극미량 우라늄시료에 대한 열이온화 질량분석기를 이용하여 우라늄 동위원소 비 측정 및 정량과 관련하여 고순도(zone refined) 레늄필라멘트와 일반 레늄필라멘트로부터 오는 바탕값(background) 특성을 비교하였다. 두 종류 필라멘트에서 가벼운 알칼리금속원소들의 클러스터(cluster)인 $(^{39}K_6)^+$, $(^{39}K_5+^{41}K)^+$ 및 금속산화물($PbO_2$)로 추측되는 우라늄 동중원소영향(isobaric effect)을 확인하였다. 고순도 레늄필라멘트를 < $10^{-7}$ torr에서 약 $2000^{\circ}C$로 1.5 시간 이상 degassing 함으로 불순물들을 완전히 제거할 수 있었으나 일반 레늄필라멘트의 경우 5시간 이상 degassing을 하여도 약 3 pg-U이 남아있었다. 일반 레늄필라멘트에 대한 불순물 제거(degassing) 실험결과 5 A, 30 분이 불순물제거의 최소조건이었다. U-233을 spike로 사용, 동위원소희석 질량분석법으로 일반 레늄필라멘트 중 불순물로 포함된 우라늄 양을 측정한 결과 degassing을 하지 않은 필라멘트에서는 0.31 ng-U이 측정되었고, degassing (5.5 A, 1 hr.)을 한 것은 약 3 pg-U 이 측정되었다. 즉, 일반필라멘트의 경우, degassing을 하더라도 1 ng-U 시료에 대하여 0.3% 오차를 근본적으로 갖는 것을 알 수 있었다. 따라서 환경급 극미량 우라늄시료 측정에는 고순도 필라멘트를 degassing하여 사용해야 함을 알 수 있었다. 우라늄 측정 시 필라멘트 전류를 5.5 A로 하였을 때보다 6.0 A로 했을 때 불순물 우라늄 량이 1.5 배 더 크게 나타났다. 따라서 필라멘트 전류를 5.5 A 이상 올리지 않는 것이 바탕값 영향이 작음을 알 수 있었다. 우라늄 표준물질(KRISS 표준물질/NIST U-005, 030)을 사용하여 우라늄 동위원소 함량을 측정한 후 인증 값과 비교한 결과 U-235 는 0.04%, U-234, U-236는 2% 이내에서 각각 일치하였다.
극미량 우라늄시료에 대한 열이온화 질량분석기를 이용하여 우라늄 동위원소 비 측정 및 정량과 관련하여 고순도(zone refined) 레늄필라멘트와 일반 레늄필라멘트로부터 오는 바탕값(background) 특성을 비교하였다. 두 종류 필라멘트에서 가벼운 알칼리금속원소들의 클러스터(cluster)인 $(^{39}K_6)^+$, $(^{39}K_5+^{41}K)^+$ 및 금속산화물($PbO_2$)로 추측되는 우라늄 동중원소영향(isobaric effect)을 확인하였다. 고순도 레늄필라멘트를 < $10^{-7}$ torr에서 약 $2000^{\circ}C$로 1.5 시간 이상 degassing 함으로 불순물들을 완전히 제거할 수 있었으나 일반 레늄필라멘트의 경우 5시간 이상 degassing을 하여도 약 3 pg-U이 남아있었다. 일반 레늄필라멘트에 대한 불순물 제거(degassing) 실험결과 5 A, 30 분이 불순물제거의 최소조건이었다. U-233을 spike로 사용, 동위원소희석 질량분석법으로 일반 레늄필라멘트 중 불순물로 포함된 우라늄 양을 측정한 결과 degassing을 하지 않은 필라멘트에서는 0.31 ng-U이 측정되었고, degassing (5.5 A, 1 hr.)을 한 것은 약 3 pg-U 이 측정되었다. 즉, 일반필라멘트의 경우, degassing을 하더라도 1 ng-U 시료에 대하여 0.3% 오차를 근본적으로 갖는 것을 알 수 있었다. 따라서 환경급 극미량 우라늄시료 측정에는 고순도 필라멘트를 degassing하여 사용해야 함을 알 수 있었다. 우라늄 측정 시 필라멘트 전류를 5.5 A로 하였을 때보다 6.0 A로 했을 때 불순물 우라늄 량이 1.5 배 더 크게 나타났다. 따라서 필라멘트 전류를 5.5 A 이상 올리지 않는 것이 바탕값 영향이 작음을 알 수 있었다. 우라늄 표준물질(KRISS 표준물질/NIST U-005, 030)을 사용하여 우라늄 동위원소 함량을 측정한 후 인증 값과 비교한 결과 U-235 는 0.04%, U-234, U-236는 2% 이내에서 각각 일치하였다.
