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《名家專欄》激光等離子體光譜技術（LIPS）系列專欄第七篇文章，邀請中國原子能科學研究院高智星研究員、王遠航老師及其團隊，分享激光誘導等離子體光譜技術在放射性污染物監(jiān)測中應用。
LIBS在放射性污染物檢測應用性能優(yōu)勢
核燃料的安全、高效循環(huán)是保障核能可持續(xù)發(fā)展的基礎[1]。在核燃料的生產(chǎn)、反應堆的運行、核燃料的后處理等過程中都不可避免地產(chǎn)生一定量的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)放射性污染物，如果處理不當會導致放射性污染，嚴重危害生態(tài)環(huán)境。放射性污染物中核素種類和濃度的準確檢測是安全處理的前提，激光誘導等離子體光譜（Laser-Induced Plasma Spectroscopy, LIPS）作為一種非接觸的元素分析技術，在放射性污染物快速識別和監(jiān)測領域具有以下獨*優(yōu)勢：（1）分析過程無接觸。LIPS在檢測放射性樣品時，通過將一束高能激光照射樣品表面完成取樣、汽化、等離子體激發(fā)全過程，采用光探測器收集等離子體輻射光子后可獲得等離子體輻射光譜，全程不接觸放射性樣品，分析過程更為安全；（2）遠程檢測。將LIPS系統(tǒng)與卡塞格林望遠鏡系統(tǒng)或牛頓望遠鏡系統(tǒng)結(jié)合后，可以在數(shù)米至數(shù)十米的距離上對放射性樣品進行元素分析，可有效避免放射性樣品污染檢測系統(tǒng)，滿足高放射性樣品的遠程檢測需求；（3）在做好防護條件下，具有較好的環(huán)保性。在檢測固態(tài)放射性樣品時，AAS、ICP-MS等化學分析技術需要對樣品進行消解處理，消解過程容易產(chǎn)生廢氣、廢液，造成環(huán)境污染。LIPS技術無需對樣品進行消解處理，檢測過程不產(chǎn)生廢氣、廢液、廢渣，環(huán)保性較好。本文針對LIPS技術在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)放射性污染物監(jiān)測領域的應用進行介紹。
圖1. (a)增強型等離子體輻射光譜收集器結(jié)構(gòu)示意圖及采用不同光譜收集方法采集到的空氣特征光譜,(b)原始光譜,(c)扣除背景后的光譜[2]
氣態(tài)放射性污染物監(jiān)測
在氣態(tài)放射性污染物監(jiān)測領域，中國原子能科學研究院高智星等[2]采用增強型LIPS技術對環(huán)境空氣中懸浮顆粒物的元素組成進行了連續(xù)監(jiān)測，使用圖1所示的增強型等離子體輻射光譜收集器將光譜收集效率提升約50倍，成功探測到了環(huán)境空氣中ng/m3量級的鈾（U）元素和釷（Th）元素。在此基礎上，中國原子能科學研究院王祥麗等[3,4]采用氣體過濾膜對核設施排放氣體進行過濾，采用LIPS技術對過濾膜中的鈾元素、钚元素進行了定量分析，對鈾元素含量的測量值相對標準偏差（RSD）小于10 %，對钚元素的測量值相對標準偏差（RSD）小于3 %。何洪鈺等[5]采用LIPS技術對氣溶膠中的鍶元素進行直接探測，利用條件分析法對原始光譜進行篩選后，將平均光譜信噪比提升約8倍，利用累計光譜取代平均光譜后將氣溶膠中鍶元素的檢出限提升約3個數(shù)量級，達到1.3 mg/m3。
液體放射性污染物監(jiān)測
在液體放射性污染物監(jiān)測領域，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室J. R. Wachter等[6]配置了濃度范圍0.1-300 g/L的鈾溶液，采用LIPS對溶液中的鈾元素進行直接檢測，根據(jù)U II 409.0 nm特征譜線繪制了鈾元素定量分析定標曲線，得到溶液中鈾元素的檢出限為0.1 g/L。當采用LIPS檢測液體樣品時，激光擊穿液體表面會造成液體飛濺和液面波動，嚴重影響等離子體穩(wěn)定性；同時等離子體猝滅效應會減弱等離子體輻射光譜強度，縮短等離子體壽命。以上因素導致LIPS對液體樣品中元素檢測準確度差、靈敏度低。因此，研究人員采用液固轉(zhuǎn)化法、電化學富集法等多種方法對液體樣品進行處理。