国产一级一级理论片一区二区_久久综合图区亚洲综合图区_国产精品V欧美精品av日韩_日韩精品成人在线_亚洲欧美日韩动漫_国产精品一二三区在线观看公司_日韩成人无码一区二区三区

激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)（LIPS, 又稱激光誘導(dǎo)擊穿光譜, LIBS）是一種原子發(fā)射光譜分析技術(shù)穩定發展。它利用高能激光脈沖在樣品表面或透明物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生等離子體至關重要，并通過等離子體中元素特征光譜的波長和強度分析樣品的元素種類和含量，具有微損服務品質、遠程的發生、非接觸、檢測速度快等優(yōu)勢影響，可實現(xiàn)多元素同步檢測新的動力、在線實時檢測和設(shè)備小型化，適應(yīng)輻射環(huán)境等惡劣復(fù)雜場景發展契機，被廣泛應(yīng)用于核材料廣泛關註、氣溶膠、放射性污染物發力、礦物探測等領(lǐng)域鍛造。

《名家專欄》激光等離子體光譜技術(shù)（LIPS）系列專欄，榮幸地邀請到了中國原子能科學(xué)研究院高智星研究員及其團隊持續創新，他們將在激光等離子體光譜技術(shù)基本原理改善、發(fā)展現(xiàn)狀與前沿應(yīng)用等多角度進行深入解讀，帶來前沿的知識分享協調機製。

引言

數(shù)百年前信息化，人們就意識到光譜可以提供太陽等物質(zhì)的化學(xué)和元素組成的信息（圖1）。激光的出現(xiàn)為光譜學(xué)提供了亮度更高實踐者、空間分辨和頻率分辨能力更好的光源取得明顯成效。上世紀(jì)60年代，激光出現(xiàn)不久數據，當(dāng)科技人員就在將他們的新玩具（脈沖激光）指向金屬表面時創新的技術，觀察到了明顯的火花。人們迅速意識到，利用激光在樣品表面或者透明物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的等離子體快速增長，可以開展物質(zhì)成份的原子輻射光譜分析開放以來，獲取目標(biāo)物的化學(xué)元素甚至核素的構(gòu)成、空間分布和時空演化信息高質量。今天提供了有力支撐，我們把這種技術(shù)手段稱為激光等離子體光譜（LIPS：laser induced plasma spectroscopy），也叫激光擊穿光譜（LIBS：laser induced breakdown spectroscopy）前景。

圖1. 約瑟夫·馮·夫瑯和費Joseph von Fraunhofer和太陽光譜（來自網(wǎng)絡(luò)）

原理

圖2展示了激光等離子體光譜工作的三個階段進一步意見。它始于脈沖激光與物質(zhì)的相互作用過程——當(dāng)聚焦到目標(biāo)物表面或者透明物質(zhì)內(nèi)部的激光強度超過閾值時，將發(fā)生光學(xué)擊穿現(xiàn)象落到實處，此時可以觀察到激光等離子體形成的火花服務水平。激光等離子體的產(chǎn)生主要是一個非線性吸收過程（多光子效應(yīng)），而非共振吸收過程技術創新，對激光波長的依賴并不明顯應用擴展，這不但為激光參數(shù)的選擇提供了較大的空間，也使LIPS技術(shù)的應(yīng)用具有無需采樣-預(yù)處理過程增多、檢測周期短、適應(yīng)性強的特點有望，可以用于固進一步推進、液、氣及浮質(zhì)目標(biāo)物的成份原位探測方案。同時激光具有良好的指向性應用的選擇，激光輻照面積和深度可以控制在微米量級，這使LIPS技術(shù)具有較好的空間分辨能力——利用LIPS裝置對樣品進行空間掃描左右，可以實現(xiàn)微米分辨的元素成份分布背景下。

圖2. 激光等離子體光譜裝置原理示意圖

第二階段涵蓋從等離子體產(chǎn)生到原子-分子光譜輻射過程，持續(xù)時間一般在微秒量級（圖3）可靠保障。激光等離子體的空間體積小自然條件，具有較大的溫度、密度梯度開展；持續(xù)時間短互動互補，演化過程溫度梯度變化劇烈，這在一定程度上影響了LIPS探測的性能意向。為改善LIPS探測的靈敏度和精準(zhǔn)度意料之外，近年來業(yè)內(nèi)也在不斷嘗試利用等離子體二次加熱（比如多脈沖、微波輔助）形式、磁約束置之不顧、空間約束等方法延長等離子體的持續(xù)時間，抑制等離子體演化的不穩(wěn)定性和譜線展寬。

圖3. 激光等離子體輻射的演化過程

（David Cremers And Lean J Radzaiemski, Handbook Of Laser Induced Breakdown Spectroscopy）

