LIBS与2D光谱成像组合改进同位素测量

太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的研究人员在测量被其称为"工业之星"合金时，改进了对氢同位素的激光诱导分解光谱（LIBS）的测量。他们在优化具有特定受控环境条件的超快（超短脉冲）激光器时，其分析技术在各种环境下测试氢同位素的激光发射时强度是最强的。在其它用途中，该技术可更快地分析在核反应堆核心经过辐照的材料，并协助开发下一代储氢材料，支持新能源技术，以及当材料暴露于水中时进行腐蚀分析。

LIBS技术需要脉冲激光在样品上产生等离子体，在这种情况下即氢同位素等离子体。激光产生的等离子体发出等离子体羽中不同材料的特征光。这些粒子包括纳米粒子，以及离子、原子和电子。使用 LIBS 检测特定的同位素需要测量原子的极窄发射光谱。由于激光产生的等离子体的极端温度（10，000 K 或更高）扩展了光谱线，因此对于较轻元素（如氢气）的同位素来说是很困难的。

在这项研究中，研究人员在生成等离子体的不同条件下对LIBS进行了研究。他们使用不同的激光产生等离子体并测试不同的分析环境。在激光产生独特的等离子体后的不同时间，以及与成像样本距离不同的情况下，他们收集等离子体发射的光。研究人员使用空间和时间解析的光谱成像，或二维光谱成像。研究小组负责人Sivanandan Harilal说，"2D光谱成像可以让我们跟踪氢同位素的发射在何时何地的强度最强。由于等离子体羽中存在多个物种及其瞬态性质，因此以空间和时间解析的方式对分析等离子体至关重要。"

研究人员已经开发出一种优化的方法，来利用激光诱导的分解光谱（LIBS）分析氢同位素。他们使用二维光谱成像来跟踪氢同位素的发射在何时何地强度最强。此图像显示了一个2D光谱成像示例和距离目标不同时发射强度的变化。OSA 通过 Sivanandan Harilal, Pacific Northwest National Laboratory供图.

该团队的工作以锆合金（特别是 Zircaloy-4）为样本，以确定对氢同位素测量的最佳条件。锆合金用于整个核技术，包括作为在加压水反应堆核燃料棒的包层。测量材料在核反应中捕捉到的氢气量有助于确定材料的性能。结果最终表明，超快激光器产生的等离子体比传统的纳秒激光等离子体更适合氢同位素分析。此外，研究人员说，在中等压力的氦气环境中产生等离子体为分析提供了最好的条件。

Harilal说："氢气存在于所有环境中，因此使用任何分析技术区分环境中要测的氢气是具有挑战性的。我们的结果表明，超快LIBS能够在混合氢环境中区分氢杂质。"研究人员计划进行更多的研究，以进一步优化使用超快激光器用LIBS对氢同位素的分析。