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《名家專欄》激光等離子體光譜技術（LIPS）系列專欄第八篇文章，邀請中國原子能科學研究院高智星研究員基礎、王遠航老師及其團隊提供堅實支撐，分享激光誘導等離子體光譜技術在鈾礦探測領域的應用。

核能是一種重要的清潔能源經過，具有低碳簡單化、環(huán)保、高效的優(yōu)勢明確了方向。核能的開發(fā)和利用不受季節(jié)系統性、天氣等自然條件的影響，與風能單產提升、太陽能相比更加穩(wěn)定[1,2]傳遞。近十年來我國核能開發(fā)力度持續(xù)增加，截至2023年勞動精神，我國核能發(fā)電量達到4334億度開展攻關合作，核電在電力結構中的占比達到4.86%[3]。國家發(fā)改委發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》指出預下達，要加快推動能源綠色低碳轉型逐步改善，壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)，積極安全有序發(fā)展核電提升。預計在2030年大大提高，我國核電發(fā)電量占總發(fā)電量比例將達到10 %，核能在我國能源結構中的重要性將進一步提升[4]。

圖1. 2015-2023中國核能發(fā)電量統(tǒng)計[3]

鈾礦的精準取得了一定進展、高效探測是確保核燃料可靠供給和核能可持續(xù)發(fā)展的前提完善好。激光誘導等離子體光譜（Laser-Induced Plasma Spectroscopy, LIPS）技術無需對礦石樣品進行消解處理，可以在現(xiàn)場對礦石中的元素成分進行快速分析積極參與，因此得到了鈾礦探測領域研究人員的廣泛關注問題分析。對于鈾礦探測而言，LIPS技術的價值在于利用裝備的便攜性在現(xiàn)場對礦石樣品的元素成分進行快速分析交流研討，對礦石種類和品位進行初步判定更加完善。本文針對LIPS技術在鈾礦石探測領域的應用進行介紹。

圖2. 中國核工業(yè)“開業(yè)之石”

鈾屬于稀有元素相對較高，在地殼中平均含量是1.7 ppm資源配置。按照我國現(xiàn)行的礦石劃分標準，硬巖（花崗巖相關、火山巖）中鈾的含量高于0.05%大力發展、砂巖中高于0.01%，視為工業(yè)鈾礦生產效率。因此產能提升，LIPS探測靈敏度是其在鈾礦探測領域應用的重要指標。研究表明節點，LIPS的探測靈敏度受礦石基體效應通過活化、等離子體激發(fā)條件、環(huán)境因素的特點、光譜數(shù)據(jù)處理方法等多重元素的影響健康發展。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室E. J. Judge等[5]對比了鈾礦石粉末和壓片后的LIPS光譜；如圖3所示大數據，將粉末壓片后LIPS特征強度和信噪比均有所提升長效機製。韓國國家原子能研究院（Korea Atomic Energy Research Institute , KAERI）Y. S. Kim等[6]對鈾礦石樣品進行粉碎、壓片數字技術、燒結處理奮戰不懈，根據(jù)U  356.659 nm特征譜線歸一化強度繪制了定量分析定標曲線，得到LIPS裝置對礦石中鈾元素檢出限（Limit of Detection , LoD）為158 ppm知識和技能。雖然樣品前處理方法簡單有效取得顯著成效，但延長了分析時間，降低了LIPS技術的時效性實現；此外不容忽視，鈾礦石樣品經(jīng)過粉碎、混均后失去了元素空間分布信息服務體系，無法滿足原位分析需求說服力。因此服務為一體，業(yè)內期望通過優(yōu)化激光等離子體激發(fā)條件，改進光譜處理算法實現(xiàn)鈾礦石成分的原位直接探測逐漸顯現。

圖3. (a)鈾礦石壓片,(b)鈾礦石粉末LIPS光譜

在優(yōu)化激光等離子體激發(fā)條件方面，華中科技大學武漢光電國家研究中心的李青洲等[7]采用激光誘導擊穿光譜結合激光誘導熒光（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy combined with Laser-Induced Fluorescence, LIBS-LIF）提高鈾礦石中的鈾特征譜線強度系統穩定性；研究結果表明拓展基地，與僅采用LIPS技術相比，采用LIBS-LIF技術后U II 409.01 nm特征譜線強度提升21.3倍實力增強，鈾元素檢出限（LoD）由199 ppm下降至35 ppm體系流動性。清華大學姬建訓等[8]通過將入射激光整形為平頂光束，有效改善了激光強度的空間分布帶來全新智能，降低了激光與等離子體作用過程中的等離子體屏蔽效應實現了超越，提高了等離子體輻射光譜強度。實驗裝置和光束整形如圖4所示去完善，研究結果表明橋梁作用，光束整形后，鈾礦石中鈾元素特征譜線U II 409.013 nm強度提升約5倍求索，鈾元素檢出限達到21.2 ppm讓人糾結。中國原子能科學研究院高智星等[9]研發(fā)的背負式LIPS裝置通過提升激光-等離子體閃光傳輸效率，將鈾礦石中鈾元素的檢出限降低至18 ppm穩定發展。激光等離子體激發(fā)條件的優(yōu)化僅需對裝置硬件進行簡單改進即可有效改善LIPS探測限基石之一，無需進行樣品前處理，時效性好增持能力，適用于鈾礦石的原位共同努力、現(xiàn)場、快速分析追求卓越。

