核乳膠方法及其在核地質(zhì)研究中的應(yīng)用

郭建，李子穎，李秀珍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

核乳膠方法及其在核地質(zhì)研究中的應(yīng)用

郭建，李子穎，李秀珍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

核乳膠方法在核地質(zhì)研究中應(yīng)用廣泛。通過(guò)介紹核乳膠方法原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及研究歷史，重點(diǎn)討論該方法在核地質(zhì)研究中的具體應(yīng)用和有關(guān)問(wèn)題。研究認(rèn)為開(kāi)展多學(xué)科綜合系統(tǒng)研究是核乳膠方法今后發(fā)展的方向。

鈾礦；核乳膠；α徑跡；賦存狀態(tài)

核乳膠方法在鈾礦地質(zhì)中的研究應(yīng)用始于二十世紀(jì)五十年代，主要使用英國(guó)A-2型感光板用來(lái)查明鈾、釷元素在礦石中的分布特點(diǎn)和存在狀態(tài)（形式）。核乳膠感光板在研究工作中的缺陷在于，感光板與樣靶片分離，中間存在空氣層，不能準(zhǔn)確測(cè)量徑跡長(zhǎng)度；對(duì)于細(xì)小的放射性質(zhì)點(diǎn)，很難精確地定位。使用液體核乳膠則可以彌補(bǔ)這些缺陷。

二十世紀(jì)六十年代，杜樂(lè)天采用從前蘇聯(lián)帶回的液體核乳膠方法來(lái)開(kāi)展鈾礦地質(zhì)研究工作。當(dāng)時(shí)該方法在鈾礦地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要集中于放射性元素的分布及賦存狀態(tài)，在巖石學(xué)、蝕變巖石學(xué)和礦物學(xué)等學(xué)科中的研究尚處于定性描述階段。二十世紀(jì)八十年代以后，由于多種原因，核乳膠產(chǎn)品貨源中斷，在鈾礦地質(zhì)研究工作中核乳膠應(yīng)用一直處于停滯狀態(tài)。二十一世紀(jì)以來(lái)，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院地質(zhì)礦產(chǎn)研究所重新建立了核乳膠方法實(shí)驗(yàn)室，并投入使用。本文介紹核乳膠方法的原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及應(yīng)用，以便在鈾礦地質(zhì)研究中得到進(jìn)一步推廣。

1 核乳膠方法的原理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 核乳膠方法的原理

核乳膠方法是利用帶正電的α粒子在原子核乳膠層內(nèi)形成徑跡，并根據(jù)徑跡的形態(tài)、長(zhǎng)短、分布特點(diǎn)以及疏密程度，來(lái)確定巖石或礦石中放射性元素的種類(lèi)、賦存位置、賦存狀態(tài)及其存在形式［1-2］。通過(guò)鈾標(biāo)準(zhǔn)片與待測(cè)樣品的徑跡對(duì)比來(lái)確定巖石或礦物中的鈾含量；根據(jù)核乳膠潛像退化來(lái)確定巖石和礦石的鈾、釷含量比。

核乳膠是由鹵化銀微晶體和明膠均勻混合而成，鹵化銀微晶體主要是溴化銀，含有少量的碘和鎘。溴化銀微晶體是離子型晶體，Ag+和Br-排列在晶格中，在晶體表面有一層多余的Br-，形成一個(gè)保護(hù)層。當(dāng)乳膠浸泡于顯影液中時(shí)，由于這層保護(hù)層的靜電排斥作用，使得顯影液中負(fù)離子不能與溴化銀微晶體起作用。但是，晶體表面往往存在由若干個(gè)銀原子組成的銀斑，稱(chēng)為“靈敏中心”，另外在晶格間隙中存在一些“間隙銀離子”，在常溫下可在晶體內(nèi)部遷移。當(dāng)一個(gè)帶電粒子穿過(guò)溴化銀微晶體時(shí)，由于電離作用，在晶體中產(chǎn)生了一些自由電子，例如Br-→Br＋e-。這些電子中的一部分同溴原子復(fù)合而浪費(fèi)掉了，另一部分落在靈敏中心上。俘獲了電子的靈敏中心帶有負(fù)電，將間隙銀離子吸引過(guò)來(lái)結(jié)合成銀原子。這樣反復(fù)進(jìn)行，靈敏中心上的銀原子越積越多，成為“潛影”［2-4］（圖1）。

