張利峰，張 磊，夏玉倩

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

63Ni為純β放射性同位素，半衰期長(100 a)，射線能量低(最大能量67 keV)，可廣泛應用于真空電子器件[1]、離子遷移譜儀[2]、氣相色譜儀[3]、輻伏同位素電池[4-6]等領(lǐng)域。然而以上應用均要求63Ni源有較高的活度，多數(shù)為108Bq/cm2。由于63Ni源的β射線能量低，強63Ni源的活度難以直接測量，這將影響其使用中輸出特性的評價，因此對強63Ni源的活度測量至關(guān)重要，尤其對于63Ni輻伏同位素電池，63Ni活度測量對于評價電池轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。本研究利用放射性物質(zhì)質(zhì)量與活度的關(guān)系，采用稱重法對強63Ni源的活度進行間接測量，并進行了相關(guān)實驗，擬為強63Ni源活度準確測量提供參考。

1 63Ni活度與質(zhì)量的關(guān)系

對于無載體的放射性同位素，其質(zhì)量與活度存在下列關(guān)系：

(1)

式中，A為活度，Bq；m為質(zhì)量，g；M為質(zhì)量數(shù)；NA為阿佛加德羅常數(shù)；T1/2為半衰期，s。

根據(jù)式(1)計算得到無載體63Ni的比活度為2.1×1012Bq/g。由于制備方式原因，目前市售63Ni原料不可避免含有62Ni和64Ni，其比活度僅為3.7×1011～6.3×1011Bq/g。當采用電鍍或化學鍍制備強度大于108Bq/cm2的63Ni源時，對應的面密度大于160 μg/cm2。若襯底尺寸為1 cm2，則63Ni鍍層的質(zhì)量大于160 μg，該質(zhì)量可用精度為10 μg的天平進行測量。因此，測量63Ni鍍層質(zhì)量，結(jié)合63Ni原料的比活度即可計算鍍層中63Ni的活度。

2 實驗方法

2.1 鍍層稱重

為了獲得厚度均勻的63Ni鍍層，以拋光的單晶硅為襯底，襯底尺寸為10.5 mm×10.5 mm×0.3 mm。利用精度10 μg的CPA225D型天平對9個硅襯底進行稱重，每個硅襯底測量3次。 鍍后漂洗并晾干后，利用同一天平測量9個樣品的重量，每個樣品測量3次。通過計算襯底與鍍后稱重差值獲得鍍層質(zhì)量。

2.2 63Ni鍍層制備

按照清洗→活化→施鍍→漂洗的工藝流程制備63Ni鍍層。清洗：去除硅襯底表面的油污等有機雜質(zhì)，便于鍍層結(jié)合牢固，在稱重之前完成?；罨簩dCl3滴入硅襯底正面，使硅表面形成成核中心便于鍍鎳，此過程中Pd原子會殘留于硅襯底表面，但殘留物相對63Ni鍍層而言，極其微量，對鍍層的增重可忽略不計。施鍍：采用堿性化學鍍，還原劑為NaH2PO2，鎳鹽為63NiCl2，其中63Ni原料的比活度為4.44×1011Bq/g。漂洗：從鍍池取出硅片，用去離子水、丙酮沖洗，去除表面的殘余鍍液和可能存在的有機成分。

2.3 活度計算

根據(jù)襯底稱重與鍍后稱重確定鍍層質(zhì)量，再根據(jù)63Ni原料比活度計算鍍層活度。實驗中鍍層以NaH2PO2為還原劑通過化學鍍制備，形成的鍍層為Ni-P間化物，鍍層中包含P元素，不可直接將鍍層質(zhì)量與比活度相乘計算鍍層活度，需確定鍍層中鎳的含量。為此，采用制備63Ni鍍層的工藝制備了非放射性鎳鍍層，利用掃描電鏡(SEM)按照GB/T 17359—2012《微束分析 能譜法定量分析》的標準要求對鍍層的元素組成進行分析，確定鍍層中Ni的質(zhì)量，進行活度計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 鍍層稱重

襯底、鍍后及鍍層質(zhì)量列于表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，鍍層質(zhì)量均大于1 mg，遠大于天平的測量精度10 μg，因此測量過程導致的系統(tǒng)誤差很小。

表1 樣品質(zhì)量Table 1 The mass of silicon substrate

3.2 63Ni鍍層制備

按相應工藝流程，制得的63Ni鍍層示于圖1。從圖1可以可看出，鍍層均勻牢固，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