圖4 (a)平頂光束實驗裝置逐漸完善，(b)光束整形示意圖

作為天然礦物，鈾礦石種類繁多指導，成分復雜廣泛認同，伴生礦物成分較多。鈾礦石多金屬成分的精確定量對于后續(xù)礦冶工藝的開發(fā)和礦物成分的綜合利用具有重要價值流動性。早期的鈾礦石成分的LIPS定量分析主要是基于內標法或者外標法建立光譜強度-含量的定標曲線鍛造。但是，由于基體效應的影響持續創新，不同種類成分礦石需要建立不同的定標曲線改善，限制了LIPS現(xiàn)場定量分析的適用性。近年來協調機製，業(yè)內出現(xiàn)了將人工智能與LIPS分析技術相結合信息化，在鈾礦石定量分析精度方面取得了較大的進步形勢。肯尼亞內羅畢大學的B. Bhatt等^[10]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對鈾礦石中鈾元素LIPS特征譜線進行分析取得明顯成效，建立了鈾特征譜線強度和鈾濃度之間的多元校正模型約定管轄，采用鈾元素弱特征譜線獲得的鈾濃度預測誤差為4.32%。四川大學舒開強等^[11]采用LIPS技術對鈾礦石中的鈾（U）創新的技術、硅（Si）發揮、鋁（Al）、鈦（Ti）四種目標元素進行了原位現(xiàn)場快速定量分析快速增長，對比了單變量分析（UVA）模型和主成分回歸（PCR）開放以來、支持向量回歸（SVR）多變量分析模型的定量分析效果；研究結果表明多變量分析模型對鈾礦多元素分析準確度更高高質量，其中SVR模型對Si提供了有力支撐、Al、Ti三種元素定量分析準確性最佳前景，驗證集相對誤差分別為0.01%進一步意見、1.41%和0.13%，PCR模型對U元素定量分析準確度最佳共享應用，驗證集相對誤差為0.64 %的必然要求。數(shù)據(jù)分析算法無需對裝置硬件進行改進，不增加裝置成本取得了一定進展，對定量檢測精準度提升效果明顯完善好，是LIPS技術發(fā)展的主要方向之一。

在天然鈾礦石中積極參與，鈾元素并不是均勻分布的活動上。鈾元素空間分布特性反應了成礦環(huán)境信息，對探索鈾礦的形成和演化過程至關重要進一步推進。在單點檢測的基礎上導向作用，研究人員開始采用LIPS技術對鈾礦石中的鈾元素分布進行分析。捷克布爾諾理工大學的J. Klus等采用正交雙脈沖LIPS對鈾礦石中的鈾元素進行檢測應用的選擇，在此基礎上對鈾元素的含量分布進行分析十大行動，獲得了鈾元素的二維分布圖；如圖5所示背景下，鈾元素的二維分布的空間分辨率達到100 mm綜合措施。捷克馬薩里克大學M. Hola等^[12]將LIPS技術與激光燒蝕電感耦合等離子體質譜（Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, LA-ICP-MS）技術相結合對鈾礦石中的鈾（U）、鐵（Fe）自然條件、鉛（Pb）設計標準、鈣（Ca）等多種元素進行綜合分析，獲得了元素二維空間分布圖互動互補；其中LIPS被用于元素分布的整體快速成像發揮重要帶動作用，可以在20分鐘內獲取4.0′23.2 mm范圍內意向，51′290個點位的元素分布圖像，空間分辨率為80 mm文化價值。LIPS技術具有掃描速度快形式、空間分辨率高的獨*優(yōu)勢，但掃描過程受基體效應影響較大不斷完善，在檢測非均勻樣品時進一步提升，樣品密度、硬度營造一處、元素含量的變化均會對檢測結果造成干擾。因此知識和技能，根據(jù)檢測對象物理取得顯著成效、化學特性的變化對特征譜線強度進行補償，突破不同基體下鈾礦石元素分布的精準定量實現，將是LIPS技術的研究重點不容忽視。

圖5 鈾礦石中鈾元素的空間分布

參考文獻

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人物介紹

高智星，研究員服務體系，主要從事激光與物質相互作用說服力、激光等離子體光譜研究。參與并負責科技部分析、裝備發(fā)展部多項科技發(fā)展項目新體系。相關工作發(fā)表論文20余篇，授權專*10余項創造，擔任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人不難發現。

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