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《名家專欄》激光等離子體光譜技術（LIPS）系列專欄第二篇文章，邀請中國原子能科學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域的應用前景。
圖1. LIPS裝置和原理示意圖（來自網絡）
核材料實驗室分析
目前，實驗室LIPS技術在核材料化學元素成分和核素成分分析方面已經取得了良好的效果。在實驗室條件下，LIPS可以使用高性能激光設備，合適的氣體環(huán)境和高分辨率、高響應效率的光譜儀進行檢測，以獲得最佳的光譜分析結果。對于鈾礦石、黃餅、核燃料、裂變產物、乏燃料等不同樣品，在實驗室條件下，鈾、釷、钚、鈰、銫、鍶等關鍵元素和鋰、鎂、錳、鈉等雜質元素都能通過LIPS得到量化[1]。在這些LIPS定量工作中，包括外部標準化和內部標準化等經典的定標方法以及支持向量機（SVM）和人工神經網絡（ANN）等機器學習方法都得到了應用[2]。核材料分析中比較在意的同位素比率，可以通過LIPS根據原子發(fā)射光譜的同位素位移進行區(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）才能進行檢測。目前，鈾、钚等元素的同位素可以通過LIPS進行分辨，并用于同位素比率的簡單預測[3–5]。
圖2. 424.437 nm U II 同位素特征譜線 (Applied Spectroscopy, 66(3): 250-261, 2012)
核安保現場取證應用
核安保是確保核能和平、安全利用的關鍵環(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)和程序的復雜過程，應對核走*和恐*主義威脅，打擊涉核材料的非法轉移是核安保工作的重要任務。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行溯源是核安保工作的重要內容。目前對于元素成分的現場非破壞分析，還沒有成熟的解決方案。現有元素成分分析技術大多需要樣品預處理，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、非接觸和設備可便攜等優(yōu)勢，可以用于元素成分的現場快速識別，國際原子能機構(IAEA)因此將其列為核安保領域建議發(fā)展的新型無損檢測技術，并協(xié)調成員國開展了相關技術的研究和驗證[6]。據報道，2010年左右，美國洛斯阿拉莫斯實驗室開發(fā)的背負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到450 PPM[7]。2014年在國際原子能機構組織的黃餅及鈾氧化物現場甄別測試中，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]。據悉，加拿大已成功地向國際原子能機構提供了該款便攜式LIPS應用裝備。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，這就對分析技術提出了更高的要求。常規(guī)的LIPS定標方法依賴于標準樣品，并且受到基質效應的影響，在面對未知成分的樣本時難以實現準確的定量分析。因而國內外都在積極探索新的定量方法，比如機器學習算法等。
在LIPS定量方法中，有一種免定標方法（Calibration-Free LIPS，CF-LIPS/ CF-LIBS）[10]。這種方法在無需依賴標準樣品的情況下，通過直接分析LIPS光譜和特征譜線原子參數，能夠計算得到等離子體特征參數和元素組成。該方法能夠有效避免基質效應的影響，在復雜的樣品背景下，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。通過提出統(tǒng)一溫度的CF-LIPS新方法并建立光譜分析程序，該技術實現了LIPS現場原位的高效快速定量，一次光譜的定量計算耗時在數秒之內。該技術已應用于鈾礦石和不明核燃料的成分定量測試中，為核安保領域提供了一種全新的、高效的現場檢測手段。
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元素分析結果
參考文獻
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[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.
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[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，授權專*10余項，擔任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。
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