一種α徑跡蝕刻裝置設(shè)計(jì)及其在顯微鈾礦物光片鑒定中的應(yīng)用

范鵬飛，劉付真，吳昆明，蔣紅安，王長城，吳 斌

（1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013；2.核工業(yè)230研究所，湖南 長沙 410007）

α徑跡蝕刻法是使用固體α徑跡探測器對(duì)礦石、巖石及礦物中放射性元索的分布和存在形式進(jìn)行錄相［1］。α徑跡蝕刻法是用感光膠片的片基記錄放射性元素衰變產(chǎn)生的α粒子所造成的輻射損傷，經(jīng)化學(xué)蝕刻擴(kuò)大徑跡的方法［2］。杜樂天、王文廣等在研究華南絹英巖化鈾礦時(shí)，α徑跡蝕刻法在鈾礦物賦存、分布規(guī)律的研究中起到重要作用［3］；α徑跡測量法作為一種鈾礦找礦方法，楊亞新等研究鈾礦找礦中α徑跡測量方法的影響因素，對(duì)氡濃度、照射時(shí)間和α徑跡密度的關(guān)系以及裝置尺寸、表面放射性沉積物，以及底面固體放射性元素對(duì)測量結(jié)果的影響度進(jìn)行了研究，但是其對(duì)片基（探測器）蝕刻時(shí)仍使用類似燒杯的容器，整個(gè)試驗(yàn)過程是一個(gè)對(duì)外界空氣開放的系統(tǒng)，容易造成安全隱患以及其它方面的不確定性；范鵬飛等人用光譜干版做α徑跡蝕刻試驗(yàn)，詳細(xì)介紹了試驗(yàn)的全過程以及α徑跡蝕刻效果，但是其試驗(yàn)需要避光、需要顯影、定影，過程較為繁瑣［4］；在砂巖型、熱液型等不同類型的鈾礦研究過程中，不同的學(xué)者都用到了α徑跡蝕刻這一試驗(yàn)方法并對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行了詳述［5～7］，近年來在鈾礦物賦存狀態(tài)研究工作中，α徑跡蝕刻法這一研究手段已經(jīng)成為一種應(yīng)用普遍的研究手段［8～10］，因?yàn)棣翉桔E蝕刻法在研究鈾礦物賦存狀態(tài)時(shí)具有效果明顯、費(fèi)用低廉、操作簡便等特點(diǎn)。用α徑跡蝕刻法研究鈾礦物的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：依照前人的工作經(jīng)驗(yàn)，片基在制作過程中，照像膠卷需要浸入稍濃的堿水（碳酸鈉溶液）中浸泡幾小時(shí)甚至一天，浸泡時(shí)間過長；用細(xì)鐵絲或其它工具將薄膜片基一片片地吊掛浸泡在蝕刻液中進(jìn)行蝕刻，容易導(dǎo)致片基粘在一起，導(dǎo)致蝕刻效果不好；蝕刻過程中用細(xì)鐵絲將薄膜一片片的吊掛浸泡在蝕刻溶液中1 h左右，一般情況試驗(yàn)人員都是用塑料燒杯作為強(qiáng)堿性蝕刻液的容器，這樣一個(gè)相對(duì)開放的蝕刻體系，很容易造成蝕刻液灑落到燒杯外界或者水浴鍋中。

基于α徑跡蝕刻過程中的種種問題，經(jīng)過多次徑跡蝕刻試驗(yàn)的總結(jié)，制作出一種α徑跡蝕刻裝置，專門用于α徑跡蝕刻試驗(yàn)。

1 α徑跡蝕刻裝置的設(shè)計(jì)

1.1 α徑跡蝕刻裝置圖和部件說明

α徑跡蝕刻裝置圖如圖1所示，該裝置主要由三部分組成，第一部分主體為盛放蝕刻液的液槽，材質(zhì)最好是耐酸堿腐蝕、耐中高溫的材料，如聚四氟乙烯類。液槽形狀設(shè)計(jì)成橢圓狀，橢圓長軸兩端設(shè)有稍微凹陷的卡槽，橢圓形液槽外壁設(shè)置有透明的觀察窗，通過觀察窗可看見液槽內(nèi)蝕刻液的上液面，外壁設(shè)置有體積刻度線，可以讀取蝕刻液的體積，設(shè)置有溫度計(jì)，溫度計(jì)接受熱量的部位要接觸到蝕刻液，可以讀取蝕刻液的實(shí)時(shí)溫度。

