Thermal ionization mass spectrometry (TIMS) was used to determine the concentration and isotope ratio of uranium contained in samples of soil and groundwater collected from Korea. Quantification of uranium in ground water samples was performed by isotope dilution mass spectrometry. A series of chemical treatment processes, including chemical separation using extraction chromatography, was applied to the soil samples to extract the uranium. No treatments other than filtration were applied to the groundwater samples. Isotopic analyses by TIMS showed that the isotope ratios of uranium in both the soil and water samples were indistinguishable from those of naturally abundant uranium. The concentration of uranium in the groundwater samples was within the U.S. acceptable standards for drinking water. These results demonstrate the utility of TIMS for monitoring uranium in environmental samples with high analytical reliability.
Isotope ratio analysis of nuclear materials in individual particles is of great importance for nuclear safeguards. Although secondary ion mass spectrometry (SIMS) and thermal ionization mass spectrometry (TIMS) are utilized for the analysis of individual uranium particles, few studies were conducted for the analysis of individual uranium-plutonium mixed oxide particles. In this study, we applied SIMS and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) to the isotope ratio analysis of individual U-Pu mixed oxide particles. In the analysis of individual U-Pu particles prepared from mixed solution of uranium and plutonium standard reference materials, accurate $^{235}U/^{238}U$, $^{240}Pu/^{239}Pu$ and $^{242}Pu/^{239}Pu$ isotope ratios were obtained with both methods. However, accurate analysis of $^{241}Pu/^{239}Pu$ isotope ratio was impossible, due to the interference of the $^{241}Am$ peak to the $^{241}Pu$ peak. In addition, it was indicated that the interference of the $^{238}UH$ peak to the $^{239}Pu$ peak has a possibility to prevent accurate analysis of plutonium isotope ratios. These problems would be avoided by a combination of ICP-MS and chemical separation of uranium, plutonium and americium in individual U-Pu particles.
분석 기기의 발달과 더불어 자연 우라늄 동위원소 비(238U/235U)와 분별작용에 대한 연구가 점차 증가하고 있다. MC-ICP-MS을 이용한 우라늄 동위원소의 정밀한 분석이 가능해지면서 137.88의 고정된 값으로 여겨졌던 자연 물질의 238U/235U 비가 우라늄 동위원소 분별작용에 의해 최대 수 퍼밀까지 변화할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본 고찰에서는 우라늄 동위원소의 분석과 표기에 대해 간략하게 설명한 후, 지구 상 주요 물질들의 우라늄 동위원소 값(δ238U)의 변화와 지구화학적 특징을 살펴본다. 특히, 우라늄 광상의 유형과 특징에 따른 우라늄 동위원소 조성 연구 사례를 소개하고, 상대적으로 큰 δ238U 범위를 야기하는 우라늄 동위원소 분별작용에 대해 논의한다. 이를 바탕으로 고준위 방사성 폐기물 처분장의 모의 실험을 위한 자연 유사 모델로서 우라늄 광상이 갖는 연구 의의에 대해 고찰한다.
Lee, Chi-Gyu;Park, Ranhee;Park, Jinkyu;Lim, Sang Ho
Nuclear Engineering and Technology
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제52권7호
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pp.1532-1536
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2020
For ensuring nuclear safeguards, we report the analytical signal-detection performance of thermal ionization mass spectrometry (TIMS) with continuous heating for the measurement of isotopic ratios in samples containing ultra-trace amounts of uranium. As methods for detecting uranium signals, peak-jumping mode using a single detector and static mode using multiple detectors were examined with U100 (10% 235U-enriched) uranium standard samples in the femtogram-to-picogram range. Uranium isotope ratios, n(235U)/n(238U), were measured down to levels of 1 fg and 3 fg in static and peak-jumping modes, respectively, while n(234U)/n(238U) and n(236U)/n(238U) values were measured down to levels of 100 fg in both modes. In addition, the dependency of the 238U signal intensity on sample quantity exhibited similar tendencies in both modes. The precisions of the isotope ratios obtained in the static mode over all sample ranges used in this study were overall slightly higher than those obtained in peak-jumping mode. These results indicate that isotope ratio measurements by TIMS with continuous heating are almost independent of the detection method, i.e., peak-jumping mode or static mode, which is characteristic of isotope-ratio measurements using the TIMS method with continuous heating. TIMS with continuous heating is advantageous as it exhibits the properties of multiple detectors within a single detector, and is expected to be used in various fields in addition to ensuring nuclear safeguards.
한국방사성폐기물학회 2004년도 Proceedings of the 4th Korea-China Joint Workshop on Nuclear Waste Management
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pp.257-259
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2004
In this paper measurement method of uranium isotope ratio of uranium-bearing particles in swipe samples was introduced; Swipe sample screening program was proposed on the basis of studying various destructive assay and non-destructive assays. Scanning electron microscope(SEM) equipped with an energy dispersive X-ray fluorescence(XRF) system was applied to locate the deposited uranium-containing particles on the graphite support, particle's composition and size can be identified. Some isotope ratio results were compared with those of other bulk analytical methods; By measuring the same prepared sample, we got the U-particle isotopic ratio data similar to those from IAEA NWAL, indicating that our operation parameters and experimental conditions are viable and can be used for measurement of U-particle isotopic ratio from swipe samples.
