Optimeret LIBS-teknik forbedrer analyse af atomreaktormaterialer

I en ny undersøgelse, forskere rapporterer en optimeret tilgang til at bruge laser-induceret nedbrydningsspektroskopi (LIBS) til at analysere brintisotoper. Deres nye fund kunne muliggøre forbedret hurtig identifikation og måling af brint og andre lette isotoper, der er vigtige i atomreaktormaterialer og andre anvendelser.

LIBS er lovende til måling af brintisotoper, fordi det ikke kræver prøveforberedelse, og data kan hurtigt erhverves med en relativt enkel eksperimentel opsætning. Imidlertid, at kvantificere koncentrationen af ​​brint har været udfordrende med denne analytiske teknik.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskere fra Pacific Northwest National Laboratory viser, at kombinationen af ​​en ultrahurtig laser - som har ultrakorte pulser - med visse miljøforhold hjælper med at forbedre LIBS-målinger af brintisotoper i industrielt vigtige legeringer. Denne optimerede teknik kunne muliggøre en hurtigere analyse af materialer, der er blevet bestrålet i atomreaktorkerner.

"Forbedret kemisk billeddannelse af brintisotoper, ligesom det, vi udførte i dette værk, kan bruges til at overvåge adfærden af ​​materialer i atomreaktorer, der forsyner os med elektricitet, " sagde forskerholdsleder Sivanandan S. Harilal. "Det kan også være meget værdifuldt for udviklingen af ​​næste generations materialer til brintlagring, der kan muliggøre nye energiteknologier og til at analysere materialekorrosion, når de udsættes for vand."

Måling af isotoper

I det nye værk, forskerne arbejdede med at finde de bedste betingelser for måling af brintisotoper i Zircaloy-4. Zirconium legeringer er meget udbredt i nuklear teknologi, herunder som beklædning til nukleare brændselsstave i trykvandsreaktorer. At måle hvor meget brint materialet optager under reaktordrift er vigtigt for at forstå materialets ydeevne.

For at udføre LIBS, en pulserende laser bruges til at generere et plasma på prøven. Det laserproducerede plasma udsender lys, der er karakteristisk for de forskellige arter i plasmafanen, såsom ioner, atomer, elektroner og nanopartikler.

Brug af LIBS til at detektere specifikke isotoper kræver måling af ekstremt snævre emissionsspektre af atomer. Dette er svært for isotoper af lettere elementer som brint, fordi de ekstreme temperaturer - 10, 000 Kelvin eller højere - af laserproducerede plasmaer udvider spektrallinjerne.

Til undersøgelsen, forskerne udførte LIBS med forskellige plasmagenereringsbetingelser ved at bruge forskellige lasere til at generere plasmaer og ved at teste forskellige analysemiljøer. De indsamlede udsendt lys på forskellige tidspunkter efter plasmaet blev genereret og i forskellige afstande fra prøven ved hjælp af rumligt og tidsmæssigt opløst spektral billeddannelse, eller 2-D spektral billeddannelse.

"2-D spektral billeddannelse lader os spore, hvor og hvornår emission fra hydrogenisotoper var den stærkeste, " sagde Harilal. "På grund af de mange arter, der er til stede i en plasmafane, og dens forbigående natur, det er afgørende at analysere plasmaer på en rumlig og tidsmæssigt løst måde."

Ultrahurtig er bedst

Resultaterne viste, at plasma produceret af ultrahurtige lasere var bedre til hydrogenisotopanalyse end traditionelle nanosekund laserproducerede plasmaer, og at generering af plasmaerne i et heliumgasmiljø med moderat tryk gav de bedste analysebetingelser.

"Brint er til stede i alle miljøer, gør det udfordrende at skelne det brint, der skal måles, fra det i miljøet ved hjælp af en hvilken som helst analytisk teknik, " sagde Harilal. "Vores resultater viser, at ultrahurtig LIBS er i stand til at differentiere brinturenheder fra opløst brint."

Forskerne planlægger at udføre yderligere undersøgelser for yderligere at optimere brugen af ​​ultrahurtige lasere til hydrogenisotopanalyse med LIBS.