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核取证是未来国际核安全领域的重点研究方向之一,其中核材料的地理溯源技术是核取证的核心内容。微量元素含量或稳定同位素比值被认为能够在核材料的溯源研究中提供重要的特征信息。本文应用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对铀矿石样品中14种稀土元素含量进行了测量。采用AG 50W-X12树脂和Ln树脂建立了铀矿石中Nd-Ce的联合化学分离流程,不仅实现了稀土元素与复杂基体的分离,还有效去除了干扰严重的稀土元素。应用热表面电离质谱仪(TIMS)建立了铀矿石中Nd、Ce同位素的高精度质谱分析方法,并利用同位素标准物质及标准岩石样品对分析方法进行验证,采用新建立的Nd、Ce同位素质谱分析方法对铀矿石样品中的Nd、Ce同位素进行了测量。最后,将获得的铀矿石样品中的稀土元素含量与Nd、Ce同位素信息相结合,应用聚类分析(CA)、主成分(PCA)、主成分聚类(PCA-CA)分析方法,以及判别分析方法(LDA)等多元统计分析方法对不同来源的铀矿石样品进行地理溯源研究。主要研究内容及结果如下:(1)采用ICP-MS建立了铀矿石中14种稀土元素含量的测量方法。对来自不同国家的25种铀矿石样品进行溶样、消解,得到样品溶液。确定了 ICP-MS的工作参数,考察了方法的检出限、流程空白等指标。利用建立的分析方法对铀矿石中的稀土元素含量进行了测量,结果表明不同地理来源的铀矿石样品的稀土元素含量之间差异巨大,为后续铀矿石样品的地理溯源分析提供了数据基础。(2)建立了铀矿石中Nd-Ce联合化学分离流程。采用AG 50W-X12树脂洗脱基体杂质及主要干扰元素,采用氧化还原方法洗脱轻稀土元素中的Ce组分,进一步采用Ln树脂淋洗得到Nd组分。实现了一次进样下对Nd、Ce的同时分离,缩短了化学分离流程时间,并且减少了样品用量,显著提高了样品利用率。测量结果表明:Ce本底含量为0.4-2.9ng,Nd本底含量0.02-0.12ng。最终溶液中Ce回收率约为88%-96%,Nd回收率约为81%-90%,且主要干扰稀土元素的浓度极低,去污效果较为理想,满足高精度质谱测量的化学分离要求。(3)建立了基于Nd+测量方式的Nd同位素比值高精度TIMS分析方法。首先制备了新型薄膜多孔离子源(FPIE),并对FPIE条件下的Nd电离行为进行了研究,结果表明,与传统的双铼带灯丝方法相比,FPIE方法的Nd+离子产额提高了约10倍。通过对同位素参考物质JNdi-1和标准岩石样品中的143Nd/144Nd比值进行测量,验证了新方法的准确性和测量精度。采用新建立的Nd同位素高精度TIMS分析方法,对铀矿石样品中的Nd同位素比值进行分析,143Nd/144Nd比值的外精度可达35ppm,满足铀矿石地理溯源的精度要求。(4)建立了基于Ce+测量方式的Ce同位素比值高精度TIMS分析方法。研究表明,与传统的双铼带灯丝相比,FPIE条件下Ce+离子的电离效率显著高于CeO+离子。实验发现使用TaF5作为发射剂可有效降低138Ba对138Ce的同量异位素干扰。研究了不同电流放大器组合对Ce同位素比值测量精度的影响,采用1013-1012-1010Ω电流放大器组合,测得的138Ce/140Ce比值的外精度达到36ppm,与常规Ce+测量方法相比,138Ce/140Ce比值的外精度提高了约8倍,满足核取证溯源的精度要求。(5)应用多元统计分析方法对不同来源的铀矿石样品进行地理溯源研究。基于获得的铀矿石样品中的稀土元素含量与Nd、Ce同位素信息,采用聚类分析、主成分分析、主成分-聚类分析以及判别分析等不同多元统计分析方法建立的铀矿石地理溯源模型大部分具有较强的准确性和可靠性,且不同的多元统计溯源方法有各自的适用场景。另外,与仅利用稀土元素含量作为溯源信息相比,将稀土元素含量与Nd-Ce同位素信息结合时,溯源效果得到显著改善。