An experiment was performed for zone refined Re-filament and normal (nonzone refined) Re-filament to reduce the background effect on the measurement of low level uranium samples. From both filaments, the signals which seemed to come from a cluster of light alkali elements, $(^{39}K_6)^+$,...
An experiment was performed for zone refined Re-filament and normal (nonzone refined) Re-filament to reduce the background effect on the measurement of low level uranium samples. From both filaments, the signals which seemed to come from a cluster of light alkali elements, $(^{39}K_6)^+$, $(^{39}K_5+^{41}K)^+$ and $PbO_2$ were identified as the isobaric effect of the uranium isotopes. The isobaric effect signal was completely disappeared by heating the filament about $2000^{\circ}C$ at < $10^{-7}$ torr of vacuum for more than 1.5 hour in zone refined Refilaments, while that from the normal Re-filaments was not disappeared completely and was still remained as 3 pg. of uranium as the impurities after the degassing treatment was performed for more than 5 hours at the same condition of zone refined filaments. A threshold condition eliminating impurities were proved to be at 5 A and 30 minutes of degassing time. The uranium content as an impurity in rhenium filament was checked with a filament degassing treatment using the U-233 spike by isotope dilution mass spectrometry. A 0.31 ng of U was detected in rhenium filament without degassing, while only 3 pg of U was detected with baking treatment at a current of 5.5 A for 1 hr. Using normal Re-filaments for the ultra trace of uranium sample analysis had something problem because uranium remains to be 3 pg on the filament even though degassed for long hours. If the 1 ng uranium were measured, 0.3% error occurred basically. It was also conformed that ionization filament current was recommended not to be increased over 5.5 A to reduce the background. Finally, the contents of uranium isotopes in uranium standard materials (KRISS standard material and NIST standard materials, U-005 and U-030) were measured and compared with certified values. The differences between them showed 0.04% for U-235, 2% for U-234 and 2% for U-236, respectively.
An experiment was performed for zone refined Re-filament and normal (nonzone refined) Re-filament to reduce the background effect on the measurement of low level uranium samples. From both filaments, the signals which seemed to come from a cluster of light alkali elements, $(^{39}K_6)^+$, $(^{39}K_5+^{41}K)^+$ and $PbO_2$ were identified as the isobaric effect of the uranium isotopes. The isobaric effect signal was completely disappeared by heating the filament about $2000^{\circ}C$ at < $10^{-7}$ torr of vacuum for more than 1.5 hour in zone refined Refilaments, while that from the normal Re-filaments was not disappeared completely and was still remained as 3 pg. of uranium as the impurities after the degassing treatment was performed for more than 5 hours at the same condition of zone refined filaments. A threshold condition eliminating impurities were proved to be at 5 A and 30 minutes of degassing time. The uranium content as an impurity in rhenium filament was checked with a filament degassing treatment using the U-233 spike by isotope dilution mass spectrometry. A 0.31 ng of U was detected in rhenium filament without degassing, while only 3 pg of U was detected with baking treatment at a current of 5.5 A for 1 hr. Using normal Re-filaments for the ultra trace of uranium sample analysis had something problem because uranium remains to be 3 pg on the filament even though degassed for long hours. If the 1 ng uranium were measured, 0.3% error occurred basically. It was also conformed that ionization filament current was recommended not to be increased over 5.5 A to reduce the background. Finally, the contents of uranium isotopes in uranium standard materials (KRISS standard material and NIST standard materials, U-005 and U-030) were measured and compared with certified values. The differences between them showed 0.04% for U-235, 2% for U-234 and 2% for U-236, respectively.