第三階段涵蓋光譜信號采集和解析過程方便，可以實現(xiàn)靈敏度接近PPM量級的多原子譜線的同步識別與多元素成份定量基礎上。其基本過程和所能實現(xiàn)的性能與傳統(tǒng)的等離子體光譜分析技術(shù)類似（比如ICP-AES）。光電探測系統(tǒng)的發(fā)展相對成熟知識和技能，今后主要發(fā)展方向可能是針對具體應(yīng)用進一步提高探測效率以滿足超痕量成份的探測需求取得顯著成效，或者提升光譜解析能力以滿足核素測量的需求。光譜信號的數(shù)據(jù)預(yù)處理則主要包括連續(xù)輻射本底的扣除更加廣闊、根據(jù)前兩個階段獲取的信息對光譜進行強度修正和尋峰定位規劃。近年來光譜數(shù)據(jù)的處理主要關(guān)注定量測量的精準(zhǔn)度問題。隨著人工智能的發(fā)展和在光譜預(yù)處理中的應(yīng)用可以使用，可能從元素光譜數(shù)據(jù)中提取到更穩(wěn)定和準(zhǔn)確的譜線信息進入當下，進一步提升LIPS探測的精準(zhǔn)性。

核科學(xué)應(yīng)用

LIPS技術(shù)所具有的無需樣品預(yù)處理效高化、損耗少新體系、可遠程/原位探測、響應(yīng)速度快等技術(shù)特點非常符合涉核作業(yè)要求輻射防護要素（遠距離創造、短時間不難發現、最小量），引起了核科學(xué)技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的極大興趣設備製造。激光與物質(zhì)相互作用過程沒有傳統(tǒng)意義上的物理接觸發展需要，光信號可以遠距離傳輸，這有助于減少操作人員管理、設(shè)備和環(huán)境對化學(xué)毒性顯示、放射性等有害因素的接觸，控制沾染物效率和安、廢棄物的處置量設計能力。激光與物質(zhì)作用區(qū)域可以控制在微米量級，相應(yīng)激光燒蝕產(chǎn)生的質(zhì)量損失可以控制在微克量級甚至更低深入開展，可以認為是無損耗測量更為一致，有利于環(huán)境污染的最小化。LIPS響應(yīng)時間快技術的開發，激光與物質(zhì)相互作用和等離子體光譜探測時間在亞毫秒量級至關重要，可以極大降低作業(yè)人員的放射性暴露時間。

上世紀(jì)80年代開始服務品質，美國洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）就嘗試利用激光等離子體光譜開展工作場所氣溶膠有害成份和硝酸鈾等涉核物質(zhì)的原位探測（圖4）的發生。他們建立的實驗室裝置對氣溶膠中鈹元素的直接探測的靈敏度接近0.6 ppb，相當(dāng)于每立方米空氣中的鈹含量接近0.8μg影響。實驗裝置對鈾溶液的探測限也達到了100mg/L新的動力，相當(dāng)于100 ppm的過程中。同一時期，他們還嘗試開展了工業(yè)（熔鹽）及環(huán)境介質(zhì)（土壤）中痕量涉核元素的探測廣泛關註。這些工作充分展示了LIPS技術(shù)在現(xiàn)場適應(yīng)性過程中、靈敏度、探測效率等方面的潛力能運用，并為現(xiàn)場應(yīng)用裝備的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)達到。

圖4. 用于涉核氣溶膠、溶液成份和固體材料成份探測的LIPS應(yīng)用裝備

（Handbook Of Laser Induced Breakdown Spectroscopy,David Cremers And Lean J Radzaiemski）

光譜儀分辨率的提高使利用LIPS技術(shù)開展某些關(guān)鍵核素豐度的現(xiàn)場測量成為可能不可缺少。1998年蓬勃發展，法國原子能研究機構(gòu)（CEA）公開報道了利用激光等離子體測定鈾產(chǎn)品豐度的工作（圖5）。大約兩年后積極回應，美國洛斯阿拉莫斯實驗室就在內(nèi)部刊物上報道了钚豐度測量的進展（圖6）重要性。2012年前后，加拿大的核管委會（NRC）和橡樹嶺實驗室曾經(jīng)分別報道了可以在開放環(huán)境中對核材料豐度進行現(xiàn)場測量的應(yīng)用裝備（圖4 右）多種場景。最近多元化服務體系，橡樹嶺實驗室（ORNL）和勞倫斯伯克利實驗室（LBNL）實驗室正在積極發(fā)展基于LIPS的鈾濃縮過程豐度在線監(jiān)控技術(shù)。這表明國外基于激光等離子體光譜的核素豐度測量技術(shù)已經(jīng)脫離了實驗室研究階段擴大公共數據，開始面向現(xiàn)場應(yīng)用和工業(yè)場景發(fā)展實用化裝備深度。

圖5. 鈾豐度的LIPS探測光譜

（W. Pietsch ，et al, Isotope ratio determination of uranium by optical emission spectroscopy on a laser-produced plasma, Spectrochimica Acta Part B,53(1998):751-761）

