TWI719686B - 以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法 - Google Patents

Abstract

一種以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，針對取得岩石樣品後，進行汙染物擴散試驗與檢測並利用無汙染切割法確保樣品減少切面上的重新分布或汙染。分析上利用掃描式電子顯微鏡分析汙染樣品剖面區域影像，輔以感應耦合電漿原子放射光譜分析或感應耦合電漿質譜儀鑑定出光譜確認分析汙染樣品元素組成，最終以掃描式電子顯微鏡結合能量散佈分析儀器分析汙染樣品剖面區域特定汙染物元素，當該能量散佈分析儀器與該些影像工具結合時，可以提供直徑小至nm的區域進行元素分析，進行樣品的影像掃描與分析，藉由利用電子束對汙染樣品的撞擊會產生汙染樣品元素的特性X-射線，可用於確定單點的元素成分，分析汙染物元素於該岩石薄片汙染樣品內的擴散程度，繪製出成像區域汙染物元素的橫向濃度分布圖。

Description

以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法

本發明係有關於一種以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估 汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，特別係指可應用於用過核子燃料最終處置放射性汙染物質於岩石的擴散研究、環保及工業汙染擴散鑑定分析方面者。

傳統分析汙染物於完整母岩基質擴散之分析方法為穿透擴散 法、內擴散或是利用井場進行現地示蹤劑試驗。其中穿透擴散法在岩石擴散分析法耗時過長需要數年時間才可完成；內擴散法目前文獻已知方法須利用X射線光電子能譜儀（X-ray photoelectron spectrometer, XPS）、拉塞福背向散射譜儀（Rutherford backscattering spectrometer, RBS）、及二次離子質譜儀（Secondary ion mass spectrometer, SIMS）等貴重精密儀器才能進行；然而現地挖井用示蹤劑試驗測試則會有環境污染之疑慮。傳統研磨切割樣本也會使樣品切片內部分材料成分的重新分布或汙染，造成分析上之不確定性。

鑑於目前國內外在汙染物於完整母岩擴散之分析方法中，傳統研 磨切割樣本會使樣品切片內部分材料成分的重新分布或汙染，造成分析上的不 確定性；傳統放射性汙染物於環境擴散分析，示蹤劑試驗測試會因為環保及安全因素無法於現地執行；傳統穿透擴散法受限於實驗時間過長而無法短時間知道結果；傳統內擴散法需要貴重精密儀器才能進行分析。雖然曾有專利提出涵蓋掃描式電子顯微鏡能利用多像素固態電子偵測器進行影像放大檢查樣品表面，惟其並未提及與能量散佈光譜結合分析樣品元素分布之應用。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提 供一種利用掃描式電子顯微鏡結合能量散佈分析儀器分析切割過的岩石或地質樣品剖面，先針對表面進行掃描式電子顯微鏡分析樣品表面影像分析，輔以感應耦合電漿原子放射光譜分析或感應耦合電漿質譜儀鑑定出光譜確認分析汙染樣品元素組成，最終以能量散佈分析儀器掃描，繪製出成像區域汙染物元素的橫向分布，確保放射性汙染物可以於實驗室內進行地質材料的擴散行為研究之以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法。

本發明之次要目的係在於，提供一種可應用於用過核子燃料最終 處置放射性汙染物質於岩石的擴散研究、環保及工業汙染擴散鑑定分析方面之以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法。

為達以上之目的，本發明係一種以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈 分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，其至少包含下列步驟：樣品 分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，其至少包含下列步驟：樣品前處理步驟：取得一岩石樣品，將該岩石樣品進行切割、研磨及拋光之前處理加工，對該岩石樣品切割為岩石薄片樣品中，加工該岩石薄片樣品厚度至0.03～0.5毫米（mm），再經過研磨及拋光處理成表面平整之岩石薄片樣品；汙染擴散步驟：將表面平整之岩石薄片樣品先進行水飽和處理，再將其浸泡汙染物進行汙染擴散形成岩石薄片汙染樣品；無汙染切割步驟：在該岩石薄片汙染樣品背面貼上玻璃片，切片過程採用鑽石刀划切或雷射劃片方式切割該玻璃片端，使切割完成之岩石薄片汙染樣品可完整黏於該玻璃片上不易碎裂，達成減少切面上的重新分布或汙染；以及掃描分析斷面步驟：對切片處理後之岩石薄片汙染樣品剖面進行掃描式電子顯微鏡（SEM）分析汙染樣品剖面區域影像，輔以感應耦合電漿原子放射光譜分析（ICP-AES）或感應耦合電漿質譜儀（ICP-MS）鑑定出光譜確認分析汙染樣品元素組成，最終以掃描式電子顯微鏡結合能量散佈分析儀器（SEM-EDS）分析汙染樣品剖面區域特定汙染物元素，當該能量散佈分析儀器與該些影像工具結合到一起時，可以提供直徑小至nm的區域進行元素分析，進行樣品的影像掃描與分析，藉由利用電子束對汙染樣品的撞擊會產生汙染樣品元素的特性X-射線，可用於確定單點的元素成分，分析汙染物元素於該岩石薄片汙染樣品內的擴散程度，繪製出成像區域汙染物元素的橫向濃度分布圖。