第二部分為底坐，液槽底部與底座相連，底座內(nèi)設(shè)置有溫度調(diào)節(jié)器，溫度調(diào)節(jié)器和內(nèi)部的加熱絲相連，用于調(diào)節(jié)加熱絲的溫度，設(shè)置加熱溫度范圍50～80℃；設(shè)置有電動(dòng)攪拌調(diào)速鈕，調(diào)速按鈕與電機(jī)、調(diào)速器、攪拌葉片相連，用于調(diào)節(jié)攪拌葉片在杯內(nèi)的轉(zhuǎn)速；設(shè)置有電源開關(guān)，用于開斷電。

第三部分為膠片夾持裝置，為長方框結(jié)構(gòu)，方框結(jié)構(gòu)的上下兩條邊之間各設(shè)置有成對(duì)的夾子，方框結(jié)構(gòu)的上邊分別向兩端延伸、上邊的長度大于下邊，方框結(jié)構(gòu)的下邊設(shè)置有支架，液槽兩側(cè)設(shè)置有與膠片夾持裝置的方框結(jié)構(gòu)的上邊對(duì)應(yīng)的凹槽，用于放置膠片夾持裝置。

圖1 α徑跡蝕刻裝置圖

1.2 使用方法和試驗(yàn)流程

趙鳳民等于1988年已經(jīng)提出了詳細(xì)的α徑跡蝕刻試驗(yàn)過程，結(jié)合前述的α徑跡蝕刻裝置，對(duì)趙鳳民等人的試驗(yàn)方法略作改進(jìn)，提出新的試驗(yàn)流程［2］。

1.將照相膠卷裁剪成探針片（或者薄片）大小，把裁剪好的膠片用夾持裝置夾好，將夾持裝置放置于液槽兩邊的凹槽上，即可開始用堿性溶液浸泡去除乳膠薄膜，浸泡去膜過程可以加熱、攪拌浸泡液；等待膠片上的乳膠薄膜溶解后剩下透明片基，用清水沖洗干、晾干。

2.用鋼針在探針片和膠片的四角刻上對(duì)位記號(hào)，將膠片片基覆蓋在探針片表面上，夾持在夾持裝置中，然后放入干燥的液槽中，液槽上部可以簡單做遮蓋，放在干燥處進(jìn)行α徑跡輻照。

3.輻照期滿后，取出探針片，繼續(xù)將膠片片基夾持放入液槽中，液槽中加入強(qiáng)堿性蝕刻液，調(diào)節(jié)溫度65℃左右，調(diào)節(jié)攪拌葉片轉(zhuǎn)速適當(dāng)，蝕刻時(shí)間1 h左右，取出膠片片基對(duì)光觀察蝕刻效果，如果蝕刻效果不好，可以放入蝕刻液中繼續(xù)蝕刻，直到出現(xiàn)明顯的徑跡。將蝕刻好的片基洗干凈、晾干。

用此α徑跡蝕刻裝置做徑跡蝕刻試驗(yàn)，規(guī)范了試驗(yàn)操作，減少無此裝置時(shí)對(duì)膠片片基操作時(shí)造成的劃痕；加熱和攪拌同時(shí)作用于蝕刻液，提高了蝕刻效率，同時(shí)也提高了堿性溶液中去除膠片表面乳膠薄膜的效率；夾持裝置可有效避免膠片重疊引起的蝕刻效果不佳。繁多的次生鈾礦物，在砂巖型鈾礦石或者低品位礦石中，還大量存在著含鈾礦物、吸附態(tài)鈾。α徑跡蝕刻法可以鑒定巖石中鈾的存在形式、鈾的分布特征和鈾礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造［1］，比較全面地研究和鑒定鈾礦石。

根據(jù)前述裝置圖，按照操作步驟，做了簡單的α徑跡蝕刻試驗(yàn)，然后觀察試驗(yàn)效果。本次試驗(yàn)的樣品全部來自于江西相山鈾礦田，相山火山盆地面積316 km2，卻擁有超過20個(gè)鈾礦床，是中國最大的火山巖型鈾礦田［11］，采集的含鈾巖石為花崗巖、流紋英安巖、碎斑流紋巖等相山典型附礦巖石。將樣品按照γ輻射強(qiáng)度的相對(duì)大小依次從低到高排列編號(hào)，樣品編號(hào)、樣品γ輻射強(qiáng)度和輻照時(shí)間見表1。

表1 樣品的γ值和輻照時(shí)間

2 α徑跡蝕刻法鑒定顯微鈾礦物

鈾在礦石中的存在形式或賦存狀態(tài)主要有三種，一般以獨(dú)立鈾礦物形式存在，如瀝青鈾礦或種類

2.1 分散吸附形式或含鈾礦物形式

以分散吸附狀態(tài)存在的鈾或含鈾的礦物，其對(duì)應(yīng)的α徑跡較為稀疏，呈分散的點(diǎn)狀或顯吸附礦物輪廓。巖石樣品Xs-1中某處的氧化鐵質(zhì)呈紅褐色，如圖2所示，其對(duì)應(yīng)的α徑跡如圖3所示，α徑跡較為稀疏，但集合體呈現(xiàn)氧化鐵質(zhì)的輪廓和外形，由此可知該氧化鐵質(zhì)吸附了一定含量的鈾。所以α徑跡可以鑒別一些含鈾、吸附鈾的礦物。

