《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，邀請中國原子能科學(xué)研究院高智星研究員及其團隊，分享LIPS在核材料的檢測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)）

核材料實驗室分析

目前，實驗室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。在實驗室條件下，LIPS可以使用高性能激光設(shè)備，合適的氣體環(huán)境和高分辨率、高響應(yīng)效率的光譜儀進(jìn)行檢測，以獲得最佳的光譜分析結(jié)果。對于鈾礦石、黃餅、核燃料、裂變產(chǎn)物、乏燃料等不同樣品，在實驗室條件下，鈾、釷、钚、鈰、銫、鍶等關(guān)鍵元素和鋰、鎂、錳、鈉等雜質(zhì)元素都能通過LIPS得到量化^[1]。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（SVM）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等機器學(xué)習(xí)方法都得到了應(yīng)用^[2]。核材料分析中比較在意的同位素比率，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，一般需要在實驗室條件下通過高分辨率光譜儀和合適的實驗條件（較長的延遲時間和較低的壓力環(huán)境）才能進(jìn)行檢測。目前，鈾、钚等元素的同位素可以通過LIPS進(jìn)行分辨，并用于同位素比率的簡單預(yù)測^[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)場取證應(yīng)用

核安保是確保核能和平、安全利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對國家安全具有重要意義。核安保涉及多個環(huán)節(jié)和程序的復(fù)雜過程，應(yīng)對核走*和恐*主義威脅，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，獲取其放射性、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。目前對于元素成分的現(xiàn)場非破壞分析，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，難以開展無損分析，并且無法在第一時間提供可疑材料的元素成分信息。

LIPS具有原位、快速、非接觸和設(shè)備可便攜等優(yōu)勢，可以用于元素成分的現(xiàn)場快速識別，國際原子能機構(gòu)(IAEA)因此將其列為核安保領(lǐng)域建議發(fā)展的新型無損檢測技術(shù)，并協(xié)調(diào)成員國開展了相關(guān)技術(shù)的研究和驗證^[6]。據(jù)報道，2010年左右，美國洛斯阿拉莫斯實驗室開發(fā)的背負(fù)式激光光譜探測系統(tǒng)已用于礦石和金屬樣品中的鈾成份探測,對鈾元素的探測靈敏度達(dá)到450 PPM^[7]。2014年在國際原子能機構(gòu)組織的黃餅及鈾氧化物現(xiàn)場甄別測試中，加拿大提供的NRC-IMI裝置成功地識別并區(qū)分出74種不同來源核黃餅^[8]。據(jù)悉，加拿大已成功地向國際原子能機構(gòu)提供了該款便攜式LIPS應(yīng)用裝備。2020年，我們團隊研制了一種便攜式核材料激光甄別裝置^[9]，該裝置能識別鈾、釷、钚等18種元素，其中對鈾的探測靈敏度達(dá)到幾十PPM。

圖3. 美國洛斯阿拉莫斯實驗室（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，特別是對于核安保的現(xiàn)場取證，待分析樣本往往是隨機的，其成分未知，這就對分析技術(shù)提出了更高的要求。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，在面對未知成分的樣本時難以實現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析。因而國內(nèi)外都在積極探索新的定量方法，比如機器學(xué)習(xí)算法等。

在LIPS定量方法中，有一種免定標(biāo)方法（Calibration-Free LIPS，CF-LIPS/ CF-LIBS）^[10]。這種方法在無需依賴標(biāo)準(zhǔn)樣品的情況下，通過直接分析LIPS光譜和特征譜線原子參數(shù)，能夠計算得到等離子體特征參數(shù)和元素組成。該方法能夠有效避免基質(zhì)效應(yīng)的影響，在復(fù)雜的樣品背景下，仍能保持較高的可靠性，對于不明核材料的現(xiàn)場定量取證具有顯著的優(yōu)勢。我們團隊今年發(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，該技術(shù)實現(xiàn)了LIPS現(xiàn)場原位的高效快速定量，一次光譜的定量計算耗時在數(shù)秒之內(nèi)。該技術(shù)已應(yīng)用于鈾礦石和不明核燃料的成分定量測試中，為核安保領(lǐng)域提供了一種全新的、高效的現(xiàn)場檢測手段。

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

參考文獻(xiàn)

[1]Wu J, Qiu Y, Li X, et al. Progress of laser-induced breakdown spectroscopy in nuclear industry applications[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2020, 53(2): 023001.

[2]Sarkar A, Mukherjee S, Singh M. Determination of the uranium elemental concentration in molten salt fuel using laser-induced breakdown spectroscopy with partial least squares-artificial neural network hybrid models[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2022, 187: 106329.

[3]Smith C A, Martinez M A, Veirs D K, et al. Pu-239/Pu-240 isotope ratios determined using high resolution emission spectroscopy in a laser-induced plasma[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2002, 57(5): 929-937.

[4]Cremers D A, Beddingfield A, Smithwick R, et al. Monitoring Uranium, Hydrogen, and Lithium and Their Isotopes Using a Compact Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Probe and High-Resolution Spectrometer[J]. Applied Spectroscopy, 2012, 66(3): 250-261.

[5]Chan G C Y, Martin L R, Trowbridge L D, et al. Analytical characterization of laser induced plasmas towards uranium isotopic analysis in gaseous uranium hexafluoride[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2021, 176: 106036.

[6]Annese C, Monteith A, Whichello J. Novel Technologies for IAEA Safeguards[C]//JAEA-IAEA Workshop on Advanced Safeguards Technology for the Future Nuclear Fuel Cycle, Tokai, Japan. 2007.

[7]Barefield I, Clegg S M, Lopez L N, et al. Application of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) instrumentation for international safeguards[R]. Vienna: Los Alamos National Lab (LANL), 2010.

[8]Chen S, El-Jaby A, Doucet F, et al. Development of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Technologies for Nuclear Safeguards and Forensic Applications[R]. Vienna: International Atomic Energy Agency (IAEA), 2015: 444.

[9]He Y, Hu F, Gao Z, et al. Identification of nuclear materials using portable laser-induced plasma spectroscopy[C]//Liu D, Feng Y, Yang Z. AOPC 2023: Optical Spectroscopy and Imaging; and Atmospheric and Environmental Optics. Beijing, China: SPIE, 2023: 15.

[10]Ciucci A, Palleschi V, Rastelli S, et al. CF-LIPS: A new approach to LIPS spectra analysis[J]. Laser and Particle Beams, 1999, 17(4): 793-797.

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)展部多項科技發(fā)展項目。相關(guān)工作發(fā)表論文20余篇，授權(quán)專*10余項，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。

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