於本發明上述實施例中，該岩石樣品係為質地堅硬之花崗岩、玄 武岩或安山岩之火成岩。

於本發明上述實施例中，該岩石薄片樣品進行水飽和處理之時間 為7～30天。

於本發明上述實施例中，該岩石薄片樣品係浸泡於濃度大於 0.001M之汙染物，其浸泡時間為7～30天。

於本發明上述實施例中，該鑽石刀划切係在切割處加一刻痕，使 局部應力集中，達成折斷。

於本發明上述實施例中，該雷射劃片係以高能量密度雷射在脆性 材料的玻璃片表面進行掃描，使材料受熱蒸發出一條小槽，然後施加一定壓力，使該玻璃片沿小槽處裂開。

請參閱『第１圖～第３圖』所示，係分別為本發明分析方法之流 程示意圖、本發明無汙染切割之流程示意圖、以及本發明分析方法之影像解析示意圖。如圖所示：本發明係一種以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，主要係針對取得岩石樣品後，進行汙染物擴散試驗與檢測，其至少包含下列步驟：

樣品前處理步驟s11：取得一岩石樣品１，該岩石樣品１可為質 地堅硬之花崗岩、玄武岩或安山岩之火成岩，將該岩石樣品１進行切割、研磨及拋光等前處理加工，對該岩石樣品切割為岩石薄片樣品１ａ中，加工該岩石薄片樣品１ａ厚度至0.03～0.5毫米（mm），再經過研磨及拋光處理成表面平整之岩石薄片樣品１ａ。

汙染擴散步驟s12：在實驗室中先將切割研磨後，表面平整之岩 石薄片樣品１ａ進行水飽和處理7～30天，待該岩石薄片樣品１ａ完成水飽和後，再將其浸泡於濃度大於0.001M之汙染物7～30天進行汙染擴散形成岩石薄片汙染樣品１ｂ。

無汙染切割步驟s13：在該岩石薄片汙染樣品１ｂ背面貼上玻璃 片２，切片過程採用鑽石刀划切或雷射劃片方式切割該玻璃片２端，該鑽石刀划切係利用樣品的脆性、抗張應力低及有殘餘應力之特性，在切割處加一刻痕，使局部應力集中，達成折斷；該雷射劃片係利用高能量密度雷射在脆性材料的玻璃片２表面進行掃描，使材料受熱蒸發出一條小槽，然後施加一定壓力，使該玻璃片２沿小槽處裂開。切割完成之岩石薄片汙染樣品１ｂ可完整黏於該玻璃片２上不易碎裂，本方法可以確保樣品達成減少切面上的重新分布或汙染。

掃描分析斷面步驟s14：對切片處理後之岩石薄片汙染樣品１ｂ 剖面進行掃描式電子顯微鏡（SEM）分析汙染樣品剖面區域影像，輔以感應耦合電漿原子放射光譜分析（ICP-AES）或感應耦合電漿質譜儀（ICP-MS）鑑定出光譜確認分析汙染樣品元素組成，最終以掃描式電子顯微鏡結合能量散佈分析儀器（SEM-EDS）分析汙染樣品剖面區域特定汙染物元素，當該能量散佈分析儀器與該些影像工具結合到一起時，可以提供直徑小至nm的區域進行元素分析，進行樣品的影像掃描與分析。如第３圖所示，圖中黑點為汙染物元素分布，藉由利用電子束所激發的特性X-射線來進行該岩石薄片汙染樣品１ｂ的元素分布分析，判別樣品基質與該岩石薄片汙染樣品１ｂ的元素分布分析，分析推測汙染物元素於該岩石薄片汙染樣品內的擴散程度，繪製出成像區域汙染物元素的橫向分布，亦可應用於用過核子燃料最終處置核種遷移評估之實驗研究。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之。

