[发明专利]用于生产低α材料的同位素置换精炼法

说明书

一种从金属中除去铅‑210（²¹⁰Pb）的方法，所述方法包括测定待精炼的金属中的²¹⁰Pb浓度；由所述²¹⁰Pb浓度测定要添加到所述待精炼的金属中的低α铅的量，所述低α铅具有比所述待精炼的金属低的²¹⁰Pb浓度；通过将所述低α铅添加到所述待精炼的金属中形成掺杂金属混合物；精炼所述掺杂金属混合物以分离所述掺杂金属混合物中的至少一部分铅以形成具有比所述待精炼的金属低的²¹⁰Pb浓度的精炼金属。

技术领域

本公开涉及精炼金属和金属材料的方法。本公开更特别涉及从金属或金属材料中除去α发射放射性同位素的方法。

背景

金属材料，如纯金属和金属合金例如通常用作许多电子器件封装和其它电子制造应用中的焊料。来自某些同位素的α粒子发射可能造成单粒子翻转（SEU），通常被称作软错误或软错误翻转（soft error upsets）。α粒子发射（也被称作α通量（alpha flux））会对封装的电子器件造成破坏，更特别可造成软错误翻转，在某些情况下甚至造成电子器件故障。随着电子器件尺寸降低和α粒子发射材料更靠近潜在敏感位置，对潜在α粒子发射的担忧增加。

铀和钍是公知的通常存在于金属材料中的主要放射性元素，它们可根据已知衰变链放射性衰变以形成α粒子发射同位素。在无铅材料中特别关注的是钋-210（²¹⁰Po）的存在，其被认为是对软错误翻转负责的主要α粒子发射体。铅-210（²¹⁰Pb）是铀-238（²³⁸U）的衰变产物，具有22.3年的半衰期，并β-衰变成铋-210（²¹⁰Bi）。但是，由于²¹⁰Bi的极短的5.01天的半衰期，这样的同位素基本上是短暂的中间体，其迅速衰变成²¹⁰Po。²¹⁰Po具有138.4天的半衰期并通过发射5.304 MeV α粒子衰变成稳定的铅-206（²⁰⁶Pb）。在用于电子器件应用的金属材料中最关注的是²¹⁰Pb衰变链的后一步骤，即²¹⁰Po衰变成²⁰⁶Pb并随之释放α粒子。

精炼的高纯度金属和合金中的α发射的根本原因是例如在加工后残留的可能低于万亿分之几（ppt）的浓度的²¹⁰Pb。现有精炼方法致力于除去主体（bulk）Pb至低于百万分之一（ppm）并且随其除去一定比例的²¹⁰Pb。但是，如果²¹⁰Pb浓度足够高，现有精炼方法即使在精炼多遍后也不能将其除去至足够低的水平。

尽管可通过熔融和/或精炼技术至少部分除去²¹⁰Po和/或²¹⁰Pb，但此类同位素即使在熔融或精炼后也可作为杂质留在金属材料中。从金属材料中除去²¹⁰Po导致来自该金属材料的α粒子发射的暂时降低。但是，已经观察到，α粒子发射尽管一开始降低，但通常会随时间经过增加至可能不可接受的水平，因为基于留在该金属材料中的任何²¹⁰Pb，逐渐恢复²¹⁰Pb衰变曲线的长期平衡。本文所用的术语“长期平衡”是指由于其产生速率等于其衰变速率，材料内的放射性同位素的量或浓度保持恒定的条件。例如，当由母体放射性核素A的衰变产生放射性核素B的速率与放射性核素B衰变成其子代放射性核素（daughterradionuclide）C的速率相同时，给定样品中的放射性核素B的浓度处于长期平衡。

概述

本公开提供从金属中除去铅-210（²¹⁰Pb）的方法，其包括测定待精炼的金属中的²¹⁰Pb浓度、由所述²¹⁰Pb浓度测定要添加到所述待精炼的金属中的低α铅的量、通过将低α铅添加到所述待精炼的金属中形成掺杂金属混合物；精炼所述掺杂金属混合物以从所述掺杂金属混合物中分离至少一部分铅以形成具有比所述待精炼的金属低的²¹⁰Pb浓度的精炼金属。