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문제 정의
미량의 우라늄동위원소 표준물을 시료로 사용하여 우라늄 동위원소 비를 측정하고 검정값과 비교하여 주변 실험환경이나 기타 우라늄 오염원으로부터 영향을 받았는지 여부를 알고자 하였다. 우라늄 동위원소 표준 물, 0.
원자 수 개념의 극미량 시료에 대한 질량분석을 위해서는 별도의 고진공, 고온에서 불순물을 제거할 수 있는 degassing system을 사용하게 된다. 본 실험에서 IAEA 헥안전보장조치와 관련한 환경급 시료에 대한 우라늄 동위원소 비 측정 및 정량과 관련하여 일련의 바탕값 영향을 줄일 수 있는 방법에 대한 기초실험을 하였으며, 고순도 필라멘트와 일반 필라멘트의 차이를 알아보고 이를 바탕으로 우라늄 동위원소 표준물을 이용하여 측정값의 신뢰도를 검정하고자 하였다.
제안 방법
NIST의 동위원소 표준물(U-005, U-030), 각각 10 ng-U 및 한국표준과학연구원의 자연동위원소비를 갖는 우라늄 동위원소 표준물, 0.35 ng-U을 각각 레늄 필라멘트에 올려 질량분석을 수행하였다.
고순도 레 늄필 라멘트와 일 반 레 늄필 라멘트로부터오는 바탕값 특성을 비교 실험하였다. 두 종류 필라멘트에서 가벼운 알칼리금속원소들의 클러스터 (cluster), (39K6)+, (3S, Kj + 41K)+ 및 금속산화물(PbO, 형태로 추정되는 동중원소영향(isobaric effect)을 야기하는 신호들을 확인하였으며, 고순도 레늄필라멘트를 <10-7 torr 에서 약 2000%:로 1.
본 실험은 일반 레늄필라멘트와 고순도 레늄필라멘트를 사용하여 우라늄 동위 원소 비 측정조건에 서 시 간에 따라 불순물 우라늄을 측정하였다. 고순도 레늄 필라멘트에 존재하는 불순물을 제거하기위한 별도의 장비 (filament degassing system)를 사용하여 진공중 필라멘트에 흘려주는 전류(온도)와 시간에 따라 불순물이 제거되는 정도를 SEM 검출기를 이용하여 U-238 counts를 통하여 알아보았다. 시간을 30분으로 하고 필라멘트 전류를 높여가며 degassing 한 후 이를 우라늄 동위원소비 측정조건(E.
동시에 측정하였다. 두 종류의 검출기 사이에 얻어지는 측정 차이를 고려 한 보정값(conversion fiictor)을 측정값에 적용하였다. 기기의 자장과 질량 관련 검정곡선은 m/z을 알고 있는 6개의 원소, Na-23, K-39, Sr-88, Nd-142, Re-187, 그리고 U-238을 이용하여 수행하였다.
따라서 시간을 30분으로 하고 필라멘트 전류를 높여가며 degassing을 한 후 이를 우라늄 동위원소 비 측정조건(E.F. 1.5 A, I.F. 5.5 A)에서 m/^238의 count 수를 측정하여 온도에 따른 불순물제거 정도를 시험했으며 이의 결과를 Table 4에 보였다. 5A 와 5.
사용하는 레늄필라멘트 혹은 바탕 값으로 들어 있는 우라늄이 동위원소 비 즉정에 미치는 정도를 수치적으로 표현하기위하여 우라늄을 정 량하였다. IRMM- 040a, U-233 spike 2.