以下實施例僅舉例以供了解本發明之細節與內涵，但不用於限制 本發明之申請專利範圍。

於一具體實施例中，取得岩石樣品１以花崗岩為例。當運用時， 首先執行花崗岩前處理製作，進行切割、研磨、及拋光等步驟，加工其岩石薄片樣品１ａ厚度至0.03mm。在實驗室中先將切割研磨後，表面平整之岩石薄片樣品１ａ進行水飽和處理7天，花崗岩的岩石薄片樣品１ａ完成水飽和後，浸泡於含金膠體之溶液，將其浸泡處理7天形成岩石薄片汙染樣品１ｂ後，再進行後續切片。樣品切片步驟中，首先要在該岩石薄片汙染樣品１ｂ背面貼上玻璃片２，切片過程採用鑽石刀划切或雷射劃片方式切割該玻璃片２端，其中鑽石刀划切係利用樣品的脆性、抗張應力低及有殘餘應力之特性，在切割處加一刻痕，造成局部應力集中，即可折斷；該雷射劃片係利用高能量密度的雷射在脆性材料的表面進行掃描，使材料受熱蒸發出一條小槽，然後施加一定壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。切割完成之岩石薄片汙染樣品１ｂ可完整黏於玻璃片２上不易碎裂，此方法可以確保樣品減少切面上的重新分布或汙染。待樣品切片處理後，後續針對要分析之岩石薄片汙染樣品剖面進行掃描式電子顯微鏡分析汙染樣品剖面區域組成畫面，輔以感應耦合電漿原子放射光譜分析或感應耦合電漿質譜儀鑑定出光譜確認分析汙染樣品元素組成，最終以掃描式電子顯微鏡結合能量散佈分析儀器分析汙染樣品剖面區域特定汙染物元素，當該能量散佈分析儀器與該些影像工具結合到一起時，可以提供直徑小至nm的區域進行元素分析。電子束對汙染樣品的撞擊會產生汙染樣品元素的特性X-射線，能量散佈分析儀器分析可用於確定單點的元素成分，可分析膠體金於花崗岩內的擴散情況，繪製出成像區域金元素的橫向濃度分布圖，經過溶質的擴散行為以菲克（Fick）定律表示，溶質在多孔介質中的擴散行為使用Fick第二定律（在介質中的一維擴散方程式），藉由方程式可求得擴散係數，可求得20nm金膠體在花崗岩上的擴散係數參數範圍在10 ^-16m ²/s至10 ^-17m ²/s。

藉此，本發明主要乃利用掃描式電子顯微鏡結合能量散佈分析儀 器分析切割過的岩石或地質樣品剖面，先針對表面進行掃描式電子顯微鏡分析樣品表面影像分析，輔以感應耦合電漿原子放射光譜分析或感應耦合電漿質譜儀鑑定出光譜確認分析汙染樣品元素組成，最終以能量散佈分析儀器掃描，繪製出成像區域汙染物元素的橫向分布，確保放射性汙染物可以於實驗室內進行地質材料的擴散行為研究。

綜上所述，本發明係一種以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評 估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，可有效改善習用之種種缺點，可應用於用過核子燃料最終處置放射性汙染物質於岩石的擴散研究、環保及工業汙染擴散鑑定分析方面，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定 本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

１:岩石樣品 １ａ:岩石薄片樣品 １ｂ:岩石薄片汙染樣品 ２:玻璃片 s11～s14:步驟

第１圖，係本發明分析方法之流程示意圖。 第２圖，係本發明無汙染切割之流程示意圖。 第３圖，係本發明分析方法之影像解析示意圖。

1:岩石樣品

1a:岩石薄片樣品

1b:岩石薄片汙染樣品

2:玻璃片

s11~s14:步驟

Claims (4)

1. 一種以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，其至少包含下列步驟：樣品前處理步驟：取得一岩石樣品，將該岩石樣品進行切割、研磨及拋光之前處理加工，對該岩石樣品切割為岩石薄片樣品中，加工該岩石薄片樣品厚度至0.03~0.5毫米(mm)，再經過研磨及拋光處理成表面平整之岩石薄片樣品；汙染擴散步驟：將表面平整之岩石薄片樣品先進行水飽和處理，再將其浸泡汙染物進行汙染擴散形成岩石薄片汙染樣品；無汙染切割步驟：在該岩石薄片汙染樣品背面貼上玻璃片，切片過程採用鑽石刀划切或雷射劃片方式切割該玻璃片端，該鑽石刀划切係在切割處加一刻痕，使局部應力集中，達成折斷，而該雷射劃片係以高能量密度雷射在脆性材料的玻璃片表面進行掃描，使材料受熱蒸發出一條小槽，然後施加一定壓力，使該玻璃片沿小槽處裂開，使切割完成之岩石薄片汙染樣品可完整黏於該玻璃片上不易碎裂，達成減少切面上的重新分布或汙染；以及掃描分析斷面步驟：對切片處理後之岩石薄片汙染樣品剖面進行掃描式電子顯微鏡(SEM)分析汙染樣品剖面區域影像，輔以感應耦合電漿原子放射光譜分析(ICP-AES)或感應耦合電漿質譜儀(ICP-MS)鑑定出光譜確認分析汙染樣品元素組成，最終以掃描式電子顯微鏡結合能量散佈分析儀器(SEM-EDS)分析汙染樣品剖面區域特定汙染物元素，當該能量散佈分析儀器與該些影像工具結合到一起時，可以提供直徑小至nm的區域進行元素分 析，進行樣品的影像掃描與分析，藉由利用電子束對汙染樣品的撞擊會產生汙染樣品元素的特性X-射線，可用於確定單點的元素成分，分析汙染物元素於該岩石薄片汙染樣品內的擴散程度，繪製出成像區域汙染物元素的橫向濃度分布圖。
2. 依申請專利範圍第1項所述之以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，其中，該岩石樣品係為質地堅硬之花崗岩、玄武岩或安山岩之火成岩。
3. 依申請專利範圍第1項所述之以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，其中，該岩石薄片樣品進行水飽和處理之時間為7~30天。
4. 依申請專利範圍第1項所述之以掃描式電子顯微鏡暨能量散佈分析評估汙染物於完整岩石基質擴散之分析方法，其中，該岩石薄片樣品係浸泡於濃度大於0.001M之汙染物，其浸泡時間為7~30天。

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