改进核反应堆材料分析优化的LIBS技术

据悉，来自太平洋西北国家实验室研究人员报告了一种利用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析氢同位素的优化方法。他们的新发现可以改进对氢和其他轻同位素的快速识别和测量，这项研究对于核反应堆材料及其他应用具有重要意义。
      LIBS在测量氢同位素方面很有前途，因为它不需要样品制备，而且可以用一个相对简单的实验装置快速获得数据。然而，用这种分析技术来定量氢的浓度一直具有挑战性。
      在OSA期刊《Optics Express》上，太平洋西北国家实验室的研究人员表示，将具有超短脉冲的超快激光器与特定的环境条件结合起来，有助于提高LIBS对重要工业合金中氢同位素的测量。这种优化的技术可以使对核反应堆堆芯中辐照过的材料进行更快的分析。 研究小组负责人认为，改进的氢同位素化学成像技术，就像他们在这项工作中所做的那样，可以用来监测提供能量的核反应堆中材料的行为。它对于下一代氢储存材料的开发也非常有价值，这种材料可以用于实现新能源技术，也可以分析材料暴露在水中时的腐蚀情况。
测量同位素
      在新的研究中，研究人员努力寻找测量锆-4中氢同位素的最佳条件。锆合金广泛应用于核技术，包括作为压水堆核燃料棒的包覆层。测量在反应堆运行过程中材料吸收了多少氢对于理解材料的性能是很重要的。
       为了进行LIBS，使用脉冲激光器在样品上产生等离子体。激光产生的等离子体发出的光具有等离子羽中不同物种的特征，如离子、原子、电子和纳米粒子。 使用LIBS来探测特定的同位素需要测量原子极窄的发射光谱。这对氢等轻元素的同位素来说是困难的，因为激光产生的等离子体的极端温度为10000K或更高，这会使光谱线拓宽。
       在这项研究中，研究人员使用不同的激光产生等离子体，并测试不同的分析环境，在不同的等离子体产生条件下执行LIBS。在等离子体产生后，使用的是时空分辨光谱成像或2D光谱成像，在不同时间以及与样本的不同距离处收集发射光。 研究人员表示，二维光谱成像让他们可以追踪何时何地氢同位素发射最强。由于等离子体羽流中存在多种物质及其瞬态性质，因此以空间和时间解析的方式分析等离子体是至关重要的。
超快的是最好的 
       结果表明，用超快激光产生的等离子体比传统的纳秒激光产生的等离子体更适合氢同位素分析，而在中等压力的氦气环境中产生的等离子体是最佳的分析条件。研究人员还表示，氢存在于所有环境中，这使得使用任何分析技术将需要测量的氢与环境中的氢区分开来具有挑战性。他们的结果表明，超快LIBS能够区分氢杂质和溶质氢。

图：用于纳秒和飞秒激光烧蚀和光发射光谱的实验装置示意图。