고순도 레늄 필라멘트에 존재하는 불순물을 제거하기위한 별도의 장비 (filament degassing system)를 사용하여 진공중 필라멘트에 흘려주는 전류(온도)와 시간에 따라 불순물이 제거되는 정도를 SEM 검출기를 이용하여 U-238 counts를 통하여 알아보았다. 시간을 30분으로 하고 필라멘트 전류를 높여가며 degassing 한 후 이를 우라늄 동위원소비 측정조건(E.F. 1.5 A, I.F. 5.5 A)에서 m/zm238의 count수를 즉정하여 온도에 따른 불순물제거 정도를 시험했다. 레늄필라멘트를 degassing한 것과 하지 않은 것으로 구분하여 SEM 검출기만을 사용하여 우라늄 동위원소 비를 peak jumping 방법으로 측정 하였다.
03 ng-U이 계산된다. 여기서 얻어진 우라늄 량과 CPS 관계를 본 실험에서 얻어진 CPS를 우라늄 량으로 간접 적용하였다. 얻어진 우라늄 량을 Table 6에 보였으며 baking 을 하지 않은 필라멘트에서 0.
필라멘트에 U-233 spike, IRMM-O43a, 2.14 ng-U/ uL 용액 1 uL를 점적하여 U-238/U-233 동위원소 비를 측정하였으며, 여기서 얻은 결과를 동위원소 희석질량 분석법으로 우라늄 량을 구하였다.
대상 데이터
두 종류의 검출기 사이에 얻어지는 측정 차이를 고려 한 보정값(conversion fiictor)을 측정값에 적용하였다. 기기의 자장과 질량 관련 검정곡선은 m/z을 알고 있는 6개의 원소, Na-23, K-39, Sr-88, Nd-142, Re-187, 그리고 U-238을 이용하여 수행하였다. 동위원소 비 측정에서 높은 정밀도와 정확도를 얻기 위해서는 질량분석을 하기 전 시료를 화학적으로 순수하게 분리 정제하여 불순물에 의한 동중원소 영향이 없도록 해야 한다.
고순도13 필라멘트로 구분되어 사용한다. 본 실험은 일반 레늄필라멘트와 고순도 레늄필라멘트를 사용하여 우라늄 동위 원소 비 측정조건에 서 시 간에 따라 불순물 우라늄을 측정하였다. 고순도 레늄 필라멘트에 존재하는 불순물을 제거하기위한 별도의 장비 (filament degassing system)를 사용하여 진공중 필라멘트에 흘려주는 전류(온도)와 시간에 따라 불순물이 제거되는 정도를 SEM 검출기를 이용하여 U-238 counts를 통하여 알아보았다.
실험에 사용한 질량분석기는 Finnigan MAT 262 TIMS (Thermal Ionization Mass Spectrometer)이 었으며, multi-collector Faraday Cup과 SEM (secondary electron multiplier detector)0] 있어, 작은 동위원소 비를 갖는 U-234 와 U-236은 SEM을 사용하고, 비교적 큰 동위원소 비 를 갖는 U-235 와 U-238은 Faraday aip을 사용하여 동시에 측정하였다. 두 종류의 검출기 사이에 얻어지는 측정 차이를 고려 한 보정값(conversion fiictor)을 측정값에 적용하였다.
레늄필라멘트를 degassing한 것과 하지 않은 것으로 구분하여 SEM 검출기만을 사용하여 우라늄 동위원소 비를 peak jumping 방법으로 측정 하였다. 이 실험에서 우라늄 피크가 매우 작기 때문에 기기측정조건을 우라늄 피크 대신 레늄 필라멘트로부터 나오는 Re-187 피크를 이용하여 조절하였다.
질 량분석 에 사용되는 레 늄필라멘트는 일반 필라멘트와 고순도13 필라멘트로 구분되어 사용한다. 본 실험은 일반 레늄필라멘트와 고순도 레늄필라멘트를 사용하여 우라늄 동위 원소 비 측정조건에 서 시 간에 따라 불순물 우라늄을 측정하였다.
