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《名家專欄》激光等離子體光譜技術(shù)（LIPS）系列專欄第二篇文章引領，邀請(qǐng)中國原子能科學(xué)研究院高智星研究員及其團(tuán)隊(duì)自動化裝置，分享LIPS在核材料的檢測(cè)分析和安全查證等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖1. LIPS裝置和原理示意圖（來自網(wǎng)絡(luò)）

核材料實(shí)驗(yàn)室分析

目前應用前景，實(shí)驗(yàn)室LIPS技術(shù)在核材料化學(xué)元素成分和核素成分分析方面已經(jīng)取得了良好的效果有很大提升空間。在實(shí)驗(yàn)室條件下，LIPS可以使用高性能激光設(shè)備預下達，合適的氣體環(huán)境和高分辨率的有效手段、高響應(yīng)效率的光譜儀進(jìn)行檢測(cè)統籌推進，以獲得最佳的光譜分析結(jié)果方案。對(duì)于鈾礦石、黃餅了解情況、核燃料深入、裂變產(chǎn)物、乏燃料等不同樣品重要的，在實(shí)驗(yàn)室條件下開展研究，鈾、釷相互融合、钚首要任務、鈰、銫更加完善、鍶等關(guān)鍵元素和鋰形式、鎂、錳支撐作用、鈉等雜質(zhì)元素都能通過LIPS得到量化^[1]日漸深入。在這些LIPS定量工作中，包括外部標(biāo)準(zhǔn)化和內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化等經(jīng)典的定標(biāo)方法以及支持向量機(jī)（SVM）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等機(jī)器學(xué)習(xí)方法都得到了應(yīng)用^[2]同時。核材料分析中比較在意的同位素比率互動式宣講，可以通過LIPS根據(jù)原子發(fā)射光譜的同位素位移進(jìn)行區(qū)分和分析。這種同位素位移通常非常小模式，一般需要在實(shí)驗(yàn)室條件下通過高分辨率光譜儀和合適的實(shí)驗(yàn)條件（較長(zhǎng)的延遲時(shí)間和較低的壓力環(huán)境）才能進(jìn)行檢測(cè)自動化。目前，鈾高品質、钚等元素的同位素可以通過LIPS進(jìn)行分辨落地生根，并用于同位素比率的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)^[3–5]。

圖2. 424.437 nm U II 同位素特征譜線 (Applied Spectroscopy, 66(3): 250-261, 2012)

核安保現(xiàn)場(chǎng)取證應(yīng)用

核安保是確保核能和平有效保障、安全利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)大數據，對(duì)國家安全具有重要意義。核安保涉及多個(gè)環(huán)節(jié)和程序的復(fù)雜過程講實踐，應(yīng)對(duì)核走*和恐*主義威脅數字技術，打擊涉核材料的非法轉(zhuǎn)移是核安保工作的重要任務(wù)。查獲涉核材料只是第一步市場開拓，獲取其放射性措施、物理特性和同位素、元素成分等特征信息以進(jìn)行溯源是核安保工作的重要內(nèi)容要落實好。目前對(duì)于元素成分的現(xiàn)場(chǎng)非破壞分析緊密相關，還沒有成熟的解決方案。現(xiàn)有元素成分分析技術(shù)大多需要樣品預(yù)處理先進技術，難以開展無損分析培訓，并且無法在第一時(shí)間提供可疑材料的元素成分信息。

