地下水溶解氪气分析用于放射性氪同位素测年

摘要

惰性气体放射性同位素在大气中均匀分布，是非常理想的同位素示踪剂。其中85Kr（半衰期10.8年，同位素丰度2.5×10-11）主要在核乏燃料棒的后处理过程中被释放进入大气，可用于大气输运模型校准和年轻地下水测年(2-50年);81Kr（半衰期23万年，同位素丰度6×10-13）由宇宙射线在大气中产生，可用于古老地下水和极地冰川年龄的测定（5万-150万年）;39Ar（半衰期269年，同位素丰度8×10-16）也主要由宇宙射线产生，可用于50-1000年尺度地下水年龄测量以及深海洋流循环研究。基于原子激光冷却与囚禁技术的原子阱痕量分析(Atom Trap Trace Analysis，ATTA)方法，目前被认为是唯一的可对环境样品中81Kr等同位素进行测定的方法。
　　本论文的工作主要是:搭建了一套可实现痕量惰性气体同位素分析的样品预处理装置，实现了从地下水样品采集、气体分离以及ATTA测量的整个流程。具体为:首先通过分别利用真空雾化法和脱气膜法实现对地下水样品溶解气的高效分离提取;然后基于低温蒸馏和气相色谱分离技术，将样品溶解气中的氪气高效分离出来，用于放射性同位素85Kr和81Kr的ATTA测量。在此系统基础上，还搭建了一套氪氩联合分离纯化系统，同时将氪气和氩气从类空气样品中分离纯化，以为将来实现样品的39Ar测定做准备。利用这些系统，先后开展了多个地区地下水样品的采集和测量工作，其中既有85Kr年龄为数十年的年轻地下水，也包括81Kr年龄达一百万年的“化石水”。
　　论文主要包括以下几个部分:
　　第一章首先介绍惰性气体放射性同位素在测年方面的应用以及ATTA测年基本原理，对ATTA方法Kr同位素测年所需要样品量的大小进行了分析。
　　第二章对地下水样品野外采集方法进行了回顾，介绍我们先后搭建的三套地下水溶解气提取系统的组成、原理及工作性能。
　　第三章介绍惰性气体分离纯化系统，包括所搭建的氪气分离纯化系统、氪氩联合分离纯化系统，与其他类似系统和相关技术性能进行了对比分析。
　　第四章介绍了利用以上系统开展的国内多个地区的地下水样品的采集以及85Kr和81Kr测年工作，以及相关初步结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 地下水测年方法研究进展

1．2 惰性气体示踪元素

1．2．1 81Kr和85Kr

1．2．2 39Ar和37Ar

1．3 原子阱痕量分析技术

1．4 ATTA测量所需样品分析

1．4．1 气体在水中的溶解度

1．4．2 不同环境样品尺寸

第2章 从地下水中提取溶解气

2．1 地下水溶解气提取系统的设计

2．1．1 真空雾化法

2．1．2 脱气膜法

2．1．3 溶解气提取过程中的气体分馏效应

2．1．4 溶解气提取过程中的污染

2．2 真空雾化溶解气提取系统

2．2．1 系统组成及原理

2．2．2 系统工作性能

2．3 脱气膜溶解气提取系统

2．3．1 脱气膜的选择

2．3．2 系统组成及原理

2．3．3 系统工作性能

2．4 小型溶解气提取系统

2．4．1 新系统的设计

2．4．2 系统工作性能

2．5 溶解气提取方法总结

第3章 从环境气体中分离纯化惰性气体样品

3．1 惰性气体的分离与纯化

3．2 气体低温蒸馏

3．3 氪分离纯化系统

3．3．1 系统操作流程

3．3．2 实验过程分析

3．3．3 分离产物分析

3．4 氪氩联合分离纯化系统

3．4．1 系统操作流程

3．4．2 分离产物分析

3．5 芝加哥大学氪气分离系统

3．5．1 系统操作流程

3．5．2 分离产物分析

3．6 惰性气体分离纯化系统展望

第4章 地下水样品的测量

4．1 地下水的模型年龄与修正

4．2 华北平原地下水测年

4．2．1 华北地下水样品的采集和预处理

4．2．2 华北地下水样品的ATTA测量结果

4．2．3 河北省正定县浅层地下水研究

4．3 广东省雷州半岛和新疆西北地区地下水测年

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果