2.2 以獨(dú)立鈾礦物形式存在

圖2 Xs-1中氧化鐵質(zhì)的透射偏光圖

圖3 Xs-1氧化鐵質(zhì)對(duì)應(yīng)的α徑跡圖

對(duì)鈾礦石樣品Xs-2做α徑跡試驗(yàn)，然后在偏光顯微鏡下觀察，主要見自形粒狀黃鐵礦、不規(guī)則顯微鱗片狀綠泥石、膠狀不透明礦物分布在巖石裂隙中，如圖4所示。根據(jù)α徑跡的位置，經(jīng)過透射光、反射光鏡下觀察尋找，圖像放大后可迅速找到暗灰色、膠狀、粉末狀的瀝青鈾礦，如圖5、圖6所示。

圖4 Xs-2中鈾礦物透射偏光圖

圖5 Xs-2中鈾礦物的α徑跡圖

圖6 Xs-2中鈾礦物反射偏光圖

在礦石光片中，瀝青鈾礦、鈾黑的反射色為灰色、多呈膠狀、腎狀、它形粒狀，一些含H2O（OH-）較高的瀝青鈾礦反射色變?yōu)榘祷疑?，向半透明狀過渡。常見的鐵、錳、鈦氧化物、炭質(zhì)、甚至一些含金屬元素較高的透明礦物的反射色都是灰色，它們經(jīng)常在巖石中占據(jù)一定的含量，對(duì)鈾礦物的顯微鏡下鑒定造成很大干擾。而將α徑跡所在的位置、對(duì)應(yīng)到光片上，能比較容易尋找到鈾礦物，節(jié)省鈾礦物的鑒定時(shí)間。

2.3 鈾礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

圖7 Xs-3中鈾礦物透射偏光圖

圖8 Xs-3中鈾礦物的α徑跡圖

對(duì)鈾礦石樣品Xs-3做α徑跡試驗(yàn)，然后在偏光顯微鏡下觀察，可見不透明礦物呈細(xì)脈狀分布，如7所示，α徑跡也呈細(xì)脈狀集合體狀且與圖8中的脈狀不透明脈狀礦物完全重合，鑒定者再根據(jù)不透明礦物的光性特征進(jìn)一步確認(rèn)為瀝青鈾礦，此處的瀝青鈾礦主要呈膠狀、煙灰狀，反射色灰色，均質(zhì)，呈細(xì)脈狀分布在巖石中，構(gòu)成細(xì)脈狀構(gòu)造，如圖9所示。因此，α徑跡蝕刻法不僅能幫助鑒定者排除干擾、快速找到鈾礦物，還可鑒別鈾礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

圖9 Xs-3中鈾礦物反射偏光圖

3 結(jié) 論

1.利用α徑跡蝕刻裝置做α徑跡蝕刻試驗(yàn)，可以規(guī)范α徑跡蝕刻的試驗(yàn)操作，減少對(duì)探測膠片的損傷，提高蝕刻效率。

2.中國鈾業(yè)公司的戰(zhàn)略重心已經(jīng)向北方砂巖型鈾礦轉(zhuǎn)移，砂巖型鈾礦中的鈾礦物多為顯微級(jí)別粒度，而且經(jīng)過國內(nèi)多年的勘探、開采，肉眼可見鈾礦物的礦石已經(jīng)少見，因此鑒定顯微鈾礦物正成為鈾礦物鑒定的主要內(nèi)容；根據(jù)α徑跡，可排除其它礦物的干擾，快速、準(zhǔn)確地尋找、鑒定鈾礦物，了解顯微級(jí)別鈾礦物的分布特征、礦石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造；還可根據(jù)α徑跡尋找到含鈾礦物、吸附鈾的礦物。

3.近年來，許多學(xué)者研究鈾礦物都依賴電子顯微儀器與技術(shù)，所研究的文章中也少見鈾礦物的光性特征描述［12～16］，相比于背散射圖像，顯微鏡下的礦物圖像更直觀、形象，但是鈾礦物的光性特征是個(gè)難點(diǎn)且光性研究資料較少，因此應(yīng)該將背散射圖像與顯微鏡圖像結(jié)合來研究鈾礦物，而α徑跡蝕刻法是顯微鏡下尋找鑒定鈾礦物的重要手段。