贫铀(depleted uranium,DU)是天然铀经过提炼核武器和核燃料所需的²³⁵U之后的剩余产物,因²³⁵U含量低于天然铀而得名。因是核废料,极可能被恐怖分子获得制成核辐射散布装置(radiation diffuse device,RDD)^[1],这种"脏弹",爆炸后可引起核恐怖事件。因贫铀密度高、韧性好,军事上用于制成贫铀弹和贫铀装甲,自1991年海湾战争以来在各次大的战争中广泛使用^[2]。贫铀主要产生α射线,经皮肤和伤口等途径进入人体产生内照射危害较大,如急性肾功能衰竭、长期放射性内污染,及致癌变、致畸变和致突变等远后效应^[3]。当大量放射性核素进入体内,越早使用特异促排剂碳酸氢钠等对救治越有效,但超过4 h后给药基本无效^[4]。α射线因穿透力很弱,不易鉴定其种类。目前主要的鉴定方法包括α能谱法、γ能谱法、质谱法及其他放射化学方法,操作繁琐,耗时多超过5 h,仪器笨重,不适宜战、现场环境使用。因此,建立一种快速准确、适用于战、现场条件鉴定贫铀的方法,对于贫铀武器、脏弹等引起的损伤洗消、救治、防护具有重要意义。

本研究采用便携式γ能谱仪结合高灵敏度的高纯锗能谱仪,对同批次贫铀粉尘样品进行比对检测和结果评价,明确便携式γ能谱仪用于鉴定贫铀的可行性并初步探索鉴定所需的基本条件。

1. 贫铀样品:贫铀粉尘由中国核工业集团公司提供,前期经α谱和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)方法测定²³⁵U/²³⁸U比值,分别为0.002 36和0.002 49,样品压碎后过60目筛,贫铀粉末粒径≤6 μm,称重后装入体积为10 cm³的聚乙烯样品盒中,密封放置6个月,使铀和其两个衰变子体²³⁴Th和²³⁴Pa建立长期放射性平衡。泥土样品取自非放射性场所,烘干碾碎后得细沙状泥土。将贫铀粉末和泥土粉末按设计的比例混匀后装入透明塑料封口袋中备用。

2. 仪器:便携式γ能谱仪Inspector-1000(美国堪培拉公司),中国核动力研究设计院检测校准实验室校准,校准证书号:校字第2012-A111号;高纯锗(HPGe)多道γ谱仪(美国堪培拉公司),仪器效率刻度标准源为天然铀U₃O₈标准品(中国计量科学研究院),用以刻度γ谱仪。

3. 检测方法

(1)高纯锗γ能谱仪能谱获得与分析方法:标准源质量为5.05 g,1 g标准源铀含量为0.848 g,设置标准源测量时间为3 600 s,经轮流测量后,计算出特征峰道区的响应系数。待测样品质量5 g,测量时间5 400 s,样品的测量条件与标准源相同。对样品能谱分析,直接结果为样品中²³⁸U与²³⁵U的比活度(kBq/g),用相对测量法计算放射性活度,每克样品²³⁵U与²³⁸U的含量,以及²³⁵U在铀同位素的百分含量。公式如下:

(2)便携式γ能谱仪对样品能谱获得和分析方法:研究便携式γ能谱仪获得样品活度的最小距离和质量时,样品质量分别取0.5、1、2、2.5、5 g贫铀粉尘;测量距离分别为0.5、1、2、3、4、5 cm,样品铺样面积为1 cm²,与所用便携式能谱仪探头NaI晶体尺寸相近。

研究便携式γ谱仪对不同纯度样品的检测时,样品取1 g贫铀粉尘分别加入0、1、2、3、4和5 g普通泥土,测量距离和测量面积同上。

测量时间:一次采谱时间为2 min。在一次采谱分析后,若未检出²³⁵U和²³⁸U活度,则用扩展程序采集,即在上一次能谱采集的基础上,继续下一个周期的能谱采集,即延长了能谱采集总时间,提高了对低活度放射性的检出率,但考虑战、现场条件下快速鉴定的要求,故将测量时间设置为1~10 min。

