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地下水中的氪氬同位素測量

2019-6-4 10:36:37 來源:中國礦業報 作者: 張向陽

数字新浪彩票竞技风暴 www.cgewx.com 1969年,瑞士科學家發現了空氣中存在氪-81(81Kr),引起了環境科學家的強烈興趣。81Kr主要由宇宙射線與地球大氣中的穩定氪同位素作用產生。其在大氣中的同位素豐度為5×10-13,半衰期為 22.9萬年,適合測量年代在4萬到140萬年之間的環境水(或冰)樣品,可用于地下水輸運、古氣候以及冰川運動等方面的研究。

氪的另一種放射性同位素氪-85(85Kr)的半衰期約為11 年,目前在大氣中的同位素豐度為 2×10-11,是由人工核活動產生的,可用于研究2年-70年之間的年輕地下水,對于水資源管理意義重大。

氬-39(39Ar)的半衰期約為 269年,大氣中的同位素豐度約為 8×10-16,是惟一的可用于覆蓋幾百年尺度范圍的放射性環境示蹤同位素。

由于氪氬同位素在環境科學研究中的重要意義,為實現對它們的常規檢測,幾十年來科學家們做了多種嘗試。穩定的惰性氣體同位素常常采用高精度的質譜儀等方法進行常規測量,但是對含量極少、豐度極低的氪81Kr、85Kr和39Ar的測量卻非常困難。一般來說,平均每升現代地下水中,僅含有約1000個81Kr原子、8000個39Ar原子和 40000個 85Kr原子。迄今,為了測量這幾種同位素,科學家們嘗試了低本底輻射計數和加速器質譜等多種技術,結果都不理想,無法開展大規模實際應用。

“低本底輻射計數”(Low Level Counting,LLC)是最早用來進行痕量放射性同位素檢測的方法之一,其原理是通過測量樣品中放射性同位素衰變產生的射線來確定它的放射性活度。但是該方法受環境背景和雜質的輻射影響較大。對于壽命相對較短、放射強度較大的85Kr,世界上少數幾個實驗室可以利用該方法進行測量,但是測量所需的樣品量依然較大,測量時間也較長。對于壽命長的39Ar,LLC的效率就更低了,而對于半衰期極長的81Kr,用LLC檢測則完全不現實。

“加速器質譜”(Accelerator Mass Spectrometry,AMS)是一個革命性的技術,它大幅度提高了分析14C等示蹤同位素的靈敏度與可靠性,自從70年代末期發明以來為地球、環境科學及考古做出了巨大貢獻。但是,這項技術無法用來檢測氪、氬同位素,因為它們不能形成穩定的負離子。為了測量它們,需要使用大型的正離子加速器。國外研究人員使用了美國密歇根州立大學的超導回旋加速器(NSCL),將氪離子加速到了3GeV,然后再通過將81Kr原子核外的全部電子剝離,才將它從81Br背景中區分出來。雖然科學家們實現了加速器質譜方法測量81Kr和39Ar,但是由于代價昂貴,測量效率過低,樣品量巨大,仍然很難在實際中應用。

該項目發展的測量方法叫做“原子阱痕量分析”(Atom Trap Trace Analysis,簡稱ATTA)。該方法由中國科學技術大學教授盧征天發明,基于朱棣文等人發展的激光冷卻、囚禁原子的技術,利用磁光阱有選擇地捕獲原子。當激光頻率調到特定的同位素原子共振頻率時,只有這種同位素原子與激光相互作用而被磁光阱阱捕獲,而其他同位素原子不和激光作用。被磁光阱囚禁的同位素原子通過熒光計數,可以準確地數出原子的個數。這種方法具有極高的選擇性和檢測靈敏度。

中國地質科學院水文地質環境地質研究所研究員陳宗宇等和盧征天教授、胡水明教授等合作,開發了適用于地下水中81Kr、85Kr檢測的“痕量惰性氣體核素激光原子阱探測裝置”,在華北平原等地進行了示范性應用,僅需要100升地下水樣品,就可以實現81Kr、85Kr準確測量。目前,盧征天教授等正在繼續攻關采用同樣的原理和技術實現39Ar的測量,進展順利。氪氬同位素測量的實現,拓展了地下水研究的同位素示蹤手段,為地下水的研究和古氣候研究等提供了新的技術手段,有望在未來的應用研究中呈現一批重大研究成果?!?/p>

(作者單位:自然資源部中國地質調查局中國地質科學院水文地質環境地質研究所)

網站編輯:宮莉