《名家專欄》激光等離子體光譜技術(shù)（LIPS）系列專欄第七篇文章探討，邀請中國原子能科學(xué)研究院高智星研究員不負眾望、王遠航老師及其團隊，分享激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)在放射性污染物監(jiān)測中應(yīng)用調解製度。
LIBS在放射性污染物檢測應(yīng)用性能優(yōu)勢
核燃料的安全精準調控、高效循環(huán)是保障核能可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。在核燃料的生產(chǎn)深化涉外、反應(yīng)堆的運行體系、核燃料的后處理等過程中都不可避免地產(chǎn)生一定量的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)放射性污染物開展試點，如果處理不當會導(dǎo)致放射性污染攜手共進，嚴重危害生態(tài)環(huán)境。放射性污染物中核素種類和濃度的準確檢測是安全處理的前提，激光誘導(dǎo)等離子體光譜（Laser-Induced Plasma Spectroscopy, LIPS）作為一種非接觸的元素分析技術(shù)大部分，在放射性污染物快速識別和監(jiān)測領(lǐng)域具有以下獨*優(yōu)勢：（1）分析過程無接觸強大的功能。LIPS在檢測放射性樣品時，通過將一束高能激光照射樣品表面完成取樣解決方案、汽化優勢、等離子體激發(fā)全過程，采用光探測器收集等離子體輻射光子后可獲得等離子體輻射光譜增產，全程不接觸放射性樣品便利性，分析過程更為安全；（2）遠程檢測行動力。將LIPS系統(tǒng)與卡塞格林望遠鏡系統(tǒng)或牛頓望遠鏡系統(tǒng)結(jié)合后提供有力支撐，可以在數(shù)米至數(shù)十米的距離上對放射性樣品進行元素分析，可有效避免放射性樣品污染檢測系統(tǒng)保供，滿足高放射性樣品的遠程檢測需求自行開發；（3）在做好防護條件下，具有較好的環(huán)保性責任。在檢測固態(tài)放射性樣品時應用情況，AAS、ICP-MS等化學(xué)分析技術(shù)需要對樣品進行消解處理組建，消解過程容易產(chǎn)生廢氣表現、廢液，造成環(huán)境污染深刻變革。LIPS技術(shù)無需對樣品進行消解處理結論，檢測過程不產(chǎn)生廢氣、廢液質生產力、廢渣適應性強，環(huán)保性較好。本文針對LIPS技術(shù)在氣態(tài)處理、液態(tài)和固態(tài)放射性污染物監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用進行介紹建設。
圖1. (a)增強型等離子體輻射光譜收集器結(jié)構(gòu)示意圖及采用不同光譜收集方法采集到的空氣特征光譜,(b)原始光譜,(c)扣除背景后的光譜[2]
氣態(tài)放射性污染物監(jiān)測
在氣態(tài)放射性污染物監(jiān)測領(lǐng)域，中國原子能科學(xué)研究院高智星等[2]采用增強型LIPS技術(shù)對環(huán)境空氣中懸浮顆粒物的元素組成進行了連續(xù)監(jiān)測開展研究，使用圖1所示的增強型等離子體輻射光譜收集器將光譜收集效率提升約50倍姿勢，成功探測到了環(huán)境空氣中ng/m3量級的鈾（U）元素和釷（Th）元素。在此基礎(chǔ)上首要任務，中國原子能科學(xué)研究院王祥麗等[3,4]采用氣體過濾膜對核設(shè)施排放氣體進行過濾綠色化，采用LIPS技術(shù)對過濾膜中的鈾元素、钚元素進行了定量分析發展，對鈾元素含量的測量值相對標準偏差（RSD）小于10 %保持穩定，對钚元素的測量值相對標準偏差（RSD）小于3 %。何洪鈺等[5]采用LIPS技術(shù)對氣溶膠中的鍶元素進行直接探測，利用條件分析法對原始光譜進行篩選后支撐作用，將平均光譜信噪比提升約8倍研學體驗，利用累計光譜取代平均光譜后將氣溶膠中鍶元素的檢出限提升約3個數(shù)量級，達到1.3 mg/m3最為突出。
液體放射性污染物監(jiān)測
在液體放射性污染物監(jiān)測領(lǐng)域落實落細，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室J. R. Wachter等[6]配置了濃度范圍0.1-300 g/L的鈾溶液，采用LIPS對溶液中的鈾元素進行直接檢測高效化，根據(jù)U II 409.0 nm特征譜線繪制了鈾元素定量分析定標曲線製高點項目，得到溶液中鈾元素的檢出限為0.1 g/L。當采用LIPS檢測液體樣品時範圍和領域，激光擊穿液體表面會造成液體飛濺和液面波動有所增加，嚴重影響等離子體穩(wěn)定性；同時等離子體猝滅效應(yīng)會減弱等離子體輻射光譜強度更高要求，縮短等離子體壽命越來越重要的位置。以上因素導(dǎo)致LIPS對液體樣品中元素檢測準確度差、靈敏度低共同學習。因此結構重塑，研究人員采用液固轉(zhuǎn)化法、電化學(xué)富集法等多種方法對液體樣品進行處理應用優勢。印度Bhabha原子能研究中心的A. Sarkar等[7]以薄膜濾紙作為載體，將溶液滴加在濾紙上干燥后對其中的鈾（U）元素全方位、釷（Th）元素進行定量分析高效節能；其中，利用U II 367.007 nm特征譜線獲取的鈾元素檢出限為18.5 ppm大局，檢測結(jié)果與真實值之間的偏差在2%以內(nèi)培訓，利用Th II 401.913 nm特征譜線獲取的釷元素檢出限為0.72 ppm，檢測結(jié)果與期望值之間的偏差在4%以內(nèi)宣講手段。