I en ny studie, utredare rapporterar en optimerad metod för att använda laserinducerad nedbrytningsspektroskopi (LIBS) för att analysera väteisotoper. Deras nya rön kan möjliggöra förbättrad snabb identifiering och mätning av väte och andra lätta isotoper som är viktiga i kärnreaktormaterial och andra tillämpningar.

LIBS är lovande för mätning av väteisotoper eftersom det inte kräver några provförberedelser och data kan snabbt inhämtas med en relativt enkel experimentell uppställning. Dock, Att kvantifiera koncentrationen av väte har varit utmanande med denna analytiska teknik.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskare från Pacific Northwest National Laboratory visar att kombinationen av en ultrasnabb laser – som har ultrakorta pulser – med vissa miljöförhållanden hjälper till att förbättra LIBS-mätningar av väteisotoper i industriellt viktiga legeringar. Denna optimerade teknik skulle kunna möjliggöra en snabbare analys av material som har bestrålats i kärnreaktorhärdar.

"Förbättrad kemisk avbildning av väteisotoper, som det vi utförde i det här verket, kan användas för att övervaka beteendet hos material i kärnreaktorer som förser oss med elektricitet, " sa forskargruppsledaren Sivanandan S. Harilal. "Det kan också vara mycket värdefullt för utvecklingen av nästa generations material för vätelagring som kan möjliggöra ny energiteknik och för att analysera materialkorrosion när de utsätts för vatten."

Mätning av isotoper

I det nya arbetet, forskarna arbetade för att hitta de bästa förutsättningarna för att mäta väteisotoper i Zircaloy-4. Zirkoniumlegeringar används ofta inom kärnteknik, inklusive beklädnad för kärnbränslestavar i tryckvattenreaktorer. Att mäta hur mycket väte materialet tar upp under reaktordrift är viktigt för att förstå materialets prestanda.

För att utföra LIBS, en pulsad laser används för att generera ett plasma på provet. Den laserproducerade plasma avger ljus som är karakteristiskt för de olika arterna i plasmaplåten, såsom joner, atomer, elektroner och nanopartiklar.

Att använda LIBS för att detektera specifika isotoper kräver mätning av extremt smala emissionsspektra för atomer. Detta är svårt för isotoper av lättare grundämnen som väte eftersom de extrema temperaturerna - 10, 000 Kelvin eller högre—av laserproducerade plasma breddar spektrallinjerna.

För studien, forskarna utförde LIBS med olika plasmagenereringsförhållanden genom att använda olika lasrar för att generera plasma och genom att testa olika analysmiljöer. De samlade emitterat ljus vid olika tidpunkter efter att plasmat genererades och på olika avstånd från provet med hjälp av rumsligt och tidsmässigt upplöst spektral avbildning, eller 2D spektral avbildning.

"2-D spektral avbildning låter oss spåra var och när emissionen från väteisotoper var som starkast, ", sa Harilal. "På grund av de många arterna som finns i en plasmaplym och dess övergående natur, det är avgörande att analysera plasma på ett spatialt och tidsmässigt upplöst sätt."

Ultrasnabbt är bäst

Resultaten visade att plasma producerade av ultrasnabba lasrar var bättre för väteisotopanalys än traditionella nanosekundlaserproducerade plasma och att generering av plasman i en heliumgasmiljö med måttligt tryck gav de bästa analysförhållandena.

"Väte finns i alla miljöer, vilket gör det utmanande att särskilja det väte som behöver mätas från det i miljön med hjälp av någon analysteknik, " sa Harilal. "Våra resultat visar att ultrasnabb LIBS kan skilja väteföroreningar från löst väte."

Forskarna planerar att utföra ytterligare studier för att ytterligare optimera användningen av ultrasnabba lasrar för väteisotopanalys med LIBS.