核技术在探索海洋方面应用

据悉，世界上有专家研究表明：海洋底岩芯活化分析的早期报导始于1962年,1969年以后报导频增，成为有关国际学术会议的重要内容。就方法来讲这些研究工作涉及中子活化分析（NAA）、中子俘获γ辐射能谱测量（n，γ）、中子非弹性散射γ射线能谱分析（n,n´）、X射线萤光分析（XRF）、自然放射性γ能谱测量，海底伽玛密度测定等。除后两种方法外，其他方法均处于研究阶段。对于海洋资源勘探的日益重视，显然是由于陆地资源的迅速消耗，迫使人们设法寻找更长期的原料储备，从海底能够提取的重要金属，据估算，认为海洋矿床的金属储量够用1000年以上。从海底多金属硫化矿耦合复合矿中提取有价金属的方法，包括催化氧化浸出得到含铜、锌的浸出液和含硫、金、银的浸出渣；从浸出液中提取铜产品和锌产品以及从浸出渣中提取硫磺产品和金、银产品的步骤。该方法能将海底多金属硫化矿耦合复合矿中有价元素铜、锌、金、银、硫进行综合回收利用，具有有价元素综合利用率高、回收率高、流程简单、清洁节能的特点，是一种处理海底多金属硫化矿耦合复合矿新资源的有效方法。

从1970年前后起，美国、西德、苏联等国从事了许多研究工作，仅美国就有至少三个机构（美国地质调查所、Georgia大学、太平洋西北研究室）从事了数年专题研究，而参与试验的机构就更多了。这些是国际上争夺海洋资源值得重视的情况。据1975年报导，苏联在南海滨进行陆棚区地质研究时，应用了海洋放射性测量[6];1974年多道γ能谱仪在波罗的海对海底沉积进行了U、Th、K填图，配合了岩石学的研究[7]；此外苏联还用伽玛伽玛法测定了海底沉积的密度[8]。在1976年召开的第二十五届国际地质年会上Symons等报告了用拖引式γ能谱仪在水深小于200米的陆棚区的测量工作[9]，航行速度小于每小时7浬（1浬＝1.85千米），用卫星无线电定位，探头为76×76mm的 NaI（T1）晶体，能谱仪为四道：总道（100Kev～3Mev）、K道（1.31～t.61 Mev）、U道（1.62～1.94Mev）,Th道（2.475～2.97Mev），自稳用的参考源为241Am（59.5Kev）。西德Karlsruhe核子研究中心在1972年9月于美国核子协会国家专题会议上提交了两篇报告，一为“关于在陆棚区应用252Cf勘探海洋矿物资源的核子方法的可行性研究”，另一为“用于在海底借助252Cf中子激活γ射线分析勘探锰结构系统的设计”。文献[5]中对比了XRF、NAA及（n，γ）分析，由于XRF法的代表性差而不宜采用，见表3。表中的体积是指对探测仪做出90%峰计数贡献的物质球形体积。认为无论就地分析或是取样分析NAA及（n，γ）是适用的，也是等效的。中子源应选用1mg的252Cf，它相当于1150Ci的241Am—Be源；中子管由于需用外电源、体积大、不稳定而不适合。预计NAA、（n，γ）对Ti效果好，而对Zr是有困难的（计数率太低），Th则依靠自然放射性测量。认为在水深小于10米条件下取样有优越性，此时可对样品进行船上分析；更深区采用海底就地分析，为此设计了专门的探头，探头中安装有致冷机，以供给Ge（Li）所需的低温；为了研究地层而采的岩芯可在船上进行精密中子分析。文献中设计了一个在深海底就地分析锰结核的系统，它可以在深达6000米的海底测量Ni、Cu、Co的含量（浓度），此装置预计在1973年完成加工。迄今已使用的是海底电视及采样，并在船上或陆地做分析；海底就地分析的研究就是为了改进分析工作以适应日益增长的海洋勘探的需要。由于船行速度必须保持2浬/小时即1 m/S的速度；还由于锰结核在海底的分布低于每平方米数十公斤的密度，这是对（n，γ）分析不利的；而且测量又需一定时间；故此设计中将样品采集到一个罐里，再进行分析。当Ni、Cu、Co的含量接近1%，而且锰结核密度约达5kg/m2时，就有经济价值。这就要求，测定金属品位的同时应测量结核在罐中的体密度及其在海底的分布密度，相对误差要求为10%。深海泥土及粒度小于1cm的其他沉积物在采样时被除去。两个相邻取样分析点之间的距离为1km，每一个分析周期约为15分钟，每次出海任务延续时间至少为数大。具体做法是，将海底表面沉积用吸引系统搜集并传送到一个罐里，罐中心装有一个252Cf源，罐外装有Ge（Li）深测仪，测量中子俘获γ辐射，测量时间约为10分钟；罐的上部装有Co60，对侧装有NaI（T1）,测出体密度，装罐的时间连同系统的动作速度可粗略地指示锰结核在海底的分布密度值。这些测量信息，连同探测器的温度，垂直位置显示等一并传送到船上计算机进行自动处理，算出Ni、Cu、Co元素含量，体密度、海底分布密度等数据。装置的设计可承受600个大气压，有一氦压缩机做为80°K制冷系统的一部分，为了防止振动Ge（Li）探测器用弹簧系统悬挂起来。整个装置用船拖在海底。