原位離子輻照模擬阿爾法衰變導致裂變徑跡變短
氦、鉛等元素以及點缺陷在礦物結構中擴散是受熱引起，這是確定礦物年齡及熱史的基本假設。例如，通過礦物中238U裂變產生的損傷徑跡數量、長度分布重建礦物熱史的實踐，地質“熱事件”被假設為裂變徑跡退火（缺陷消失、徑跡長度變短）的唯一內因。Hendriks等在2005年推測，裂變徑跡受到238U和232Th衰變中釋放的高能阿爾法（α）粒子轟擊，裂變徑跡數量變少或長度變短。這種“非熱”輻照退火引起裂變徑跡測量年齡偏年輕，直接影響裂變徑跡定年在板塊、地形及盆地演化分析中的有效應用。由于該推測缺乏實驗證據有效支持，是領域內頗具爭議的科學問題。爭議的核心是“熱”退火和“輻照”退火都可能阻礙蝕刻液在裂變徑跡中前進，導致裂變徑跡蝕刻長度縮短，而常規蝕刻方法無法區分這兩種退火。
中科院青藏高原所新生代環境團隊、青藏高原地球科學卓越創新中心李偉星研究員及合作者，利用俄羅斯杜布納聯合核子研究所、哈薩克斯坦核物理研究所快重離子加速器，以及美國阿貢實驗室原位輻照等大型科學裝置，通過連接透射電鏡與離子加速器，首次觀察到核徑跡在高能離子轟擊下半徑縮小、長度變短的完整過程（圖1）。這一創新方法直觀地研究“未蝕刻”徑跡輻照退火效應，解決了“蝕刻”方法無法區分輻照退火和熱退火的難題。
原位輻照和量化分析（圖2，圖3）結果顯示，α反沖核的核碰撞導致裂變徑跡破碎、縮小，阻礙蝕刻液前進以及縮短蝕刻徑跡長度。另外，鋯石的α-輻照退火效應比磷灰石更靈敏，且鈾和釷的含量比磷灰石高。因此，在裂變徑跡實踐應用中，需要考慮鋯石的α-輻照退火效應。
該研究成果近期以“Alpha-decay induced shortening of fission tracks simulated by in situ ion irradiation”為題，在國際地球化學權威刊物《地球化學與宇宙化學學報》（《Geochimica et Cosmochimica Acta》）發表。本研究獲得“第二次青藏高原綜合科學考察研究”專項(2019QZKK0707)等資助。李偉星研究員為第一作者和通訊作者，斯坦福大學Rodney C. Ewing院士為共同通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.01.022
（“高原風化剝蝕歷史及氣候環境效應”專題供稿）
圖1原位電鏡照片顯示不同初始半徑的核徑跡在α反沖核轟擊下逐漸縮小的全過程
圖2 磷灰石裂變徑跡半徑及可蝕刻徑跡長度隨輻照劑量增加而減少。磷灰石在已報道最高天然劑量（2.3×1017 α/g）下，蝕刻長度下降百分比僅0.98%
圖3 鋯石裂變徑跡半徑及可蝕刻徑跡長度隨輻照劑量增加而減少。鋯石在正常天然劑量（如1.3×1018 α/g）下，蝕刻長度下降百分比達24.4%