圖1 溴化銀微晶體示意圖Fig.1 Schematic draw ing of silver brom ide m icrocrystal

當(dāng)潛影超過(guò)一定大小之后，就使溴化銀微晶體表面的溴保護(hù)層產(chǎn)生了一個(gè)缺口。這樣的溴化銀微晶體與顯影液接觸時(shí)，潛影銀斑起了催化劑的作用，使溴化銀微晶體很快還原成銀粒。經(jīng)過(guò)顯影處理后再作定影處理，沒(méi)有潛影或潛影太小的溴化銀晶體全部溶解，剩下的就是由于有較大潛影而已還原的銀粒。在一個(gè)帶電粒子經(jīng)過(guò)的路程上斷斷續(xù)續(xù)地留下一串銀粒，顯微鏡下觀(guān)察呈現(xiàn)一條黑色的徑跡。徑跡的長(zhǎng)度即是射程。放射性質(zhì)點(diǎn)能量越低，射程越短；質(zhì)點(diǎn)能量越高，射程越長(zhǎng)。地質(zhì)研究中常用的核乳膠為核-2型，主要記錄α粒子徑跡，地質(zhì)產(chǎn)物中α粒子徑跡最長(zhǎng)的為T(mén)hC′的α粒子，在乳膠中射程約為47μm，因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)保證乳膠層厚度在47～50μm之間［5］。

1.2 核乳膠方法實(shí)驗(yàn)步驟

核乳膠實(shí)驗(yàn)包括磨制光薄片、注膠、曝光和顯像4個(gè)步驟。整個(gè)過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格在暗室紅光下進(jìn)行。

普通巖石或礦石光薄片即可滿(mǎn)足核乳膠實(shí)驗(yàn)要求。光片不適用于核乳膠方法，這種情況下可以選用核乳膠感光板。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，首先視工作需要取一定量核乳膠放入燒杯中，加入固化劑，將燒杯置于恒溫45℃的水浴鍋中，使乳膠融化。待乳膠融化為流體，按1 mL乳膠涂10 cm2的比例，用吸管小心將乳膠滴注于光薄片上，并用玻璃棒將乳膠鋪平，然后使之風(fēng)干成為50μm的膠層，置于一定濕度的冰箱中進(jìn)行曝光。曝光時(shí)間視樣品放射性強(qiáng)度及研究目的而定，但又取決于核乳膠生產(chǎn)的質(zhì)量。潛像退化快的核乳膠不能用于巖石學(xué)的鈾配分研究，只能用于礦石的存在形式和配分研究，原因是正?；◢弾r或酸性火山巖曝光需要一個(gè)月左右，核乳膠不可能記錄下主要造巖礦物中放射性物質(zhì)的存在狀態(tài)，α粒子產(chǎn)生的潛像在顯影前就已消失。對(duì)于其中含鈾量稍高的副礦物如鋯石、磷灰石、獨(dú)居石，也只能記錄極少α粒子徑跡。

顯影和定影在一定濃度的顯影液和定影液中進(jìn)行。顯影液恒溫于19℃，把薄片放入顯影液中（乳膠層朝上）顯影45～55 min，取出放入清水中10 min，然后在20℃定影液中定影。待乳膠透明后即可取出，用流水進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的沖洗（約1 h）。最后晾干，即可在顯微鏡下進(jìn)行觀(guān)察。

