In een nieuwe studie, onderzoekers rapporteren een geoptimaliseerde benadering voor het gebruik van laser-geïnduceerde afbraakspectroscopie (LIBS) voor het analyseren van waterstofisotopen. Hun nieuwe bevindingen kunnen een verbeterde snelle identificatie en meting van waterstof en andere lichte isotopen mogelijk maken die belangrijk zijn in kernreactormaterialen en andere toepassingen.

LIBS is veelbelovend voor het meten van waterstofisotopen omdat het geen monstervoorbereiding vereist en gegevens snel kunnen worden verkregen met een relatief eenvoudige experimentele opstelling. Echter, het kwantificeren van de waterstofconcentratie was een uitdaging met deze analytische techniek.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory laten zien dat het combineren van een ultrasnelle laser - die ultrakorte pulsen heeft - met bepaalde omgevingsomstandigheden de LIBS-metingen van waterstofisotopen in industrieel belangrijke legeringen helpt verbeteren. Deze geoptimaliseerde techniek kan een snellere analyse mogelijk maken van materialen die zijn bestraald in kernreactorkernen.

"Verbeterde chemische beeldvorming van waterstofisotopen, zoals wat we in dit werk hebben gedaan, kan worden gebruikt om het gedrag te volgen van materialen in kernreactoren die ons van elektriciteit voorzien, "Zei onderzoeksteamleider Sivanandan S. Harilal. "Het kan ook zeer waardevol zijn voor de ontwikkeling van materialen van de volgende generatie voor waterstofopslag die nieuwe energietechnologieën mogelijk maken en voor het analyseren van materiaalcorrosie bij blootstelling aan water."

Isotopen meten

In het nieuwe werk de onderzoekers hebben gezocht naar de beste omstandigheden voor het meten van waterstofisotopen in Zircaloy-4. Zirkoniumlegeringen worden veel gebruikt in de nucleaire technologie, onder meer als bekleding voor splijtstofstaven in drukwaterreactoren. Het is belangrijk om te meten hoeveel waterstof het materiaal opneemt tijdens de werking van de reactor om de materiaalprestaties te begrijpen.

Om LIBS uit te voeren, een gepulste laser wordt gebruikt om een ​​plasma op het monster te genereren. Het lasergeproduceerde plasma zendt licht uit dat kenmerkend is voor de verschillende soorten in de plasmapluim, zoals ionen, atomen, elektronen en nanodeeltjes.

Het gebruik van LIBS voor het detecteren van specifieke isotopen vereist het meten van extreem smalle emissiespectra van atomen. Dit is moeilijk voor isotopen van lichtere elementen zoals waterstof omdat de extreme temperaturen-10, 000 Kelvin of hoger - van lasergeproduceerde plasma's verbreedt de spectraallijnen.

Voor de studie, de onderzoekers voerden LIBS uit met verschillende plasmageneratiecondities door verschillende lasers te gebruiken om plasma's te genereren en door verschillende analyse-omgevingen te testen. Ze verzamelden uitgezonden licht op verschillende tijdstippen nadat het plasma was gegenereerd en op verschillende afstanden van het monster met behulp van ruimtelijk en tijdelijk opgeloste spectrale beeldvorming, of 2D spectrale beeldvorming.

"Met 2-D spectrale beeldvorming kunnen we volgen waar en wanneer emissie van waterstofisotopen het sterkst was, " zei Harilal. "Vanwege de vele soorten die aanwezig zijn in een plasmapluim en zijn voorbijgaande aard, het is van cruciaal belang om plasma's op een ruimtelijk en tijdelijk opgeloste manier te analyseren."

Ultrasnel is het beste

De resultaten toonden aan dat plasma's geproduceerd door ultrasnelle lasers beter waren voor waterstofisotopenanalyse dan traditionele nanoseconde lasergeproduceerde plasma's en dat het genereren van de plasma's in een heliumgasomgeving met matige druk de beste analyse-omstandigheden opleverde.

"Waterstof is in alle omgevingen aanwezig, waardoor het een uitdaging is om de waterstof die moet worden gemeten te onderscheiden van die in de omgeving met behulp van een analytische techniek, " zei Harilal. "Onze resultaten tonen aan dat ultrasnelle LIBS in staat is om waterstofverontreinigingen te onderscheiden van opgeloste waterstof."

De onderzoekers zijn van plan aanvullende onderzoeken uit te voeren om het gebruik van ultrasnelle lasers voor waterstofisotopenanalyse met LIBS verder te optimaliseren.