《名家專(zhuān)欄》激光等離子體光譜丨激光等離子體光譜技術(shù)及其在核科學(xué)中的應(yīng)用
激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)（LIPS, 又稱(chēng)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)。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，并通過(guò)等離子體中元素特征光譜的波長(zhǎng)和強(qiáng)度分析樣品的元素種類(lèi)和含量，具有微損、遠(yuǎn)程、非接觸、檢測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)多元素同步檢測(cè)、在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和設(shè)備小型化，適應(yīng)輻射環(huán)境等惡劣復(fù)雜場(chǎng)景，被廣泛應(yīng)用于核材料、氣溶膠、放射性污染物、礦物探測(cè)等領(lǐng)域。
《名家專(zhuān)欄》激光等離子體光譜技術(shù)（LIPS）系列專(zhuān)欄，榮幸地邀請(qǐng)到了 中國(guó)原子能科學(xué)研究院高智星研究員及其團(tuán)隊(duì)，他們將在激光等離子體光譜技術(shù)基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀與前沿應(yīng)用等多角度進(jìn)行深入解讀，帶來(lái)前沿的知識(shí)分享。
引言
數(shù)百年前，人們就意識(shí)到光譜可以提供太陽(yáng)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、空間分辨和頻率分辨能力更好的光源。上世紀(jì)60年代，激光出現(xiàn)不久，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(shí)，觀(guān)察到了明顯的火花。人們迅速意識(shí)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，可以開(kāi)展物質(zhì)成份的原子輻射光譜分析，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(shí)空演化信息。今天，我們把這種技術(shù)手段稱(chēng)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）。
圖1. 約瑟夫·馮·夫瑯和費(fèi)Joseph von Fraunhofer和太陽(yáng)光譜（來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）第二階段涵蓋從等離子體產(chǎn)生到原子-分子光譜輻射過(guò)程，持續(xù)時(shí)間一般在微秒量級(jí)（圖3）。激光等離子體的空間體積小，具有較大的溫度、密度梯度；持續(xù)時(shí)間短，演化過(guò)程溫度梯度變化劇烈，這在一定程度上影響了LIPS探測(cè)的性能。為改善LIPS探測(cè)的靈敏度和精準(zhǔn)度，近年來(lái)業(yè)內(nèi)也在不斷嘗試?yán)玫入x子體二次加熱（比如多脈沖、微波輔助）、磁約束、空間約束等方法延長(zhǎng)等離子體的持續(xù)時(shí)間，抑制等離子體演化的不穩(wěn)定性和譜線(xiàn)展寬。
圖3. 激光等離子體輻射的演化過(guò)程
（David Cremers And Lean J Radzaiemski, Handbook Of Laser Induced Breakdown Spectroscopy）
第三階段涵蓋光譜信號(hào)采集和解析過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)靈敏度接近 PPM量級(jí)的多原子譜線(xiàn)的同步識(shí)別與多元素成份定量。其基本過(guò)程和所能實(shí)現(xiàn)的性能與傳統(tǒng)的等離子體光譜分析技術(shù)類(lèi)似（比如ICP-AES）。光電探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展相對(duì)成熟，今后主要發(fā)展方向可能是針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)一步提高探測(cè)效率以滿(mǎn)足超痕量成份的探測(cè)需求，或者提升光譜解析能力以滿(mǎn)足核素測(cè)量的需求。光譜信號(hào)的數(shù)據(jù)預(yù)處理則主要包括連續(xù)輻射本底的扣除、根據(jù)前兩個(gè)階段獲取的信息對(duì)光譜進(jìn)行強(qiáng)度修正和尋峰定位。近年來(lái)光譜數(shù)據(jù)的處理主要關(guān)注定量測(cè)量的精準(zhǔn)度問(wèn)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(xiàn)信息，進(jìn)一步提升LIPS探測(cè)的精準(zhǔn)性。
核科學(xué)應(yīng)用
LIPS技術(shù)所具有的無(wú)需樣品預(yù)處理、損耗少、可遠(yuǎn)程/原位探測(cè)、響應(yīng)速度快等技術(shù)特點(diǎn)非常符合涉核作業(yè)要求輻射防護(hù)要素（遠(yuǎn)距離、短時(shí)間、*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。激光與物質(zhì)相互作用過(guò)程沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的物理接觸，光信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳輸，這有助于減少操作人員、設(shè)備和環(huán)境對(duì)化學(xué)毒性、放射性等有害因素的接觸，控制沾染物、廢棄物的處置量。激光與物質(zhì)作用區(qū)域可以控制在微米量級(jí)，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(jí)甚至更低，可以認(rèn)為是無(wú)損耗測(cè)量，有利于環(huán)境污染的*小化。LIPS響應(yīng)時(shí)間快，激光與物質(zhì)相互作用和等離子體光譜探測(cè)時(shí)間在亞毫秒量級(jí)，可以極大降低作業(yè)人員的放射性暴露時(shí)間。
上世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室（LANL）就嘗試?yán)眉す獾入x子體光譜開(kāi)展工作場(chǎng)所氣溶膠有害成份和硝酸鈾等涉核物質(zhì)的原位探測(cè)（圖4）。他們建立的實(shí)驗(yàn)室裝置對(duì)氣溶膠中鈹元素的直接探測(cè)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。實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)鈾溶液的探測(cè)限也達(dá)到了100mg/L，相當(dāng)于100 ppm。同一時(shí)期，他們還嘗試開(kāi)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(cè)。這些工作充分展示了LIPS技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性、靈敏度、探測(cè)效率等方面的潛力，并為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用裝備的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
圖4. 用于涉核氣溶膠、溶液成份和固體材料成份探測(cè)的LIPS應(yīng)用裝備
（Handbook Of Laser Induced Breakdown Spectroscopy,David Cremers And Lean J Radzaiemski）
圖5. 鈾豐度的LIPS探測(cè)光譜
圖6. 钚豐度的LIPS探測(cè)
（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(xiàn)監(jiān)控的驗(yàn)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）
圖8. 國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)設(shè)想的應(yīng)用裝備
（IAEA工作報(bào)告，N. Khlebnikov, D. Parise, J. Whichello,Novel technologies for the detection of undeclared nuclear activities, IAEA-CN-148/32 ,2007）
圖9. 法國(guó)原子能委員會(huì)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）人物介紹
高智星，研究員，主要從事激光與物質(zhì)相互作用、激光等離子體光譜研究。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。相關(guān)工作發(fā)表論文20余篇，授權(quán)**10余項(xiàng)，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。
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