印度Bhabha原子能研究中心的A. Sarkar等[7]以薄膜濾紙作為載體，將溶液滴加在濾紙上干燥后對其中的鈾（U）元素、釷（Th）元素進行定量分析；其中，利用U II 367.007 nm特征譜線獲取的鈾元素檢出限為18.5 ppm，檢測結(jié)果與真實值之間的偏差在2%以內(nèi)，利用Th II 401.913 nm特征譜線獲取的釷元素檢出限為0.72 ppm，檢測結(jié)果與期望值之間的偏差在4%以內(nèi)。A. Sarkar等[8]采用LIPS檢測了模擬高放射性廢液中的鉑族元素鈀（Pd）、銠（Rh）、釕（Ru），檢測結(jié)果與期望值之間的偏差在10 %以內(nèi)。蘭州大學崔祖文等[9]以石墨作為基底，將硝酸雙氧鈾溶液涂抹在石墨表面自然晾干后進行LIPS分析；實驗結(jié)果表明，樣品濃度低于5.0′10-3 mol/m2時，鈾特征譜線歸一化強度與鈾濃度存在較好的線性關系。西南科技大學楊怡等[10]采用電化學富集法，以石墨棒作為陰極，對水溶液中的鈾（U）元素富集后進行LIPS檢測，實驗裝置如圖2所示；研究結(jié)果表明，在光電雙脈沖激發(fā)下，通過鈾元素特征譜線U II 367.007 nm和U II 409.013 nm構(gòu)建了定量分析定標曲線，獲得的鈾元素檢測下限分別為25.89和15.00 mg/L，相關系數(shù)均大于0.98。
圖2.（a）電化學富集裝置示意圖，（b）LIPS裝置結(jié)構(gòu)示意圖[10]
固態(tài)放射性污染物監(jiān)測
在固態(tài)放射性污染物監(jiān)測領域，德國卡爾斯魯厄研究中心核能研究所J. Yun等[11,12]將LIPS技術應用于高放射性廢液玻璃固化體元素分析，實現(xiàn)了鎂（Mg）、鈣（Ca）、鋁（Al）、鈦（Ti）、鐵（Fe）、鍶（Sr）、釹（Nd）、鋯（Zr）等多種元素的原位、同步、快速檢測，證明了LIPS技術在玻璃固化體元素分析領域的可行性。韓國國家原子能研究院核化學研究中心E. Jung等[13]采用LIPS定量檢測了高放射性玻璃固化體中的核裂變產(chǎn)物U和Eu，研究了355 nm和532 nm兩種不同波長激光對采樣特征譜線強度的影響，如圖3所示；通過鈾元素特征譜線U I 358.488 nm和Eu I 459.403 nm構(gòu)建了定標曲線，獲得的鈾元素和銪元素檢出限分別達到150 ppm和4.2 ppm。印度Bhabha原子能研究中心的A. Sarkar等[14]采用便攜式LIPS系統(tǒng)定量分析了硼硅酸鋇玻璃基體中包裹的鈾元素，對激光能量、采集延時等參數(shù)進行了優(yōu)化，分析了環(huán)境氣體氛圍對鈾特征譜線強度的影響；研究結(jié)果表明，激光能量100 mJ，采集延時2.75 ms條件下U II 367.007 nm特征譜線信背比（SBR）最大，在氬氣氛圍中，鈾元素特征譜線強度比在空氣中提高約5倍。美國內(nèi)布拉斯加大學林肯分校L. Liu等[15]將LIPS技術與激光誘導熒光光譜技術（Plasma-induced fluorescence spectroscopy, PIFS）相結(jié)合，對鋯石玻璃基體中的痕量鈾元素進行了定量分析，檢出限為154 ppm。
圖3.（a）532 nm和（b）355nm波長激光在SRM610玻璃固化體表面的燒蝕坑及（c）特征譜線強度對比
響應時間、精確度、準確度、靈敏度和便攜性五個維度是評價LIPS技術在放射性污染物監(jiān)測領域應用的重要指標。目前看來，時間響應、靈敏度和便攜性可以滿足放射性污染監(jiān)測需求。但是受制于等離子體激發(fā)-演化過程不穩(wěn)定性和自吸收效應影響，LIPS測量的精確度和準確度距離應用需求存在一定差距，需要對等離子體產(chǎn)生和演化過程物理機理研究的進一步深入。同時，由于監(jiān)測環(huán)境的特殊性，需要針對強輻射應用場景開展針對性的專用儀器研發(fā)。相信隨著相關技術的進步，LIPS技術在放射性污染物監(jiān)測領域?qū)玫竭M一步的推廣和應用。
參考文獻
[1] 詹文龍. 安全高效是核能可持續(xù)發(fā)展的保障[J]. 能源與節(jié)能, 2011, (3): 1-2.
