快化学：放射性核素快速分离及绝对测量方法

（一）概述

在讨论放射化学分离的特殊性时，已经提到了快速分离或快化学。快化学的研究对象是短寿命的放射性核素，这些核素主要出现在下列三个研究领域：①核化学研究。内容包括各种各样的短寿命的核反应产物的鉴定和研究。人工合成和鉴定新核素、新元素则是其中很重要的课题。②核衰变研究。测定核衰变过程的衰变粒子、能量、强度、角关联等时，都要求样品具有很高的放射性纯度，若所研究的核素是短寿命的时，就要先作高纯度的快速化学分离。③活化分析。一般情况下，都选择寿命较长的核素作为被分析元素的放射性指示剂，但有时不得不应用寿命较短的核素，尤其是当得不到可作比较的标准样品时，就必须将活化了的样品作放射性的绝对测量。而要取得准确的绝对测量数据，前提是先进行彻底的化学净化，排除一切杂质放射性的干扰，制得高放射性纯的源，这时快化学分离是必不可少的。

决定化学分离过程快慢的因素是复杂的。假如被分离物质是气体，可以用快速的蒸馏法或挥发法进行分离；如被分离物质处于难溶的化合物状态，则难以用快化学处理。分离所需时间还决定于分离对象的复杂程度，简单的一个或两个核素的分离，一般总是较快的。如要从几十种元素中分离出一种纯的元素，所费的时间就不可能太短。分离时间的长短，最关键的还是决定于分离方法，而分离方法的选择并不是任意的，它取决于被分离体系的性质、核素的寿命、产物纯度的要求等因素。合理地选择方法，安排程序，能够提高速度；反之，方法和程序不当，就达不到快速要求。在半衰期很短的情况下，宁可采用快速的方法，以观察到短寿命的核素，而不能只顾追求化学产率和纯度，选定耗费时间的分离方法，这样做的结果将是一无所得。

从分离的方式和特性看，可以将快速分离方法归纳为两大类，即非连续的和连续的分离程序。

（二）非连续的分离程序

非连续的分离程序（discontinuous separation procedure，batch operation）主要指从溶液中用常规的方法，如沉淀法、萃取法等进行的快速分离，操作的方式是一批一批的、不连续的。

（三）连续的分离程序

连续分离程序（continuous separation procedure）是从核反应产物的传输、化学分离到样品测量，这一整个过程都是连续不断地进行的。靶子持续地接受粒子束的照射，反应产物也是连续不断地通过传送和分离，而到达探测仪器。它的突出优点是，可以不断地测量，有效测量时间长，实验的统计误差小。

1.氦气－气溶胶喷射（helium－aerosol jet）

起初用氦气流喷射从加速器耙子上反冲出来的反应产物，通过压差载带穿过一个小孔，迅速带到一个转轮上，由紧靠着轮子的一个粒子探测器进行放射性测量，用这样的装置可以测出半衰期小至50 ms的核素。这种方法实际上只是一种没有化学过程的快速的载带过程。(www.xing528.com)

2.在线同位素分离器（on－line isotope separator，OLIS）

从加速器靶室或反应堆靶子引出管道的一端，连接着立即进行分离和测量的质谱计，这种装置称为同位素分离器，质谱计能将不同的质荷比的离子分离。对于同一元素的各个同位素，其荷电状态是相同的，则质量上的差异，可以使各个同位素彼此分离。

3.热色层法（thermochromatography）

利用各种元素卤化物的挥发性不同，可以在高温下快速分离某些放射性核素的混合物。先将被分离物质在高温下迅速卤化成挥发性的卤化物（如溴化物或氯化物）。然后通入一个具有温度梯度的色层柱，柱子是一根直径为几个毫米的细管，由于不同卤化物的凝固温度不同，因而各种物质量在柱中的沉积区域不同；与色层分离相似，呈现了一个不同元素的分段分布现象。柱子的低温出口一端，接上活性炭阱和氮冷阱，活性炭阱能吸收卤素和一些挥发性最强的卤化物（如Sn、Tc、Se等的溴化物），冷阱可以吸收惰性气体元素，分离过程只需要几分钟。这一方法的缺点是分辨率不太高，且加温系统比较复杂。

4.高速连续萃取分离机

1974年以来，瑞典、德国等国相继设计制造出了一种命名为SISAK的高速萃取分离装置，专门用来研究短寿命的核素，它是一种可连续操作的离心式萃取机械装置。在分离系统的排列方面，前一台离心机用于萃取过程，后一台离心机用于反萃取过程。

5.用于超重核合成的超快速分离装置

目前超重核合成通常使用重离子熔合反应，截面很小（10-12～10-15b），所使用的重离子束流很难做得很大（通常10-18A量级），因此超重核的生成速度很低，半衰期很短（102～10-6s），其分离与化学研究是在“每次一个原子”（one-atom-at-a-time）的水平上进行。为此，必须设计专门的实验装置进行产物的分离与鉴别。核反应产物核因受到反冲而脱离靶子，用于分离反冲核的设备称为反冲核分离器。反冲核（包括蒸发余核）分离器一般包括三部分：①反应靶系统；②基于电磁及相关技术的反冲核飞行中的分离系统；③反冲核的测量鉴别系统。目前已成功地用于超重核研究的反冲核分离器根据其采用的技术不同分为两类：电磁反冲分离器和充气反冲分离器。前者利用静电偏转和磁偏转，将动能/电荷比或质荷比不同的反应产物分离。后者主要由一个大型二极磁铁构成，工作时其中充满稀薄的工作气体，利用反冲核与气体相互作用使其电荷处于围绕某一平均电荷态的动态平衡状态，以提高传输效率。