이론/모형
5 A)에서 m/zm238의 count수를 즉정하여 온도에 따른 불순물제거 정도를 시험했다. 레늄필라멘트를 degassing한 것과 하지 않은 것으로 구분하여 SEM 검출기만을 사용하여 우라늄 동위원소 비를 peak jumping 방법으로 측정 하였다. 이 실험에서 우라늄 피크가 매우 작기 때문에 기기측정조건을 우라늄 피크 대신 레늄 필라멘트로부터 나오는 Re-187 피크를 이용하여 조절하였다.
불순물을 제거한 필라멘트와 그렇지 않은 필라멘트로부터 나오는 우라늄 양을 IDMS 방법으로 측정하였다. 필라멘트에 U-233 spike, IRMM-O43a, 2.
성능/효과
5시간 baking 한 필라멘트에 올리고 질량분석을 수행한 결과를 Table 9에 나타내었다. NIST U-005는 U- 235 농축도가 약 0.5%농축된 표준물로 자 연동 위원 소비를 갖는 우라늄(U-235, 0.72%) 오염이 있었다면 결과가 높게 나왔을 것인데 그러지 않은 결과로 볼 때 오염없이 측정 이 잘 되 었음을 알 수 있었다. 또한 한국표준과학연구원 우라늄표준물은 자연동위 원 소비를 갖는 우라늄으로 U-235는 0.
72% 이다. 결과에서 볼 수 있듯이 표준검정 값에 잘 일치하는 결과를 보임으로서 농축된 우라늄의 혼입이 없었음을 알 수 있었다. 본 실험실은 U-235 농축도, 2〜20%을 취급하는 실험실 여건을 고려할 때 우라늄이 혼입되었다면 검정 값보다 높은 값을 보일 수 있지만 실험결과 검정 값과 잘 일치함을 보였다.
바탕값 특성을 비교 실험하였다. 두 종류 필라멘트에서 가벼운 알칼리금속원소들의 클러스터 (cluster), (39K6)+, (3S, Kj + 41K)+ 및 금속산화물(PbO, 형태로 추정되는 동중원소영향(isobaric effect)을 야기하는 신호들을 확인하였으며, 고순도 레늄필라멘트를 <10-7 torr 에서 약 2000%:로 1.5 시간 이상 degassing 함으로 불순물들을 완전히 제거할 수 있었다. 그러나 일반 레늄 필라멘트는 5시간 이상 degassing 처리를 하여도, 약 3 pg-U이 없어지지 않고 계속하여 측정되었다.
5 A 에서 30분 degassing을 한 결과는 40 CPS로 똑 같았다. 따라서 5A에서 30분 baking을 하면 제거될 불순물은 거의 제거됨을 알 수 있었다. 실험 중 5.
결과에서 볼 수 있듯이 표준검정 값에 잘 일치하는 결과를 보임으로서 농축된 우라늄의 혼입이 없었음을 알 수 있었다. 본 실험실은 U-235 농축도, 2〜20%을 취급하는 실험실 여건을 고려할 때 우라늄이 혼입되었다면 검정 값보다 높은 값을 보일 수 있지만 실험결과 검정 값과 잘 일치함을 보였다. 우라늄 표준물질(KRISS 표준물질과 NIST, U-005, U-030)을 사용하여 우라늄 동위원소 비를 측정한 후 인증 값과 비교한 결과 U-235 는 0.
일반 레늄 필라멘트에 대한 불순물 제거 실험 결과 5 A, 30 분이 불순물 제거 최소조건이었다. 본 실험을 통해서 극미량 우라늄 시료 측정을 위해서는 고순도 필라멘트를 degassing 한 후 사용하여야 하며, 일반 필라멘트 경우는 degassing 하여 사용한다 할지라도 1 ng-U 시료에 대하여 0.3% 오차를 근본적으로 갖는 것을 알 수 있었다. 우라늄 표준물질(KRISS 표준물질과 NIST, U-005, U-030)을 사용하여 우라늄 동위원소 비를 측정 한 후 인증 값과 비교한 결과 U-235는 0.
