[发明专利]基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置

说明书

本发明涉及同位素比测量技术领域，特别涉及一种基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置与方法，该装置包括电控位移台，以及与所述电控位移台相连的烧蚀单元和探测单元；所述电控位移台用于放置靶样品；所述烧蚀单元用于采用飞秒激光通过冷烧蚀的方式烧蚀待测靶样品，以形成比纳秒激光烧蚀的等离子体羽流更低的等离子体羽流温度；所述探测单元用于采用纳秒窄线宽可调谐激光作为探测光，对等离子体进行瞬态探测。具有探测灵敏度高、测量准确性好、适用于多种同位素及同一元素多种激发谱线的吸收光谱测量的优点。

技术领域

本发明涉及同位素比测量技术领域，特别涉及一种基于纳秒窄线宽激光探测的激光烧蚀吸收光谱测量装置。

背景技术

同位素分析在法医人类学、环境学、地质学等领域都有广泛的应用。特别是铀等放射性同位素的检测，在核工业的发展起着重要的作用。发展U、Pu及其衰变链上的同位素比的快速检测技术，监测核燃料循环过程中各个环节的同位素比等，对保障核能设施的安全运行、改进核燃料循环过程中材料的可计量性至关重要。面对极端条件下的材料分析检测，理想的目标是寻求一种无需制样、可在线、便携的放射性同位素比精确测量方法。将激光烧蚀等离子体与吸收光谱测量相结合的激光烧蚀吸收光谱(英文全称为LaserAblationAbsorption Spectroscopy，英文缩写为LAAS)技术是利用可调谐激光探测脉冲激光烧蚀形成的等离子体。通过调整烧蚀激光和探测激光之间的延迟，在等离子体较冷阶段时进行探测时，斯塔克加宽和多普勒加宽显著减小，而探测激光的线宽又可以非常窄，从而可以实现高分辨率、高灵敏度的光谱分析。

目前，国际上已经在实验室实现了利用LAAS技术对U、Pu、Gd、Li、Rb等多种元素同位素的测量。2001年，德国光谱化学与应用光谱研究所(ISAS)采用纳秒激光烧蚀半导体激光探测的方式，在氩气环境下测量了固体中的²³⁵U/²³⁸U同位素比，测量的相对标准偏差(RSD)小于10％。2009年，美国太平洋西北国家实验室(PNNL)利用两束半导体激光吸收光谱，实现了对微米级颗粒¹⁵²Gd/¹⁶⁰Gd同位素比的测量，对单个微米大小的颗粒检测限小于1％。2017年，日本原子能机构(JAEA)对U-Pu混合样品中²⁴⁰Pu/²³⁹Pu比值进行了测量，²⁴⁰Pu检测限在30-130ppm之间，测量RSD小于6％。

目前，常规LAAS技术同位素比测量中存在以下典型问题：

1)通常采用纳秒激光烧蚀靶材产生等离子体羽流，但纳秒激光由于脉宽较长，激光前沿烧蚀产生等离子体羽流后，激光后沿与等离子体发生相互作用，存在等离子体屏蔽效应，从而影响激光能量与靶材料的有效耦合，既降低了烧蚀效率，又会导致所产生的等离子体稳定性变差，进而测量结果准确性较低；

2)纳秒激光烧蚀产生的等离子体温度较高，谱线展宽大，难以达到同位素吸收光谱分辨要求，为获得高的同位素光谱分辨，通常需要将探测激光相对烧蚀激光进行较大延迟，待等离子体温度、密度大幅降低后，谱线展宽小于同位素位移时才能进行吸收光谱测量，但此时粒子密度亦大幅降低，从而降低了LAAS的探测灵敏度；

3)常规LAAS测量技术中，采用半导体激光为吸收光谱探测光源，但半导体激光器的可调谐范围非常有限，一台激光器可以测量的元素种类非常少，且可用于探测的跃迁能级等也非常少，限制了该技术应用；

4)半导体激光是连续光源，利用其作为探测激光在进行LAAS测量时，探测激光会与不同温度、密度等状态的等离子体发生长时间的作用，测量得到的数据积分了不同吸收特性的结果，从而影响测量结果的不稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种探测灵敏度高、测量准确性好、适用于多种同位素及同一元素多种激发谱线的吸收光谱测量技术。