LIPS具有原位宣講手段、快速重要工具、非接觸和設(shè)備可便攜等優(yōu)勢(shì)，可以用于元素成分的現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)別配套設備，國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)因此將其列為核安保領(lǐng)域建議發(fā)展的新型無損檢測(cè)技術(shù)非常激烈，并協(xié)調(diào)成員國開展了相關(guān)技術(shù)的研究和驗(yàn)證^[6]。據(jù)報(bào)道引人註目，2010年左右領域，美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的背負(fù)式激光光譜探測(cè)系統(tǒng)已用于礦石和金屬樣品中的鈾成份探測(cè),對(duì)鈾元素的探測(cè)靈敏度達(dá)到450 PPM^[7]。2014年在國際原子能機(jī)構(gòu)組織的黃餅及鈾氧化物現(xiàn)場(chǎng)甄別測(cè)試中好宣講，加拿大提供的NRC-IMI裝置成功地識(shí)別并區(qū)分出74種不同來源核黃餅^[8]註入新的動力。據(jù)悉，加拿大已成功地向國際原子能機(jī)構(gòu)提供了該款便攜式LIPS應(yīng)用裝備新產品。2020年去完善，我們團(tuán)隊(duì)研制了一種便攜式核材料激光甄別裝置^[9]，該裝置能識(shí)別鈾長遠所需、釷求索、钚等18種元素，其中對(duì)鈾的探測(cè)靈敏度達(dá)到幾十PPM規模。

圖3. 美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室（左）和加拿大NRC（右）研發(fā)的激光光譜應(yīng)用裝備(IAEA Symposium on International Safeguards, Vienna, 2010 ; IAEA Symposium on International Safeguards, Vienna, 2014)

圖4. 中國原子能科學(xué)研究院研制的便攜式核材料激光甄別裝置

核材料元素成分的原位定量存在一定難度穩定發展，特別是對(duì)于核安保的現(xiàn)場(chǎng)取證，待分析樣本往往是隨機(jī)的聯動，其成分未知增持能力，這就對(duì)分析技術(shù)提出了更高的要求共同努力。常規(guī)的LIPS定標(biāo)方法依賴于標(biāo)準(zhǔn)樣品，并且受到基質(zhì)效應(yīng)的影響追求卓越，在面對(duì)未知成分的樣本時(shí)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析逐漸完善。因而國內(nèi)外都在積極探索新的定量方法，比如機(jī)器學(xué)習(xí)算法等合理需求。

在LIPS定量方法中是目前主流，有一種免定標(biāo)方法（Calibration-Free LIPS，CF-LIPS/ CF-LIBS）^[10]高質量。這種方法在無需依賴標(biāo)準(zhǔn)樣品的情況下充分發揮，通過直接分析LIPS光譜和特征譜線原子參數(shù)，能夠計(jì)算得到等離子體特征參數(shù)和元素組成管理。該方法能夠有效避免基質(zhì)效應(yīng)的影響設計，在復(fù)雜的樣品背景下，仍能保持較高的可靠性改進措施，對(duì)于不明核材料的現(xiàn)場(chǎng)定量取證具有顯著的優(yōu)勢(shì)就此掀開。我們團(tuán)隊(duì)今年發(fā)展了基于CF-LIPS的涉核材料定量技術(shù)。通過提出統(tǒng)一溫度的CF-LIPS新方法并建立光譜分析程序實踐者，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了LIPS現(xiàn)場(chǎng)原位的高效快速定量取得明顯成效，一次光譜的定量計(jì)算耗時(shí)在數(shù)秒之內(nèi)約定管轄。該技術(shù)已應(yīng)用于鈾礦石和不明核燃料的成分定量測(cè)試中數據，為核安保領(lǐng)域提供了一種全新的、高效的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段發揮。

圖5. 鈾礦石粉末壓片（左）和核燃料碎片（右）樣品

圖6. 鈾礦石粉末壓片（左）和核燃料碎片（右）的CF-LIPS元素分析結(jié)果

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人物介紹

高智星顯著，研究員，主要從事激光與物質(zhì)相互作用開放以來、激光等離子體光譜研究占。參與并負(fù)責(zé)科技部、裝備發(fā)展部多項(xiàng)科技發(fā)展項(xiàng)目提供了有力支撐。相關(guān)工作發(fā)表論文20余篇激發創作，授權(quán)專*10余項(xiàng)，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人進一步意見。

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