测量次数:对同一样品,在相同条件下检测3次。若3次检测中≥2次同时检测出²³⁵U和²³⁸U活度,则用活度值(kBq)表示检测出贫铀;若3次检测仅≤1次同时检测出两种核素的活度,则用"—"表示。

直接显示结果为待测样品中²³⁸U、²³⁸U+D(daughter,子体)与²³⁵U的活度(kBq),将这些结果分别除以铀核素比活度( ²³⁸U为12.5 kBq/g,²³⁵U为80 kBq/g)^[5],得到核素相对质量,计算²³⁵U核素百分含量。

4. 判定标准及计算方法:天然铀中各核素丰度为²³⁸U 99.276％,²³⁵U 0.718％,²³⁴U 0.006％,如果样品中²³⁵U百分含量低于0.718％,即可判定为贫铀。

5. 统计学处理:采用SPSS 18.0软件进行分析,计数资料以x±s表示,各组间比较采用单因素方差分析。P<0.05为差异有统计学意义。

1. α谱仪和ICP-MS测量结果:同批次粉尘样本,预先采用大面积屏栅电离室α谱和ICP-MS进行²³⁵U/²³⁸U比值的测定,结果分别为0.002 36和0.002 49^[6]。

2. 高纯锗能谱仪获得的能谱分析:结果见表 1,高纯锗能谱仪测得的样品比活度²³⁸U分别为9 650.63、10 201.37和10 634.78 Bq/g,²³⁵U的比活度为232.08和238.76 Bq/g。经换算,²³⁵U的百分含量为0.36％,低于天然铀中²³⁵U百分含量(0.718％),确定为贫铀样品。

表 1(Table 1)

表 1 HpGe γ谱仪测定5 g贫铀样品获得的结果

表 1 HpGe γ谱仪测定5 g贫铀样品获得的结果

3. 便携式γ谱仪获得样品活度的最小距离、质量研究:结果列于表 2。由表 2可知,利用γ便携式能谱仪可对贫铀样品进行²³⁸U和²³⁵U活度测定,当测量距离一定,随着贫铀质量的增加,²³⁵U的检出率有一定程度提高,但在测量距离增至5 cm,即使5 g的贫铀仍不能检出²³⁵U的活度。这就说明,样品质量和测量距离对贫铀的鉴定发挥了重要作用。结果发现,便携式γ能谱仪检测出²³⁸U的条件是样品质量≥0.5 g,测量距离0.5~5 cm均可;检测出²³⁵U的条件是样品质量≥1 g,测量距离≤1 cm。

表 2(Table 2)

表 2 不同质量DU和不同距离检测238U、235U活度结果(kBq,x±s)

表 2 不同质量DU和不同距离检测238U、235U活度结果(kBq,x±s)

4. 便携式γ谱仪检测²³⁸U和²³⁵U活度换算后的²³⁵U百分含量:结果列于表 3。由表 3可知,在同时检出²³⁸U和²³⁵U活度的情况下,经换算后的²³⁵U百分含量均<0.718％,符合贫铀的定义。在相同测量距离(0.5~4 cm)、不同贫铀质量(1~5 g)的情况下,²³⁵U百分含量比较,差异无统计学意义,说明使用便携式γ能谱仪鉴定贫铀的方法是可靠的。

表 3(Table 3)

表 3 不同质量和不同距离235U的检测活度计算出的235U百分含量(％)

表 3 不同质量和不同距离235U的检测活度计算出的235U百分含量(％)