[2]Gao Z X, Hu F M, He H Y, et al. Field test of an enhanced LIPS to direct-monitor the elemental composition of particulate matters in polluted air[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2023, 65(5): 1359-1365.
[3]王祥麗, 王燕伶, 高智星, 等. 氣體采樣濾膜中鈾含量的激光誘導等離子體光譜分析方法研究[J]. 原子能科學技術, 2022, 56(1): 9-14.
[4]王祥麗, 高智星, 程毅梅, 等. 氣體采樣濾膜中钚的激光誘導等離子體光譜定量分析研究[J]. 原子能科學技術, 2022, 56(4): 611-618.
[5]何洪鈺, 高智星, 何運, 等. 激光誘導等離子體光譜直接探測氣溶膠中的鍶元素[J]. 光學精密工程, 2023, 31(19): 2827-2835.
[6]Wachter J R, Cremers D A. Determination of uranium in solution using laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Applied Spectroscopy, 1987, 41(6): 1042-1048.
[7]Sarkar A, Alamelu D, Aggarwal S K. Determination of thorium and uranium in solution by laser-induced breakdown spectrometry[J]. Applied Optics, 2008, 47(31): G58-G64.
[8]Sarkar A, Telmore V M, Alamelu D, et al. Laser induced breakdown spectroscopic quantification of platinum group metals in simulated high level nuclear waste[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2009, 24(11): 1545-1550.
[9]崔祖文, 向昱霖, 張宇璇, 等. 鈾酰溶液中鈾含量的激光誘導等離子體光譜測量[J]. 激光技術, 2021, 45(3): 331-335.
[10]楊怡, 邱榮, 辜周宇, 等. 電化學富集-激光誘導等離子體光譜（LIPS）法測定水中鈾元素[J]. 中國無機分析化學, 2023.
[11]Yun J I, Klenze R, Kim J I. Laser-induced breakdown spectroscopy for the on-line multielement analysis of highly radioactive glass melt. Part I: characterization and evaluation of the method[J]. Applied Spectroscopy, 2002, 56(4): 437-448.
[12]Yun J I, Klenze R, Kim J I. Laser-induced breakdown spectroscopy for the on-line multielement analysis of highly radioactive glass melt simulants. Part II: analyses of molten glass samples[J]. Applied Spectroscopy, 2002, 56(7): 852-858.
[13]Jung E C, Lee D H, Yun J I, et al. Quantitative determination of uranium and europium in glass matrix by laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2011, 66(9-10): 761-764.
[14]Sarkar A, Mishra R K, Kaushik C P, et al. Analysis of barium borosilicate glass matrix for uranium determination by using ns-IR-LIPS in air and Ar atmosphere[J]. Radiochimica Acta, 2014, 102(9): 805-812.
[15]Liu L, Li S, Huang X, et al. Detection of trace-level uranium and samarium in glasses by combined laser-induced breakdown spectroscopy and plasma-induced fluorescence spectroscopy[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2015, 30(5): 1128-1132.
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。參與并負責科技部、裝備發(fā)展部多項科技發(fā)展項目。相關工作發(fā)表論文20余篇，授權(quán)專*10余項，擔任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。
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