确定镀层中Ni的质量，进行活度计算。

3 结果与分析

3.1 镀层称重

衬底、镀后及镀层质量列于表1。从表1中数据可以看出，镀层质量均大于1 mg，远大于天平的测量精度10 μg，因此测量过程导致的系统误差很小。

表1 样品质量Table 1 The mass of silicon substrate

3.2 63Ni镀层制备

按相应工艺流程，制得的63Ni镀层示于图1。从图1可以可看出，镀层均匀牢固，未出现脱落现象。

图1 63Ni镀层样品Fig.1 Sample of 63Ni coating

3.3 活度计算

非放射性镍镀层SEM分析结果示于图2。从图2结果中可以看出，镀层中Ni、P、C、O元素的重量百分比分别为83.8%、8.4%、6.7%、1.0%。

根据化学镀镍的原理，总反应式[7]为：

图2 非放射性镍镀层SEM分析结果Fig.2 The SEM diagram of nonradioactive Ni coating

根据表2结果，结合4.44×1011Bq/g 的63Ni比活度，计算镀层活度，结果列于表3。

在分析中美贸易战的原因时，本文从中美两方分别进行了研究。美国方面主要是贸易保护主义抬头和处于维护自身霸权地位的需要；而中国方面则主要在于对美国贸易依存度过高。

表2 镀层中镍的质量Table 2 The mass of Ni in the coating

表3 镀层中63Ni的活度Table 3 The 63Ni activity of coating

测得不同编号镀层样品中63Ni的活度为4.08×108～9.56×108Bq，对应的镀层质量为0.92～2.16 mg。测量镀层质量时，天平精度为10 μg，称重导致的最大相对测量误差小于1%。此外，利用SEM测量Ni、P元素构成按照GB/T 17359—2012《微束分析 能谱法定量分析》的标准要求进行，该标准对原子序数大于10的元素分析具有很高的置信度，如标准附录中将含Ni的样品在六个不同的实验室中进行测量，质量分数差别不超过0.9%，因此利用SEM定量分析样品中Ni、P的质量分数数据可靠。可见，利用称重法间接测量强63Ni源活度的准确度较高，据此计算的活度数据可靠性也较高。

4 小结

针对63Ni源的β射线能量低，强63Ni源的活度难以直接测量问题，依据放射性物质活度和质量的关系，利用称重法对化学镀镍工艺制备的强63Ni源的活度进行间接测量，结果显示，不同编号的63Ni镀层质量为0.92～2.16 mg，根据63Ni比活度、镀层中Ni含量计算对应的镀层活度为4.1×108～9.6×108Bq。考虑天平、Ni含量分析的系统误差，认为该测量方法可行，测得的活度数据可靠。

参考文献：

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[2] 秦默林，郭成海，曹树亚，等. 离子迁移谱电离源研究进展[J]. 化学传感器，2013，32(2)：1-8.

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