A. Sarkar等[8]采用LIPS檢測了模擬高放射性廢液中的鉑族元素鈀（Pd）重要工具、銠（Rh）、釕（Ru）配套設備，檢測結(jié)果與期望值之間的偏差在10 %以內(nèi)更優質。蘭州大學(xué)崔祖文等[9]以石墨作為基底，將硝酸雙氧鈾溶液涂抹在石墨表面自然晾干后進行LIPS分析推進高水平；實驗結(jié)果表明脫穎而出，樣品濃度低于5.0′10-3 mol/m2時，鈾特征譜線歸一化強度與鈾濃度存在較好的線性關(guān)系生產創效。西南科技大學(xué)楊怡等[10]采用電化學(xué)富集法結構，以石墨棒作為陰極，對水溶液中的鈾（U）元素富集后進行LIPS檢測，實驗裝置如圖2所示能力建設；研究結(jié)果表明模樣，在光電雙脈沖激發(fā)下，通過鈾元素特征譜線U II 367.007 nm和U II 409.013 nm構(gòu)建了定量分析定標曲線服務，獲得的鈾元素檢測下限分別為25.89和15.00 mg/L很重要，相關(guān)系數(shù)均大于0.98。
圖2.（a）電化學(xué)富集裝置示意圖大型，（b）LIPS裝置結(jié)構(gòu)示意圖[10]
固態(tài)放射性污染物監(jiān)測
在固態(tài)放射性污染物監(jiān)測領(lǐng)域服務效率，德國卡爾斯魯厄研究中心核能研究所J. Yun等[11,12]將LIPS技術(shù)應(yīng)用于高放射性廢液玻璃固化體元素分析，實現(xiàn)了鎂（Mg）重要意義、鈣（Ca）統籌發展、鋁（Al）、鈦（Ti）體系、鐵（Fe）生產製造、鍶（Sr）、釹（Nd）攜手共進、鋯（Zr）等多種元素的原位共同、同步、快速檢測經過，證明了LIPS技術(shù)在玻璃固化體元素分析領(lǐng)域的可行性簡單化。韓國國家原子能研究院核化學(xué)研究中心E. Jung等[13]采用LIPS定量檢測了高放射性玻璃固化體中的核裂變產(chǎn)物U和Eu，研究了355 nm和532 nm兩種不同波長激光對采樣特征譜線強度的影響管理，如圖3所示設計；通過鈾元素特征譜線U I 358.488 nm和Eu I 459.403 nm構(gòu)建了定標曲線，獲得的鈾元素和銪元素檢出限分別達到150 ppm和4.2 ppm改進措施。印度Bhabha原子能研究中心的A. Sarkar等[14]采用便攜式LIPS系統(tǒng)定量分析了硼硅酸鋇玻璃基體中包裹的鈾元素就此掀開，對激光能量、采集延時等參數(shù)進行了優(yōu)化今年，分析了環(huán)境氣體氛圍對鈾特征譜線強度的影響穩步前行；研究結(jié)果表明，激光能量100 mJ動手能力，采集延時2.75 ms條件下U II 367.007 nm特征譜線信背比（SBR）最大逐步改善，在氬氣氛圍中，鈾元素特征譜線強度比在空氣中提高約5倍提升。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校L. Liu等[15]將LIPS技術(shù)與激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)（Plasma-induced fluorescence spectroscopy, PIFS）相結(jié)合自動化裝置，對鋯石玻璃基體中的痕量鈾元素進行了定量分析，檢出限為154 ppm應用前景。
圖3.（a）532 nm和（b）355nm波長激光在SRM610玻璃固化體表面的燒蝕坑及（c）特征譜線強度對比
響應(yīng)時間有很大提升空間、精確度運行好、準確度、靈敏度和便攜性五個維度是評價LIPS技術(shù)在放射性污染物監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的重要指標可能性更大。目前看來部署安排，時間響應(yīng)、靈敏度和便攜性可以滿足放射性污染監(jiān)測需求技術。但是受制于等離子體激發(fā)-演化過程不穩(wěn)定性和自吸收效應(yīng)影響推廣開來，LIPS測量的精確度和準確度距離應(yīng)用需求存在一定差距，需要對等離子體產(chǎn)生和演化過程物理機理研究的進一步深入相對較高。同時資源配置，由于監(jiān)測環(huán)境的特殊性，需要針對強輻射應(yīng)用場景開展針對性的專用儀器研發(fā)相關。相信隨著相關(guān)技術(shù)的進步大力發展，LIPS技術(shù)在放射性污染物監(jiān)測領(lǐng)域?qū)玫竭M一步的推廣和應(yīng)用。
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人物介紹
高智星生產效率，研究員產能提升，主要從事激光與物質(zhì)相互作用、激光等離子體光譜研究節點。參與并負責(zé)科技部充分發揮、裝備發(fā)展部多項科技發(fā)展項目。相關(guān)工作發(fā)表論文20余篇成就，授權(quán)專*10余項重要方式，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。
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