따라서 5A에서 30분 baking을 하면 제거될 불순물은 거의 제거됨을 알 수 있었다. 실험 중 5.5 A에서 무려 5시간을 baking을 시행한 필라멘트에서 U-238이 40 CPS가 나옴을 확인하였으며, 이는 IDMS 정 량개념으로 계산할 경우 우라늄 약 3 pg에 해당되는 양이다. 즉 이 필라멘트 구성자체가 이런 정도 우라늄 함량을 갖고 있기 때문에 더 이상 줄일 수 없음을 알 수 있었으며, 이 값은 1 ng-U 시료측정에 약 3% 정도의 바탕 값 오차를 유발하는 것으로 계산되었다.
본 실험실은 U-235 농축도, 2〜20%을 취급하는 실험실 여건을 고려할 때 우라늄이 혼입되었다면 검정 값보다 높은 값을 보일 수 있지만 실험결과 검정 값과 잘 일치함을 보였다. 우라늄 표준물질(KRISS 표준물질과 NIST, U-005, U-030)을 사용하여 우라늄 동위원소 비를 측정한 후 인증 값과 비교한 결과 U-235 는 0.04%, U-234, U-236는 2% 이내에서 각각 일치하였다.
본 실험실은 U-235 농축도, 2〜20%을 취급하는 실험실 여건을 고려할 때 우라늄이 혼입되었다면 검정 값보다 높은 값을 보일 수 있지만 실험결과 검정 값과 잘 일치함을 보였다. 우라늄 표준물질(KRISS 표준물질과 NIST, U-005, U-030)을 사용하여 우라늄 동위원소 비를 측정한 후 인증 값과 비교한 결과 U-235 는 0.04%, U-234, U-236는 2% 이내에서 각각 일치하였다.
5 A로 가열하여 30분 가열한 필라멘트, 10개를 이용하여 일반적 우라늄 동위원소 비를 측정하는 조건에서 우라늄, m/z-238의 피크크기(CPS)를 측정한 결과의 평균은 280 CPS 이었으며, 이를 IDMS 방법으로 우라늄 량을 간접계산 하면 약 33 土 4 pg 정도이며 이 결과를 Table 3에 나타내었다. 이 결과로 볼 때 3.5 A 에서 30분 만으로는 필라멘트 불순물이 충분히 제거되지 않음을 알 수 있었다.
5 A에서 무려 5시간을 baking을 시행한 필라멘트에서 U-238이 40 CPS가 나옴을 확인하였으며, 이는 IDMS 정 량개념으로 계산할 경우 우라늄 약 3 pg에 해당되는 양이다. 즉 이 필라멘트 구성자체가 이런 정도 우라늄 함량을 갖고 있기 때문에 더 이상 줄일 수 없음을 알 수 있었으며, 이 값은 1 ng-U 시료측정에 약 3% 정도의 바탕 값 오차를 유발하는 것으로 계산되었다.
후속연구
1 CPS로 바탕값 영향이 없어졌음을 보였다. 그러나 일반레늄필라멘트의 경우 칼륨 6-cluster로부터 오는 이 온들의 nuclide mass 를 계산해 보면 233.7822 (38.963708x6)가 되 고, 우라늄 234의 nuclide mass는 234.040947이므로 이들을 고분해능 질량분석기로 측정한다면 구분하여 측정할 수 있을 것이다. 또한 Table 1에 보인 불순물로 들어 있는 납산화물(PbO, 의 경우도 우라늄과 질량 차이를 구분할 수 있는 분해능을 갖는 기기라면 이들의 영향을 배제한 측정이 가능 할 것이다.
참고문헌 (16)
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