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Scientific Reports:透射电镜原位观察α-粒子辐照导致Durango磷灰石辐照损伤的恢复
2017-10-27

  矿物中U/Th发生α衰变,沿相反方向射出一对α-粒子(即He) 和α-反冲核。由α-反冲核造成的辐照损伤影响放射成因定年元素(如He、Pb等)在矿物中扩散及矿物封闭温度,是热年代学和U-Th-Pb定年方法的一个热点问题,如加州理工Shuster等人最近提出的He扩散陷阱模型。直到现在,热事件仍被认为是辐照损伤恢复退火的唯一内因。然而,来自诸如α衰变事件中α-粒子辐照本身就可能导致已存在辐照损伤的恢复。由于很难在原子或纳米尺度直接观察到这种由α衰变事件中α-粒子辐照所导致的损伤恢复,还不可能对其进行量化。

  中国科学院青藏高原研究所、青藏高原地球科学卓越创新中心李伟星研究员课题组利用美国阿贡国家实验室的透射电镜-原位辐照装置(图1),进行了先后两步离子辐照:即先用Kr2+ 模拟α-反冲核损伤,再用He+ 模拟α-粒子退火效应。首次原位观察到矿物在α-粒子辐照过程中由非晶到晶体转化的动态详细过程(图2)。在He+ 辐照下,最初已经完全非晶化Durango磷灰石又出现部分重结晶,这一点可由透射电镜照片重新出现的新晶粒以及选区衍射谱中重新出现的衍射点清楚看出(图2),并成功进行量化(图3)。因此,矿物中α-粒子退火效应的确存在,在地质年代学和热年代学有关α衰变事件损伤模型中必须考虑该效应及其对放射成因元素扩散的影响。

  Scientific Reports两位审稿人都对该工作给予高度评价,认为“这篇很有意思的工作对从地质热年代学到核废料处理等领域都具有深刻意义”,“作者完成了非常漂亮的工作,把实验室得到的结果放在一个更大的框架下,实现了与天然样品中的损伤累积以及退火速度相比较。”

  该研究得到了国家自然科学基金(41673062)项目、国家青年千人项目的支持,研究成果发表于Scientific Reports。

  论文链接:http://www.nature.com/articles/s41598-017-14379-9 

 

图 1、 实验方法。 超薄钻石刀切片技术保证所有样品具有(a) 均一厚度(70 nm)和统一晶向(沿c-轴),确保实现(b)原位两步离子辐照和透射电镜观察。

 

图 2、原位实验结果。 碳膜上的同一磷灰石样品(颗粒1)的原位透射电镜照片(第一行)和所对应的选区电子衍射谱(第二、三行)。图(a-b)和图(d-f)表示随着Kr2+离子(模拟α-反冲核损伤)的辐照,样品逐渐非晶化,图(b-c)和图(g-i)表示随着He+ 离子(模拟α-粒子退火)辐照,已非晶化样品又逐渐重结晶。辐照顺序(蓝色箭头),颗粒1(黑色箭头)和(2020) 晶面(红色箭头)均作了标记,以强调在两步离子辐照过程中不同的离子剂量下产生的变化。

 

图 3、 定量分析。用不同样品颗粒辐照前衍射点个数(其中颗粒1初始衍射点36个,颗粒2初始衍射点22个,颗粒3初始衍射点19个)归一化的衍射点个数随着(a) Kr 离子辐照剂量增加而降低,而随着后续(b) He离子辐照剂量增加,归一化衍射点个数又逐渐增加。通过控制样品的厚度和晶向,实现了通过多个颗粒的选区电子衍射点个数来量化辐照损伤及He离子退火。

 
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