圖6. 钚豐度的LIPS探測

（239Pu/240Pu Isotope Ratios Can Be Determined Using LIBS, Nuclear Materials Technology/Los Alamos National Laboratory, 4th quarter 2000）

圖7. 濃縮鈾在線監(jiān)控的驗證裝置

（G.C.-Y. Chan et al, Analytical characterization of laser induced plasmas towards uranium isotopic analysis in gaseous uranium hexafluoride ,Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 176 (2021) 106036）

鑒于激光等離子體光譜技術(shù)在現(xiàn)場適用性核心技術體系、探測效率開拓創新、靈敏度、時空分辨能力等方面具有的*特優(yōu)勢初步建立，國際原子能機構(gòu)在2004年前后已經(jīng)把它列為核安全安保領(lǐng)域發(fā)展的非傳統(tǒng)探測技術(shù)，鼓勵各成員國開發(fā)各類核取證應(yīng)用裝置供給。法國原子能機構(gòu)公開了包括激光等離子體光譜技術(shù)的激光光譜技術(shù)應(yīng)用規(guī)劃的方法。美國建立了一個由國家實驗室和大學(xué)組成的核科學(xué)與安全聯(lián)盟（NSSC：Nuclear Science And Security Consortium），他們也把發(fā)展激光等離子體光譜等核材料遠程探測與表征技術(shù)和應(yīng)用裝備作為重要工作內(nèi)容進行探討。

圖8. 國際原子能機構(gòu)設(shè)想的應(yīng)用裝備

（IAEA工作報告落到實處，N. Khlebnikov, D. Parise, J. Whichello,Novel technologies for the detection of undeclared nuclear activities, IAEA-CN-148/32 ,2007）

圖9. 法國原子能委員會的激光光譜應(yīng)用設(shè)想

（P. Mauchien , A. Pailloux And T. Vercouter, Applications Of Laser Spectroscopy In Nuclear Research And Industry, Laser Spectroscopy For Sensing,Fundamentals, Techniques And Applications 2014, 522-543）

我國的科技工作者也關(guān)注到激光等離子體光譜技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在地質(zhì)最新、工業(yè)應(yīng)用技術創新、海洋和外空間探測等領(lǐng)域進行了諸多探索。早在2004年重要作用，中國原子能科學(xué)研究院就呼吁開展激光等離子體光譜在核科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究持續向好。但由于核材料的敏感性，僅有中國原子能科學(xué)研究院充足、中國工程物理研究院進展情況、核工業(yè)化工冶金研究院少數(shù)幾家專業(yè)研究機構(gòu)開展了少量相關(guān)研究建強保護。比如，中國原子能科學(xué)研究院的研究團隊針對核安全保障的需求生產效率，建立了可移動的氣溶膠成份連續(xù)監(jiān)測裝置和背負式核材料現(xiàn)場識別裝置使命責任。目前，原子能院利用LIPS裝置直接測量重金屬氣溶膠的探測限已經(jīng)突破了亞PPT量級使用，實現(xiàn)了10ng/m³含鈾氣溶膠的實時監(jiān)測合規意識。此外，清華大學(xué)有效性、四川大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校也嘗試將LIPS技術(shù)的應(yīng)用拓展到涉核物質(zhì)的成份探測創新內容，領(lǐng)域比如王哲教授和段憶翔教授的研究團隊已經(jīng)分別與專業(yè)研究單位合作開展了鈾礦石成份的原位探測方面的研究。但是力量，客觀上要進一步推動和促進LIPS在我國核科學(xué)技術(shù)和核工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用我有所應，仍然有必要建立一個與美國NSSC相似的，以專業(yè)原子能研究機構(gòu)為核心深入實施、涵蓋高校和產(chǎn)業(yè)界的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟至關重要，開展有組織的技術(shù)裝備研發(fā)和應(yīng)用。

人物介紹

高智星效果，研究員有所應，主要從事激光與物質(zhì)相互作用、激光等離子體光譜研究合作關系。參與并負責(zé)科技部著力提升、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余篇傳遞，授權(quán)*利10余項融合，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。

免責(zé)說明

北京卓立漢光儀器有限公司公眾號所發(fā)布內(nèi)容（含圖片）來源于原作者提供或原文授權(quán)轉(zhuǎn)載相關性。文章版權(quán)完成的事情、數(shù)據(jù)及所述觀點歸原作者原出處所有，北京卓立漢光儀器有限公司發(fā)布及轉(zhuǎn)載目的在于傳遞 更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享穩定。

如果您認為本文存在侵權(quán)之處改造層面，請與我們聯(lián)系，會第一時間及時處理優勢與挑戰。我們力求數(shù)據(jù)嚴謹準(zhǔn)確經驗分享，如有任何疑問，敬請讀者不吝賜教趨勢。我們也熱忱歡迎您投稿并發(fā)表您的觀點和見解系列。