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地下水中的氪氩同位素测量

2019-6-4 10:36:37 来源:中国矿业报 作者: 张向阳

1969年,瑞士科学家发现了空气中存在氪-81(81Kr),引起了环境科学家的强烈兴趣。81Kr主要由宇宙射线与地球大气中的稳定氪同位素作用产生。其在大气中的同位素丰度为5×10-13,半衰期为 22.9万年,适合测量年代在4万到140万年之间的环境水(或冰)样品,可用于地下水输运、古气候以及冰川运动等方面的研究。

氪的另一种放射性同位素氪-85(85Kr)的半衰期约为11 年,目前在大气中的同位素丰度为 2×10-11,是由人工核活动产生的,可用于研究2年-70年之间的年轻地下水,对于水资源管理意义重大。

氩-39(39Ar)的半衰期约为 269年,大气中的同位素丰度约为 8×10-16,是惟一的可用于覆盖几百年尺度范围的放射性环境示踪同位素。

由于氪氩同位素在环境科学研究中的重要意义,为实现对它们的常规检测,几十年来科学家们做了多种尝试。稳定的惰性气体同位素常常采用高精度的质谱仪等方法进行常规测量,但是对含量极少、丰度极低的氪81Kr、85Kr和39Ar的测量却非常困难。一般来说,平均每升现代地下水中,仅含有约1000个81Kr原子、8000个39Ar原子和 40000个 85Kr原子。迄今,为了测量这几种同位素,科学家们尝试了低本底辐射计数和加速器质谱等多种技术,结果都不理想,无法开展大规模实际应用。

“低本底辐射计数”(Low Level Counting,LLC)是最早用来进行痕量放射性同位素检测的方法之一,其原理是通过测量样品中放射性同位素衰变产生的射线来确定它的放射性活度。但是该方法受环境背景和杂质的辐射影响较大。对于寿命相对较短、放射强度较大的85Kr,世界上少数几个实验室可以利用该方法进行测量,但是测量所需的样品量依然较大,测量时间也较长。对于寿命长的39Ar,LLC的效率就更低了,而对于半衰期极长的81Kr,用LLC检测则完全不现实。

“加速器质谱”(Accelerator Mass Spectrometry,AMS)是一个革命性的技术,它大幅度提高了分析14C等示踪同位素的灵敏度与可靠性,自从70年代末期发明以来为地球、环境科学及考古做出了巨大贡献。但是,这项技术无法用来检测氪、氩同位素,因为它们不能形成稳定的负离子。为了测量它们,需要使用大型的正离子加速器。国外研究人员使用了美国密歇根州立大学的超导回旋加速器(NSCL),将氪离子加速到了3GeV,然后再通过将81Kr原子核外的全部电子剥离,才将它从81Br背景中区分出来。虽然科学家们实现了加速器质谱方法测量81Kr和39Ar,但是由于代价昂贵,测量效率过低,样品量巨大,仍然很难在实际中应用。

该项目发展的测量方法叫做“原子阱痕量分析”(Atom Trap Trace Analysis,简称ATTA)。该方法由中国科学技术大学教授卢征天发明,基于朱棣文等人发展的激光冷却、囚禁原子的技术,利用磁光阱有选择地捕获原子。当激光频率调到特定的同位素原子共振频率时,只有这种同位素原子与激光相互作用而被磁光阱阱捕获,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过荧光计数,可以准确地数出原子的个数。这种方法具有极高的选择性和检测灵敏度。

中国地质科学院水文地质环境地质研究所研究员陈宗宇等和卢征天教授、胡水明教授等合作,开发了适用于地下水中81Kr、85Kr检测的“痕量惰性气体核素激光原子阱探测装置”,在华北平原等地进行了示范性应用,仅需要100升地下水样品,就可以实现81Kr、85Kr准确测量。目前,卢征天教授等正在继续攻关采用同样的原理和技术实现39Ar的测量,进展顺利。氪氩同位素测量的实现,拓展了地下水研究的同位素示踪手段,为地下水的研究和古气候研究等提供了新的技术手段,有望在未来的应用研究中呈现一批重大研究成果。□

(作者单位:自然资源部中国地质调查局中国地质科学院水文地质环境地质研究所)

网站编辑:宫莉

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