Раздел 1. Физические методы лабораторных исследований минералов

Глава 1. Методы исследования химического состава, кристаллической структуры минералов и особенностей их внутреннего строения

1.1. Лазерный эмиссионный анализ

Лазерный анализ отличается высокой чувствительностью и возможностью одновременного определения большого числа химических элементов в исследуемом полированном образце (аншлифе), что позволяет исследовать химический состав редких минералов и микровключений, благодаря высокой локальности отбора микропробы. При этом не требуется большого количества минерального вещества для анализа и нет необходимости извлекать минерал из полированного образца (аншлифа). Лазерный анализ можно проводить также и для неполированных образцов.

Лазерный анализ основан на использовании явления испарения тонкофокусированным лазерным пучком света анализируемого вещест­ва и получение эмиссионного спектра испарившейся плазмы.

Термин «лазер» расшифровывается переводом начальных англий­ских слов «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». (По-русски это английское выражение означает: «усиление света вынужден­ным излучением».) Благодаря созданию лазеров, стали изучаться нели­нейные оптические спектры. (Нелинейной оптикой в физике называют оптику мощных световых потоков.) Появление перестраиваемых по частоте лазеров привело к созданию методов лазерной нелинейной спектроскопии кристаллов. Для изучения нелинейных оптических свойств минералов были разработаны следующие методы:

• метод когерентной лазерной микроскопии,

• лазерный метод диагностики минералов,

• квантооптический метод.

Лазеры – это оптические квантовые генераторы. Лазерные уста­новки были разработаны после открытия Альбертом Эйнштейном явле­ния индуцированного излучения, которое стало использоваться для усиления электромагнитных волн. Излучение лазера фокусируется на поверхности исследуемого образца, что приводит к накоплению в участке воздействия лазера очень высокой плотности энергии. При этом часть возникающей энергии отражается от поверхности, а другая – поглощается веществом; вещество нагревается до нескольких тысяч градусов Цельсия и быстро испаряется, образуя плазменный факел.

Высокоионизированное вещество образующегося плазменного факела содержит все химические элементы перешедшего в плазменное состояние минерального вещества исследуемой микропробы [11].

В лазерных установках исследуемые образцы фокусируются с по­мощью лазерного микроскопа, который отличается от обычного микро­скопа наличием линз, изготовленных из особо прочных стёкол, которые не могут разрушиться при прохождении лазерного луча. Оптическая ось лазерного микроскопа совмещена с направлением лазерного луча, а фронтальная линза лазерного микроскопа находится на большом рас­стоянии от поверхности исследуемого образца.

Если на образовавшийся плазменный факел воздействовать внешним электрическим зарядом, представляющим собой искровой заряд, то получается оптический эмиссионный спектр. В лазерных установках система электрического довозбуждения включает два электрода, изготовленных обычно из угля. Угольные электроды расположены между исследуемым образцом

а – в ультрафиолетовом плазменном спектрографе

1 – источник света, 2 – коллиматорная линза, 3 – кварцевая призма Корню, 4 – камерная линза, 5 – фотопластинка

б – в спектрографе с плоской дифракционной решеткой

1 – источник света, 2, 3 – система фокусирующих линз, 4 – входная щель, 5 – диафрагма, 6 – поворотное зеркало, 7 – сферическое вогнутое зеркало, 8 – поворотный столик, 9 – дифракционная решетка, 10 – фотопластинка

Рис. 1. Схема хода лучей в спектрографах, применяемыхв эмиссионной лазерной установке (по Г.Менке и Л.Менке, 1968)

и объективом лазерного микроскопа и соединены с генератором возбуждения. Оптические приспособления позволяют проектировать искровой разрядный импульс в щель спектрографа, который разлагает полученное излучение в спектр. Спектр регистрируется на фотопластинку (рис. 1).

Количество испарённого лазерным лучом вещества контролируется путём измерения диаметра и глубины образующегося в исследуемом образце плазменного кратера. Испускаемые кванты электромагнитной энергии фиксируют спектральные линии, которые составляют эмиссионный спектр. Каждый химический элемент характеризуется только свойственным ему эмиссионным спектром. Следовательно, по спектральным линиям можно определить присутствие химических элементов в плазменном факеле, образовавшимся из ионизированного минерального вещества микропробы.

Интенсивность спектральных линий (J) и концентрация химического элемента (С) связаны между собой закономерной зависимостью:

J = а С^b или lgJ=blgC + lg a,

где а и b – постоянные величины, зависящие от аналитической линии свойств оптического источника.

С помощью лазерного анализа можно исследовать элементы-примеси в породо- и рудообразующих минералах. В качестве эталонов используются природные и синтетические кристаллы с характерными наборами элементов-примесей.