2 核乳膠方法在核地質(zhì)研究中的應(yīng)用

2.1 核乳膠方法在礦物研究中的應(yīng)用

核乳膠方法在放射性元素礦物、非放射性元素礦物和含放射性元素礦物研究工作中的側(cè)重點(diǎn)是不同的。對(duì)放射性元素礦物進(jìn)行研究時(shí)，主要查明放射性礦物的產(chǎn)出狀態(tài)、放射性礦物形成對(duì)周邊礦物的污染和放射性元素的種類(lèi)；對(duì)于非放射性元素及含放射性元素礦物研究時(shí)，主要查明放射性元素在這類(lèi)礦物中的存在形式和強(qiáng)度。

2.2 核乳膠方法在巖石研究中的應(yīng)用

在巖石學(xué)研究中，核乳膠方法主要集中在侵入巖的礦物組成、鈾的配分和存在形式研究。研究表明，巖石中放射性元素鈾、釷存在形式有兩種：

1）結(jié)晶礦物形式（狀態(tài)）：當(dāng)核乳膠上表現(xiàn)為密集型的α徑跡時(shí)，有獨(dú)立的結(jié)晶鈾和釷的礦物存在，如：晶質(zhì)鈾礦（圖2A）、瀝青鈾礦（圖2B）、釷鈾礦、鈾釷石或釷石；有類(lèi)質(zhì)同象代換的礦物存在，如：鋯石（圖2C）、獨(dú)居石（圖2A）、磷釔礦、褐簾石；或是在包裹體中存在的結(jié)晶礦物質(zhì)點(diǎn)，如：獨(dú)居石中的晶質(zhì)鈾礦、鋯石中的晶質(zhì)鈾礦、鋯石中的磷釔礦。

圖2 α徑跡鏡下顯微照片F(xiàn)ig.2 M icrographs ofα-track

2）離子形式（狀態(tài)）：這種形式（狀態(tài)）在核乳膠上表現(xiàn)為分散密度強(qiáng)度變化較大的α徑跡。根據(jù)產(chǎn)狀劃分為：礦物結(jié)晶帶及邊、棱表面的吸附（圖2C）；膠體礦物吸附；黏土質(zhì)礦物吸附（圖2D），晶格缺陷吸附和流體包裹體中存在的放射性元素呈離子形式存在。

2.3 核乳膠方法在礦床研究中的應(yīng)用

在放射性礦床研究中，工業(yè)元素富集形成往往根據(jù)某些地質(zhì)過(guò)程的發(fā)展來(lái)判斷是否由某種流體作用而產(chǎn)生的，核乳膠研究可以提供有根據(jù)的判定。譬如堿質(zhì)熱流體在放射性礦床形成中，許多研究者認(rèn)為是鈉長(zhǎng)石形成時(shí)導(dǎo)致放射性元素富集。通過(guò)核乳膠研究可以發(fā)現(xiàn)放射性元素富集是在鈉長(zhǎng)石形成后巖石再破碎沉淀的瀝青鈾礦和鈾石（圖2E）。即使是鈉長(zhǎng)石中分散的放射性元素，從α徑跡發(fā)生的部位來(lái)看，放射性元素也是與鈉長(zhǎng)石再蝕變的伊利石、綠泥石或裂隙和放射性元素質(zhì)點(diǎn)有關(guān)（圖2D）。

因此，在放射性礦床研究中，應(yīng)用核乳膠方法可以研究放射性元素的各種形式存在與構(gòu)造裂隙關(guān)系、巖石蝕變的關(guān)系和在新生礦物中放射性元素再分布的趨向，以及工業(yè)礦物在空間上賦存規(guī)律、產(chǎn)出形態(tài)和礦石中放射性元素所占份額。

在非放射性礦床研究過(guò)程中，可以查明放射性元素是否在這種工業(yè)礦石中存在。它還可以為這種礦床的元素綜合利用、冶金方案和控制放射性物質(zhì)的污染提供依據(jù)。

