[论文解读] Improved method for measuring low concentration radium and its application to the Super-Kamiokande Gadolinium project

S. Ito, K. Ichimura+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2020

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 12被引用 6

一句话总结

本研究提出了一种改进的化学提取方法，采用 'Empore Radium Rad Disk' 树脂测定高基质样品中低浓度的 226Ra，实现了 >99.9% 的回收率，处理速度提升三倍（3 L/h），检测灵敏度达 0.1 mBq，该方法已成功应用于 Super-Kamiokande Gadolinium 项目中 Gd2(SO4)3·8H2O 的认证，其活度低于 0.5 mBq kg−1 的阈值。

ABSTRACT

Chemical extraction using a molecular recognition resin named "Empore Radium Rad Disk" was developed to improve sensitivity for the low concentration of radium (Ra). Compared with the previous method, the extraction process speed was improved by a factor of three and the recovery rate for $^{226}$Ra was also improved from 81$\pm$4% to $>$99.9%. The sensitivity on the 10$^{-1}$ mBq level was achieved using a high purity germanium detector. This improved method was applied to determine $^{226}$Ra in Gd$_2$(SO$_4$)$_3{\cdot}$8H$_2$O which will be used in the Super-Kamiokande Gadolinium project. The improvement and measurement results are reported in this paper.

研究动机与目标

• 开发一种更灵敏、更高效的测量方法，用于测定 Gd2(SO4)3·8H2O 等高基质材料中低活度 226Ra。
• 解决先前方法的局限性，包括回收率低（81±4%）和处理速度慢（1 L/h），这些均无法满足 SK-Gd 项目的严格要求。
• 实现 Gd2(SO4)3·8H2O 中 226Ra 的检测限低于 0.5 mBq kg−1，即 SK-Gd 项目允许的最大活度水平。
• 通过实际样品验证该方法，确保所有 Gd2(SO4)3·8H2O 批次在注入探测器前均符合放射性杂质标准。

提出的方法

• 采用 'Empore Radium Rad Disk' 树脂进行化学提取，该树脂为分子识别树脂，对 Ra 具有高选择性，用于从大体积、高基质样品中富集 226Ra。
• 通过真空过滤在 50 mL/min（即 3 L/h）条件下进行提取，处理速度相比之前方法（1 L/h）提升三倍。
• 直接使用高纯锗（HPGe）探测器测量该滤盘，通过其子体 214Pb（609 keV）和 214Bi（352 keV、1764 keV）的伽马射线发射来定量 226Ra。
• 通过蒙特卡洛模拟校准探测效率，得到 214Bi 的 352 keV 伽马射线探测效率为 15.9%。
• 采用 Ba 作为示踪同位素验证回收率，ICP-MS 分析显示流出液中 Ba 残留量 <0.1%，证实 Ra 回收率 >99.9%。
• 通过 17 个滤盘测量背景和空白水平，获得每张滤盘的程序空白为 0.11+0.04−0.02 mBq，显著低于先前方法（0.3±0.2 mBq）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种化学提取方法，实现对 Gd2(SO4)3·8H2O 等高基质样品中 226Ra 的亚 mBq 级灵敏度检测？
• RQ2 如何在降低处理时间的同时，将 226Ra 的回收率提升至超过先前方法的 81±4%，并实现更高效率？
• RQ3 高浓度 Gd2(SO4)3·8H2O 对 Ra 的提取与检测产生多大程度的干扰？
• RQ4 市售 Gd2(SO4)3·8H2O 批次的实际 226Ra 浓度是多少？是否满足 SK-Gd 项目 0.5 mBq kg−1 的阈值要求？
• RQ5 该改进方法能否可靠地应用于大规模 Gd2(SO4)·8H2O 批次的认证，以用于低本底中微子实验？

主要发现

• 改进方法实现了 0.1 mBq 的 226Ra 检测灵敏度，对应 13 吨 Gd2(SO4)3·8H2O 的检测限 <0.4 mBq kg−1，满足 SK-Gd 项目 0.5 mBq kg−1 的要求。
• 226Ra 的回收率从 81±4% 提升至 >99.9%，Ba 示踪研究证实提取过程中损失极小。
• 处理速度提升至 3 L/h，显著提高了大规模样品分析的通量。
• 程序空白降低至 0.11+0.04−0.02 mBq/张滤盘，提升了检测限并降低了本底不确定性。
• 所有测定的 Gd2(SO4)3·8H2O 批次（n=6）的 226Ra 浓度均低于 90% 置信水平上限（0.2–0.5 mBq kg−1），证实符合 SK-Gd 标准。
• 该方法已成功应用于 14 吨 Gd2(SO4)3·8H2O 的认证，所有批次均确认处于允许的放射性杂质水平内。