美国太平洋西北研究室研究了中子活化分析方法，在方法的选择上认为记录瞬发γ射线（n，γ）虽可以测定Fe和Si，但对矿物中的许多元素来讲灵敏度低，而实验证明激活放射性核分析对于多数元素的灵敏度都可以达到有经济意义含量以下，故选用中子活化分析方法，源选用252Cf。在初期实验室研究中用260μg252Cf对20多种矿物进行了实验，照射及测量时间共为2～5分，证明了实验室矿物分析的现实性；为了证明野外现场就地分析及海底分析的可行性用210μg252Cf做了模型试验；然后又在海边进行了模拟试验，用200磅已知成份矿样，装在截断的55加伦汽油桶内（高10＂、直径约为22＂），在潮退时埋在海边，当涨潮时被4～5呎海水所淹没，用210ug252Cf对准样品照射2′，用10＂高6＂直径的石腊块做为慢化器，冷却30～40′，测量200＂,Ge（Li）体积为50cm3，此试验中测出的元素有Mn（0.1%）、Ag（0.05%）、Mg,Al、V，并认为Na24和Cl38干扰不严重，试验结果表明最佳源强为5mg，但考虑到对Ge（Li）的损伤及防护条件，选用1mg是可以的。并提出研制中子倍增器的想法，该研究室所装中子倍增器为次临界型，可使中子增长30～40倍；该研究室在室内海底模型装置上详细研究了矿物样品中不同元索的灵敏度，用了约为2mg的252Cf，慢化层为12＂厚的石腊，可获1.7×107n/cm2s的热中子流，可测元素30～40个，其中16个元素的灵敏度列入表4中，探测器同上，照射时间2´，冷却30～60＂，测量时间2´，实验室结果表明，如果能知道物质的实际密度，则准确度可达到±10%；这些试验结果给出了就地分析及测井的可能性，并为开展海底中子活化分析设计了一个可下到数百尺海底的装置，每个点的分析周期自动控制为约5分钟，将用海底电视做水下观察；未来在采用中子次临界型倍增器条件下，252Cf可减至50μg；对于陆棚区及淡水湖中此方法具有很大的优越性，对于测井和陆地分析以及行星矿物分析都可采用。美国太平洋西北研究室还研究了海洋X萤光能谱分析法，由于未能找到所需文献，不能对它进行评述。美国Georgia大学进行了海底及船上分析研究工作。为了进行海底就地中子活化分析，设计了三种操作方式：（1）用于深海（＞60呎）的潜水艇、（2）适用于中深海（50～150呎）的水下撬、（3）适用于浅水区（＜60呎，一般为10～50呎）的可容两个人的潜水器；此项试验用了100、200、400和512道四台多道能谱议。使用200μg252Gf可获106n/cm2s的热中子通量，探测器选用3＂×3＂的NaI（T1）晶体，照射4´冷却30＂，测量4＂，用水下电视监视。认为对Mn、Cr、Mo、V、W、Co、Cu、Pb、Sn、Al、Ag、Hg、Ti、Mg十四个元素的灵敏度可达有经济价值含量以下。用潜水艇的实验是在加里福尼亚海岸外的太平洋上进行的，装有电视机的潜水器及水下撬是在墨西哥湾及美国东南部陆棚区实验的，所有方面包括健康物理学均得到肯定。在1972年初用一个1mg 252Cf及更为完善的分析系统在太平洋做了大范围船上巡回中子活化分析，所分析的样品包括用取芯器和抓样采样的海底沉积、深海结核、空气污染样品、不同深度的水样中的痕量元素，以及生物样品如飞鱼等；分析系统包括有两个Gc（Li）（65cm3和55cm3）、4096道分析器、PDP118K存储容量的计算机、NIM系列电子线路及盒式磁带存储器、纸带穿孔机及电传打印机，船上还装有X萤光分析系统；水样分析经过离子交换处理；中子源装在一个特制容器中，有三个照射孔道，可获1.4×107n/cm2s的热中子流；照射时间为数分至30分；认为此种工作对于海洋学及环境科学都是很有益的。美国地质调查所研究了中子俘获γ辐射能谱法[19-25]。在长伊斯兰德海峡（15～30m深）进行了五个点的试验。Ge（Li）探头为45cm3,4096道谱仪及小型计算机，两个252Cf源分别为0.7μg和8.2μ，源距相应为52.1cm和62.2cm；用中子俘获γ辐射能谱法可以定性地判断Ni、Fe,Cu峰，定量尚有困难。试验中遇到两个技术问题：Cl的干扰及统计涨落大。Cl谱中如果将单双逃逸峰都算在内，则有400多个峰，近50个峰的全能强度大于0.5（对100次γ辐射），将仪器吊在6m水深处，测出了62个峰，其强度大于26，其中有48个与Cl峰距离在5Kev以内，必须认为是Cl峰或Cl给出重要贡献的峰，甚至在使用Ge（Li）的条件下，如此多的Cl峰，都将严重限制中子俘获γ辐射法的使用；此外所测到的是热中子，超热中子及慢中子混合俘获γ辐射，而有些元素对超热中子俘获有共振截面，这也将带来分析误差。对今后试验做出了如下建议：（1）改变探头装置，将Ge（Li）置于中心，用十个252Cf围成一圈，半径为13～15cm，这样沉积物密度变化对热中子及超热中子通量的影响会小些；（2）用样品中公有的Fe元素谱线中的两个峰的比值，可以对中子流能量分布进行指示，可建立谱线硬度指示；（3）改用脉冲式中子发生器，恰当地选择测量窗的时间，以区分俘获γ射线及某一共振谱线，用这种方法来提高对某一元素的选择性。