2.4 核乳膠在核資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

在放射性礦床的工業(yè)儲(chǔ)量中，往往要確定該礦床的鈾鐳異常平衡狀態(tài)，通常是通過(guò)物理和化學(xué)方法，測(cè)量鈾鐳的含量來(lái)計(jì)算出母體和子體的平衡狀態(tài)。利用核乳膠來(lái)研究礦石，可以對(duì)礦石的平衡狀態(tài)提出預(yù)示。在鈾系從核素Rn（氡）到206Pb（鉛）的衰變過(guò)程中，有3個(gè)連續(xù)的α衰變，即Rn→Ra→Rae″→Pb，它們的半衰期分別為1 622、3.8d和1.64×10-11s，其α能量分別是5.68、6.30和7.64MeV，在核乳膠記錄時(shí)間內(nèi)可以得到在同一原點(diǎn)上記錄的爪形α徑跡。

在研究巖石或礦石中放射性增高的原因時(shí)，可以利用核乳膠照相來(lái)鑒別。如自然界有許多增高場(chǎng)不是鈾、釷元素引起，而是氡和鐳引起，這時(shí)巖石或礦物的放射性表現(xiàn)為爪形的α徑跡（圖2F）。

3 核乳膠在核地質(zhì)研究中需要注意的問(wèn)題

在核地質(zhì)研究中，核乳膠方法具有其他方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是同樣出現(xiàn)一些亟待探索解決的問(wèn)題。

1）對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間曝光的低放射性樣品，室溫過(guò)高或空氣的氧化很容易造成α徑跡模糊不清，甚至消失，造成潛像退化。因此，穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)條件的探索對(duì)核乳膠方法的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要；

2）潛像退化時(shí)間及條件的研究，對(duì)解決鈾釷混合型礦石或其放射性元素增高巖石中鈾釷配比十分有利；

3）礦石和放射性元素增高巖石中的鈾鐳平衡指示性研究；

4）核乳膠定量研究中徑跡參數(shù)大多由人工測(cè)量，誤差較難控制，并且不同放射性含量的礦石其曝光時(shí)間長(zhǎng)短不一。因此，照射時(shí)間的研究和測(cè)量方法的改進(jìn)需要加強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

核乳膠是核地質(zhì)研究中的一種方法，涉及到礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)等學(xué)科。這些學(xué)科中的研究應(yīng)用還處在初始階段，需要進(jìn)一步深入和提高。在這里主要介紹了核地質(zhì)研究中核乳膠應(yīng)用歷史、方法和原理、已開(kāi)展的研究工作和存在的問(wèn)題。開(kāi)展多學(xué)科綜合系統(tǒng)的研究是核乳膠方法發(fā)展的方向，相信核乳膠方法會(huì)煥發(fā)出更強(qiáng)的生命力。

［1］H.Yagoda.Radioactive Measurements with Nuclear Emulsion［M］.New York:John Wiley&Sons，1949.

［2］原子核乳膠組.原子核乳膠及其應(yīng)用［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，1976，10（2）:136-140.

［3］梁惠英，高友恭，陳程.放射性自攝影［J］.天津醫(yī)藥，1978，6（8）:380-383.

［4］劉惠長(zhǎng).放射自顯影用原子核乳膠［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，1980，11（1）:56-59.

［5］杜樂(lè)天.使用液體核乳膠的α顯微放射性照象法［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，1963，46（1）:17-26.

M ethod of nuclear emulsion and its application in study of nuclear geology

GUO Jian ，LIZiying， LIXiuzhen
（CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Nuclear emulsion iswidely used in study of nuclear geology.By introducing the principles of nuclear emulsion，its experimental process and history，the application and relevant problems of thismethod aremainly discussed in study of nuclear geology.This resultsuggests thatmultidisciplinary systematic study is the future direction for the developmentof thismethod.

uranium ore；nuclear emulsion；α-track；occurrence state

TL815+.1;P5

A

1627-0636（2015）02-0081-04

10.3969/j.issn.1672-0636.2015.02.004

2014-04-01

郭建（1989—）男，山東單縣人，助理工程師，主要從事鈾礦地質(zhì)研究工作。

E-mail：g272509402@163.com