研究人员已经开发出一种优化的方法，可以使用激光诱导击穿光谱法(LIBS)分析氢同位素。他们使用2D光谱成像来追踪氢同位素最强的发射时间和地点。该图像显示了一个示例2D光谱图像，并且发射强度随距目标的距离不同而变化。图片提供：西北太平洋国家实验室的Sivanandan S. Harilal

在一项新研究中，研究人员报告了一种使用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析氢同位素的优化方法。他们的新发现可以改进对氢和其他轻同位素的快速识别和测量，这些氢和其他轻同位素在核反应堆材料和其他应用中很重要。

LIBS有望用于测量氢同位素，因为它不需要样品制备，并且可以通过相对简单的实验设置快速获取数据。但是，用这种分析技术来定量氢的浓度一直是一个挑战。

太平洋西北国家实验室的研究人员在光学协会(OSA)的《光学快报》上表示，将具有超短脉冲的超快激光与某些环境条件相结合，可以改善工业上重要合金中氢同位素的LIBS测量。这项优化的技术可以更快地分析核反应堆堆芯中已辐照的材料。

研究小组负责人西瓦南丹·哈里拉尔(Sivanandan S. Harilal)表示：“像我们在这项工作中所做的那样，改进了的氢同位素化学成像可用于监测向我们提供电能的核反应堆中材料的行为。” “这对于开发能够实现新能源技术的氢存储下一代材料以及分析暴露于水中的材料腐蚀也非常有价值。”

测量同位素

在这项新工作中，研究人员努力寻找测量Zircaloy-4中氢同位素的最佳条件。锆合金广泛用于核技术，包括用作压水堆中核燃料棒的包层。测量材料在反应堆运行过程中吸收的氢气对于了解材料性能非常重要。

为了执行LIBS，使用脉冲激光在样品上产生等离子体。激光产生的等离子体发出的光是等离子体羽中不同物种(例如离子，原子，电子和纳米粒子)的特征。

使用LIBS检测特定同位素需要测量原子的极窄发射光谱。对于氢等较轻元素的同位素来说，这是困难的，因为激光产生的等离子体的极端温度(10,000开尔文或更高)会加宽光谱线。

在这项研究中，研究人员通过使用各种激光生成等离子体并测试不同的分析环境，在不同的等离子体生成条件下执行了LIBS。他们使用空间和时间分辨光谱成像或二维光谱成像，在产生等离子体后的不同时间和距样品的不同距离处收集发射的光。

哈里拉尔说：“二维光谱成像使我们能够追踪氢同位素最强的发射时间和地点。” 由于存在于等离子体羽中的多种物质及其瞬态性质，以时空分辨的方式分析等离子体至关重要。

超快是最好的

结果表明，由超快激光产生的等离子体比传统的纳秒激光产生的等离子体具有更好的氢同位素分析能力，并且在中等压力的氦气环境下产生等离子体提供了最佳的分析条件。

哈里拉尔说：“氢气存在于所有环境中，因此很难通过任何分析技术将需要测量的氢气与环境中的氢气区分开。” “我们的结果表明，超快LIBS能够区分溶质氢中的氢杂质。”

研究人员计划进行其他研究，以进一步优化超快激光在LIBS氢同位素分析中的应用。