圖1 63Ni鍍層樣品Fig.1 Sample of 63Ni coating

3.3 活度計算

非放射性鎳鍍層SEM分析結(jié)果示于圖2。從圖2結(jié)果中可以看出，鍍層中Ni、P、C、O元素的重量百分比分別為83.8%、8.4%、6.7%、1.0%。

根據(jù)化學鍍鎳的原理，總反應式[7]為：

圖2 非放射性鎳鍍層SEM分析結(jié)果Fig.2 The SEM diagram of nonradioactive Ni coating

根據(jù)表2結(jié)果，結(jié)合4.44×1011Bq/g 的63Ni比活度，計算鍍層活度，結(jié)果列于表3。

在分析中美貿(mào)易戰(zhàn)的原因時，本文從中美兩方分別進行了研究。美國方面主要是貿(mào)易保護主義抬頭和處于維護自身霸權(quán)地位的需要；而中國方面則主要在于對美國貿(mào)易依存度過高。

表2 鍍層中鎳的質(zhì)量Table 2 The mass of Ni in the coating

表3 鍍層中63Ni的活度Table 3 The 63Ni activity of coating

測得不同編號鍍層樣品中63Ni的活度為4.08×108～9.56×108Bq，對應的鍍層質(zhì)量為0.92～2.16 mg。測量鍍層質(zhì)量時，天平精度為10 μg，稱重導致的最大相對測量誤差小于1%。此外，利用SEM測量Ni、P元素構(gòu)成按照GB/T 17359—2012《微束分析 能譜法定量分析》的標準要求進行，該標準對原子序數(shù)大于10的元素分析具有很高的置信度，如標準附錄中將含Ni的樣品在六個不同的實驗室中進行測量，質(zhì)量分數(shù)差別不超過0.9%，因此利用SEM定量分析樣品中Ni、P的質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)可靠?？梢?，利用稱重法間接測量強63Ni源活度的準確度較高，據(jù)此計算的活度數(shù)據(jù)可靠性也較高。

4 小結(jié)

針對63Ni源的β射線能量低，強63Ni源的活度難以直接測量問題，依據(jù)放射性物質(zhì)活度和質(zhì)量的關(guān)系，利用稱重法對化學鍍鎳工藝制備的強63Ni源的活度進行間接測量，結(jié)果顯示，不同編號的63Ni鍍層質(zhì)量為0.92～2.16 mg，根據(jù)63Ni比活度、鍍層中Ni含量計算對應的鍍層活度為4.1×108～9.6×108Bq?？紤]天平、Ni含量分析的系統(tǒng)誤差，認為該測量方法可行，測得的活度數(shù)據(jù)可靠。

參考文獻：

[1] 周志偉. 鎳-63—真空電子器件中新的預電離源[J]. 真空科學與技術(shù)，1999，18(1)：57-59.

Zhou Zhiwei.63Ni-a new pre-ionization source of vacuum electronic devices[J]. Vacuum Science and Technology (China), 1999, 18(1): 57-59(in Chinese).

[2] 秦默林，郭成海，曹樹亞，等. 離子遷移譜電離源研究進展[J]. 化學傳感器，2013，32(2)：1-8.

Qin Molin, Guo Chenghai, Cao Shuya, et al. Development of the ionization sources for ion mobility spectrometers[J]. Chemical Sensors, 2013, 32(2): 1-8(in Chinese).

Xu Shuhe, Zhang Jinrong, Zhao Benxuan. Preparation of low energy β source of63Ni used in SP-3700 gas chromatograph[J]. Journal of Isotopes, 1997, 10(1): 21-25(in Chinese).

[4] 張華明，胡睿，王關(guān)全，等.63Ni輻射伏特同位素電池原型的研制[J]. 原子能科學技術(shù)，2013，47(3):490-496.

Zhang Huaming, Hu Rui, Wang Guanquan, et al. Development of63Ni-voltaic nuclear mirco-battery prototype[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(3): 490-496(in Chinese).

[5] Gui Gui, Kan Zhang. Prediction of 4H-SiC betavoltaic microbettery characteristics based on practical Ni-63 sources[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2015, 107: 272-277.

[6] Tang Xiaobin, Ding Ding. Optimization design and analysis of Si-63Ni betavoltaic battery[J]. Sic China Tech Sci, 2012, 55(4): 990-996.

[7] 周春蘭，劉維，王文靜. 應用于太陽電池的單晶硅上化學鍍鎳工藝[J]. 太陽能學報，2010，31(5)：625-629.

Zhou Chunlan, Liu Wei, Wang Wenjing. Electroless nickel planting on single-crystal silicon for solar cells applications[J]. Acat Energiae Solaris Sinica, 2010, 31(5): 625-629(in Chinese).