《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(qǐng)中國(guó)原子能科學(xué)研究院高智星研究員及其團(tuán)隊(duì)，分享LIPS在核材料的檢測(cè)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(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

核材料實(shí)驗(yàn)室分析

目前，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(cè)，以獲得最佳的光譜分析結(jié)果。對(duì)于鈾礦石、黃餅、核燃料、裂變產(chǎn)物、乏燃料等不同樣品，在實(shí)驗(yàn)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(guò)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(jī)（SVM）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等機(jī)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(guò)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(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)高分辨率光譜儀和合適的實(shí)驗(yàn)條件（較長(zhǎng)的延遲時(shí)間和較低的壓力環(huán)境）才能進(jìn)行檢測(cè)。目前，鈾、钚等元素的同位素可以通過(guò)LIPS進(jìn)行分辨，并用于同位素比率的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)^[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?，F(xiàn)場(chǎng)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(duì)國(guó)家安全具有重要意義。核安保涉及多個(gè)環(huán)節(jié)和程序的復(fù)雜過(guò)程，應(yīng)對(duì)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(duì)于元素成分的現(xiàn)場(chǎng)非破壞分析，還沒(méi)有成熟的解決方案?，F(xiàn)有元素成分分析技術(shù)大多需要樣品預(yù)處理，難以開(kāi)展無(wú)損分析，并且無(wú)法在第一時(shí)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(shì)，可以用于元素成分的現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)別，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)因此將其列為核安保領(lǐng)域建議發(fā)展的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并協(xié)調(diào)成員國(guó)開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)的研究和驗(yàn)證^[6]。據(jù)報(bào)道，2010年左右，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的背負(fù)式激光光譜探測(cè)系統(tǒng)已用于礦石和金屬樣品中的鈾成份探測(cè),對(duì)鈾元素的探測(cè)靈敏度達(dá)到450 PPM^[7]。2014年在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)組織的黃餅及鈾氧化物現(xiàn)場(chǎng)甄別測(cè)試中，加拿大提供的NRC-IMI裝置成功地識(shí)別并區(qū)分出74種不同來(lái)源核黃餅^[8]。據(jù)悉，加拿大已成功地向國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)提供了該款便攜式LIPS應(yīng)用裝備。2020年，我們團(tuán)隊(duì)研制了一種便攜式核材料激光甄別裝置^[9]，該裝置能識(shí)別鈾、釷、钚等18種元素，其中對(duì)鈾的探測(cè)靈敏度達(dá)到幾十PPM。

圖3. 美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)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(guó)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(duì)于核安保的現(xiàn)場(chǎng)取證，待分析樣本往往是隨機(jī)的，其成分未知，這就對(duì)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(duì)未知成分的樣本時(shí)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析。因而國(guó)內(nèi)外都在積極探索新的定量方法，比如機(jī)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(wú)需依賴標(biāo)準(zhǔn)樣品的情況下，通過(guò)直接分析LIPS光譜和特征譜線原子參數(shù)，能夠計(jì)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(duì)于不明核材料的現(xiàn)場(chǎng)定量取證具有顯著的優(yōu)勢(shì)。我們團(tuán)隊(duì)今年發(fā)展了基于CF-LIPS的涉核材料定量技術(shù)。通過(guò)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(shí)現(xiàn)了LIPS現(xiàn)場(chǎng)原位的高效快速定量，一次光譜的定量計(jì)算耗時(shí)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(cè)試中，為核安保領(lǐng)域提供了一種全新的、高效的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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

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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)專*10余項(xiàng)，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。

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