5. 便携式γ谱仪对不同纯度样品的检测结果:由上述结果可知,要检测出²³⁵U的活度,贫铀质量必须≥1 g。因此,选择了质量为1 g的贫铀粉尘,与不同质量(比例)泥土混合,由表 4可以看出,其他条件一定,测量距离对²³⁵U检出率的影响要大于泥土质量。测量距离≤1 cm,即使在泥土质量为5 g、贫铀含量16.7％时,依然可以检出²³⁵U。测量距离≥3 cm,即使不掺杂泥土,同样无法检出。在设置的测量范围内,随着泥土质量的增加,²³⁵U的检出率也会相应提高,如测量距离为2 cm时,加入0~2 g泥土的1 g贫铀样品无法检出²³⁵U,在加入3~5 g泥土后,均可检出²³⁵U。

表 4(Table 4)

表 4 检测不同纯度不同距离样品获得的238U、235U活度(kBq,x±s)

表 4 检测不同纯度不同距离样品获得的238U、235U活度(kBq,x±s)

防范和处置恐怖活动,包括核与辐射恐怖事件,已成为各国政府和公众关注的重点。核与辐射恐怖袭击事件在造成重大伤亡的同时,又能引发公众的极度恐慌。在反恐行动中,贯穿辐射较强的放射性物质易被仪器检测出,且恐怖分子自身也易受辐射伤害,反之,低贯穿辐射、低活度的放射性物质不易被常规仪器检测出且易携带,导致成为反恐中的难题。在战时,贫铀武器等也面临类似的问题,能否在战、现场快速鉴定,及时给予相应促排药物是救治的关键环节。

目前,对贫铀类α核素的主要鉴定方法分为5类:α能谱法、电感耦合等离子质谱分析法(ICP-MS)、荧光分析法、比色法和γ能谱法。α能谱法和ICP-MS法需要对样品进行分离、纯化、制源、消解浓缩等繁琐预处理^[7,8,9],制备过程复杂^[10,11],耗时长,且仪器不便于战、现场使用;荧光分析法较为常用,但无同位素特异性^[12];比色法用于快速检测金属弹片中贫铀,需时短(<15 min),设备要求简单(分光光度计)^[13],但需要特殊的专用染色剂且不易携带;γ能谱法一般可用固体探测器,如高纯锗探测器(HPGe)和闪烁体探测器如NaI (Tl)。HPGe能谱仪对低能光子有较好的分辨率^[14],但必须在液氮温度条件下工作,更适用于实验室使用;闪烁体探测器可在常温下工作,探测效率高^[15],适用于现场条件,但仅能检测发射高能射线的α核素。

贫铀生产约6个月后,铀的衰变产物中会出现子体²³⁴Th发射的高能β辐射和²³⁴Pa^m伴随β辐射的γ辐射,利用精度高、分辨率好的闪烁体便携式γ能谱仪可对贫铀样本进行核素种类鉴定。本研究应用InSpector 1000型闪烁体便携式γ能谱仪,可在1 cm距离内对贫铀含量超过1 g的被测样品中是否含有贫铀进行检测和判定,测量时间不超过10 min。在所有可同时测出²³⁸U活度与 ²³⁵U活度的情况下,通过比活度换算出的²³⁵U百分含量均小于0.718％,符合贫铀的定义。在检测距离一定的情况下,由γ便携式能谱仪对不同质量的贫铀样本进行检测获得的²³⁵U含量基本一致,并与实验室α谱仪、ICP-MS和高纯锗能谱仪获得的结果一致,表明使用便携式γ能谱仪对贫铀样品进行快速鉴定是可行且可靠的。

实际应用中,测量距离与测量时间对测量结果的影响很大,贫铀衰变子体发出的γ射线微弱,不易为探头捕获,在不污染探头的前提下,应尽量缩短测量距离并适当地增加测量时间。此外,现场收集足够量的样本也较为困难。在脏弹或贫铀武器袭击的现场,往往因剧烈爆炸、燃烧等,放射性物质广泛弥散。据美军报告,受袭后整辆坦克内的贫铀粉尘总计约100~400 g,这些粉尘四散分布、不易收集^[16];现场条件下收集的样品,含泥土、铅、铁等杂质较多,会对贫铀的快速鉴定产生直接影响。