中子活化测氟

(一)基本原理

氟可以组成独立矿物——氟化物，如萤石(CaF₂)，并能在许多其他矿物中以类质同象混合物形式出现，在自然界中氟有组成许多化合物的性能，可以同许多金属组成氟化物综合体进行迁移。这些金属是：Li、Be、Ti、B、V、Y、Zr、Nb、Mo、Sn、镧族元素、Hf、Ta、W、Hg、U等。形成矿床的结果是这些综合体开始分离，氟成为自由的和可以自己运移的元素，这样，在矿床或矿化的周围就形成氟的分散晕，而且它的范围比矿体大好几倍。从而氟可作为寻找上述金属矿的指示元素。

中子活化方法可以在野外现场根据氟的分散晕有效地用于普查氟石、磷块岩、磷灰石和稀有金属，而且不需要碎样，并有很高的灵敏度和精度，而且速度快。

对氟的测量是建立在核反应¹⁹F(n，α)¹⁶N的基础上，采用的中子能量为4MeV，反应截面为10^-29m²。中子源是用放射性同位素Po-Be源，由核反应(α，n)产生的中子，其能量平均为4MeV，这样源的输出，对1Bq的α辐射体，其中子产额为5×10^-5n/s。

核素¹⁶N经β衰变后变为稳定的同位素¹⁶O，其半衰期T_1/2=7.3s，因此要求野外测量要有很高的速度。同位素¹⁶N经β衰变伴随放出γ射线，其能量为6.1MeV。根据这样的能量很容易确定¹⁶N，因为其他的无论是天然或是人工的同位素，放出的γ量子的能量均很低。正因为这样，使野外的中子活化方法在测定氟含量时，有着很高的选择性。

除¹⁹F(n，α)¹⁶N核反应获得¹⁶N外，核素¹⁶N还可由核反应¹⁶O(n，p)¹⁶N和¹⁵N(n，γ)¹⁶N获得。虽然在测量对象里有氧和氮，但上述的两个核反应的源中很少有大于这个能量的；而且第2个反应主要是¹⁵N同位素，它的量很少，在天然氮中¹⁵N只有0.36%，同时反应截面也很小，约2.0×10^-30m²。

(二)野外工作

在野外，地面测氟的中子活化方法有两种方案：步行的和汽车的。

1.步行中子活化测量

这种方法是采用同位素中子源和携带式γ谱仪，如独联体的仪器型号为Сп-3M或Сп-4M。由于中子剂量很大，中子源要有专车运送和保管，在工作时，要保证源同操作者间的安全距离，即快中子流密度对人来说，不得超过20n/(cm²·s)；也就是说，对于中子产额为1×10⁷n/s的源，要保证安全工作，操作者与中子源的距离不得小于3.3～4.0m。为记录能量为8MeV的射线，应将原有能谱仪型号Сп-3M或Сп-4(设计是测量3MeV以下的射线)中的晶体NaI(Tl)由原来的80mm×80mm，改为100mm×100mm或150mm×150mm，能谱窗宽选为3.0～3.5MeV，下阈选在4MeV。这样就可以消除自然界中核素的影响。

工作方法同其他的物、化探方法一样，即选择测网，测量是在测点的岩石表面完成的，如果植被太厚，即挖坑深15～20cm，然后进行测量。中子源放入坑中照射时间t_a=30s。由于¹⁶N的半衰期T_1/2=7.3s，则上述的t_a=4T_1/2=30s，所以活化放射性实际已达饱和值。之后，源取出放进第2个测点。第1个测点，在照射30s后，停t_n=5s，即进行t_u=15s的测量。这里需强调的，照射时间t_a=30s，停止(冷却)时间t_n=5s，测量时间t_u=15，在全部的测量中都应保持恒定，否则将会产生测量的误差。这样，一个测点只要不到1min即可，当氟的含量很低时，则在每个测点最好测数次，以保证测量的精确性。

在岩石中经常存在氢元素，由于其减弱中子，所以在计算射线的质量吸收系数时应予考虑消除。计算结果表明，岩石的湿度增加0%～20%时，质量吸收系数平均增加0.065%～0.081%，但只使活化γ射线降低10%左右。另一个参数就是岩石的密度，含氟岩石密度的变化不超过±0.25g/cm³，所以它不影响测量结果，然而，致密的岩石(2.4～3.3g/cm³)活化效应平均要比覆盖土(1.3～1.8g/cm³)高30%左右，所以测量经过这两种介质时，需要进行校正。如果测量，要么全在致密的岩石中进行，要么在覆盖土中进行，由于影响小可以不进行校正。

步行中子活化测量，一般采用的比例尺为1：10000，很少为1：5000和1：25000。经验证明，稀有金属和萤石矿床中的相应矿体周围的氟分散晕的最小宽度在8～10m范围内，最合适的测点距为10m。对普查其他矿种时，测点距可适当加大，而对详测，测点距要适当缩小。

异常的一般规则，定义为底数加三倍的均方差，所以按氟的含量，其异常值定为0.1%～0.3%以上，当萤石矿床中的矿体覆盖3～5m的覆土时，比较典型的氟的异常，应选其含量在0.3%以上，对磷灰石矿床、磷块岩矿床和稀有金属矿床，氟是其伴生指示元素，氟的异常含量应选在0.1%以上。

以下举几个典型实例。

实例一，磷灰石矿床覆盖残积-坡积层，厚度2～5m，步行中子活化测量的测网采用20m×20m，测量结果发现的异常同磷灰石矿化密切相关，围岩花岗岩中的氟本底含量为0.1%，闪长岩和混合岩的磷灰岩中的氟含量为0.2%～0.3%，闪长岩发育地段有着工业含量的磷灰石(P₂O₅含量在3.5%以上)，其中氟含量在0.4%以上。该实例如图5-12所示。

图5-12 磷灰石矿床步行中子活化测量结果图

1—花岗岩；2—闪长岩中P₂O₅<3.5%；3—闪长岩中P₂O₅>3.5%；4—混合岩

实例二，穿过脉型石英-黄玉云英石中子活化测量结果剖面示于图5-13，钨矿化赋存于花岗岩中，直接在矿体上方观察到很突出的活化γ异常I_γ=90cps，异常的宽度，即I_γ>30cps，达60m，是矿体实际厚度的4倍。应特别注意的是，含有偏高氟含量的花岗岩的活化γ照射量率是很高的，这就是通过氟含量异常来找钨矿的理由所在。

中子活化分析测氟，还可用于寻找宝石矿床，形成的云英岩中的宝石堆积一般都有偏高的氟的含量，并在围岩中有发育的晕圈(周围及上方)，中子活化法测氟找宝石，在后贝加尔湖地区已有成功的应用例子。

2.汽车中子活化测量

在比较平坦的地区，为加快普查速度，可进行汽车中子活化测量，基本原理、方法和技术，同步行中子活化相似。

汽车中子活化测量精度是很高的，在南哈萨克斯坦萤石矿床上进行了测量，并按同剖面取样进行了中子活化分析对比，吻合程度相当好，如图5-14所示。

图5-13 钨矿的步行中子-活化测量结果图

1—花岗岩；2—石英-黄玉云英岩体

图5-14 在萤石矿床上汽车中子活化测量

1—砂岩；2—矿体