As background significantly affects measurement accuracy and a detection limit in determination of the trace amounts of uranium, it is necessary to minimize the impurities in the filaments used for thermal ionization mass spectrometry (TIMS). We have varied the degassing condition such as the heating currents and duration times to reduce the backgrounds from the filaments prepared with zone-refined rhenium tape. The most efficient degassing condition of the heating current and the duration time was determined as 3.5 A and 60 min, respectively. The TIMS measurement combined with the isotope dilution mass spectrometry (IDMS) technique showed that the uranium backgrounds were determined to be in a few fg level from blank rhenium filaments. The background minimized filaments were utilized to measure the uranium isotope ratios of a U030 (NIST) standard sample. The excellent agreement of the measurement with the certified isotope ratios showed that the degassing procedure optimized in this study efficiently reduced the impurity signals of uranium from blank rhenium filaments to a negligible level.
Secondary ion mass spectrometry (SIMS) is a promising tool to measure isotope ratios of individual uranium particles in environmental samples for nuclear safeguards. However, the analysis requires prior identification of a small number of uranium particles that coexist with a large number of other particles without uranium. In the present study, this identification was performed by scanning electron microscopy - energy dispersive X-ray analysis with automated particle search mode. The analytical results for an environmental sample taken at a nuclear facility indicated that the observation of backscattered electron images with × 1000 magnification was appropriate to efficiently identify uranium particles. Lower magnification (less than × 500) made it difficult to detect smaller particles of approximately 1 μm diameter. After identification, each particle was manipulated and transferred for subsequent isotope ratio analysis by SIMS. Consequently, the isotope ratios of individual uranium particles were successfully determined without any molecular ion interference. It was demonstrated that the proposed technique provides a powerful tool to measure individual particles not only for nuclear safeguards but also for environmental sciences.
Park, Jong-Ho;Choi, In-Hee;Park, Su-Jin;Lee, Myung-Ho;Song, Kyu-Seok
Bulletin of the Korean Chemical Society
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제32권12호
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pp.4327-4331
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2011
A new method in thermal ionization mass spectrometry (TIMS) was developed to correct peak tailing backgrounds in the isotope ratio measurements of uranium in ultra trace levels for higher accuracy. Two different uranium standard reference materials (U005 and U030) were used to construct databases of signal intensities at mass 234 u and mass 236 u, which correspond to the two uranium minor isotopes, and signal intensity of $^{238}U$. Correlations between peak tailing backgrounds and $^{238}U$ were obtained by least-squares regression on calculated backgrounds at mass 234 u and mass 236 u with respect to the signal intensity of $^{238}U$ followed by separation of the peak tails of the two major isotopes of uranium ($^{235}U$ and $^{238}U$), which enables us to obtain a master equation for peak tailing background correction on all kinds of samples. Verification of the correction method was carried out using U010 and IRMM-040a.
Mass spectrometric analysis was carried out using multicollector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) for the precise and accurate determination of the isotope ratios of ultratrace levels of uranium dissolved in 3% $HNO_3$. We used the certified reference material (CRM) 112-A at a trace level of 100 pg/mL for the uranium isotopic measurement. Multiple collectors were utilized for the simultaneous measurement of uranium isotopes to reduce the signal uncertainty due to variations in the ion beam intensity over time. Mass bias correction was applied to the measured U isotopes to improve the precision and accuracy. Furthermore, elemental standard solution with certified values of platinum, iridium, gold, and thallium dissolved in 3% $HNO_3$ were analyzed to investigate the formation rates of the polyatomic ions of $Ir^{40}$$Ar^+$, $Pt^{40}$$Ar^+$, $Tl^{40}$$Ar^+$, $Au^{40}$$Ar^+$ for the concentration range of 50-400 pg/mL. Those polyatomic ions have mass-to-charge ratios in the 230-245 m/z region that it would contribute to the increase of background intensity of uranium, thorium, plutonium, and americium isotopes. The effect of the polyatomic ion interference on uranium isotope measurement has been estimated.
액체섬광계수기를 이용한 지하수 내 우라늄 동위원소의 최적 측정방법에 대한 연구를 수행하였다. 용매추출법을 이용해 우라늄을 추출하였고, 시료량과 pH에 따른 추출효율을 조사하였다. 우라늄 추출효율에 미치는 영향을 조사하기 위해 표준용액을 사용하여 100 mL~1 L 범위에서 시료량을 변화 시켰으며 pH는 0.5~10 범위에서 측정하였다. 실험결과 우라늄의 추출효율은 pH에 매우 민감한 것으로 나타났으며 pH 2 에서 최고치를 나타냈다. 이에 반해 시료량은 추출효율에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 우라늄 표준시료를 이용한 실험 결과 추출효율은 $95.93{\pm}0.77%$ 이었고, 계측시간 5시간을 기준으로 한 우라늄의 검출한계는 0.018 Bq/L 이었다. 본 연구결과로부터 지하수에 함유된 우라늄의 최적추출 및 측정법을 확립할 수 있었고 본 방법의 검증을 위해서 지하수 중 우라늄의 분석에 일반적으로 사용되는 ICP-MS 측정결과와의 비교분석도 함께 수행하였다. 본 연구에서 개발된 분석법을 대전 주변 지역 네 곳의 지하수를 대상으로 우라늄 함량 및 동위원소 비의 측정에 적용한 결과 우라늄의 농도는 0.59~6.69 Bq/L 그리고 $^{234}U/^{238}U$의 방사성 비는 0.88~1.40 범위로 나타내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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