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激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)（LIPS）亦稱激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS），它利用激光擊穿產(chǎn)生等離子體，并根據(jù)元素特征光譜的波長和強度分析樣品的元素種類和含量，在核材料、氣溶膠、放射性污染物、礦物探測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。《名家專欄》激光等離子體光譜技術(shù)（LIPS）系列專欄第三篇文章，邀請中國原子能科學(xué)研究院高智星研究員及其團隊，分享LIPS在氣溶膠成份現(xiàn)場實時監(jiān)測的應(yīng)用。

數(shù)年前，霧霾事件曾經(jīng)一度覆蓋大半個中國（圖1），成為當(dāng)時的熱點話題。所謂的“霧霾"，就是一種典型的顆粒物氣溶膠。一般認(rèn)為，非法的工業(yè)排放容易誘發(fā)大氣污染事件。為開展大氣污染的來源解析和防治，科技人員在實驗室開展了大量的污染物成份分析工作。常用的實驗室分析手段包括電感耦合等離子體光譜（ICP-OES），質(zhì)譜和化學(xué)分析等。它們通常需要進行一定周期的濾膜取樣和預(yù)處理。由于大多數(shù)霧霾事件的持續(xù)時間在48小時以內(nèi)，這些基于現(xiàn)場采樣-實驗室分析的傳統(tǒng)方法還無法完*滿足污染事件的實時源解析和動態(tài)響應(yīng)需求。有鑒于此，科技人員仍在積極開發(fā)能滿足霧霾成份現(xiàn)場、在線、實時監(jiān)測的技術(shù)方案，比如在線采樣的X射線熒光（online-XRF）、甚至無需采樣的激光等離子體光譜技術(shù)。

圖1，霧霾事件的典型場景(來源于網(wǎng)絡(luò)圖片)和曾經(jīng)的空間分布范圍（來源于Berkeley Earth）

由于核工業(yè)的特殊性和敏感性，核行業(yè)歷來極其重視工作場所、核設(shè)施排放物和周邊環(huán)境的氣溶膠成份監(jiān)測，也非常重視諸如激光光譜等非傳統(tǒng)氣溶膠成份探測技術(shù)的發(fā)展。如前所述，美國洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）早在上世紀(jì)80年代就嘗試?yán)眉す獾入x子體光譜進行核部件車間氣溶膠中有害成份——鈹?shù)谋O(jiān)測，對鈹元素的靈敏度達到了0.6 ppb（相當(dāng)于0.8 μg/m³），并推出了移動式鈹氣溶膠探測裝置（MoBeDec）。

歷*上幾次比較重大的核事故，比如切爾諾貝利核電站事故和最近的福島核事故，都伴隨著放射性氣溶膠等有害物質(zhì)的釋放（圖2）。如果能及時探測到微量甚至痕量有害成份的釋放并發(fā)出預(yù)警信息，無疑對于避免核事件的發(fā)生，保障設(shè)施、人員和環(huán)境安全都具有重要價值。研究團隊在實驗室模擬了福島事故的氣溶膠釋放過程并嘗試?yán)肔IPS技術(shù)開展鈾元素的實時探測（圖3）。實驗證實，利用激光等離子體光譜直接監(jiān)測核事件釋放的含鈾氣溶膠可以將響應(yīng)時間壓縮到秒量級，這無疑將為核事故的預(yù)警提供一定的緩沖時間。

圖2 福島核事故場景（來源于網(wǎng)絡(luò)圖片）及在周邊監(jiān)測到的放射性氣溶膠強度[1]

圖3實驗室對事故排放和監(jiān)測過程的模擬[2]

但是常規(guī)的LIPS裝置對重元素的探測靈敏度并不理想，僅僅在數(shù)PPM量級。考慮到干空氣的密度（1.209 kg/m³），這個探測限相當(dāng)于要求每立方米空氣中元素含量要達到毫克量級。經(jīng)歷過霧霾事件的朋友都知道，這是一個相當(dāng)恐*的數(shù)值——這意味著空氣質(zhì)量已經(jīng)“爆表"，能見度極差。激光的強度在這樣的工作環(huán)境中會嚴(yán)重衰減，這無疑是對LIPS裝置現(xiàn)場適用性的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。實際上，核行業(yè)有時候會要求對關(guān)鍵元素的探測限接近甚至低于環(huán)境本底水平（每立方米空氣納克量級或者更低）。

為彌補常規(guī)LIPS裝置探測限和應(yīng)用需求的鴻溝，研究團隊系統(tǒng)地對顆粒物等離子體激光激發(fā)過程、等離子體閃光收集過程和數(shù)據(jù)處理過程進行了分析和平衡。利用顆粒物和氣體分子運動慣量的差異建立了顆粒物氣溶膠的空氣動力學(xué)聚焦系統(tǒng)，將激光與氣流相互作用區(qū)域的顆粒數(shù)密度提升了兩個數(shù)量級，從而有效提升了激光脈沖在單位時間激發(fā)顆粒物等離子體的概率，縮短了測量周期（圖5）[3]。同時設(shè)計了一個封閉的等離子體閃光收集腔以提升系統(tǒng)的光信號幾何收集效率，預(yù)期光譜強度可以提升50倍。實際上，由于腔體對等離子體的約束效應(yīng)，原子譜線的強度提升了近兩個數(shù)量級（圖6）[4]。

圖5，空氣動力學(xué)聚集裝置示意圖及應(yīng)用效果[3]

圖6，4π全立體角等離子體閃光收集腔示意圖及應(yīng)用效果[4,8]

顆粒物氣溶膠的光譜處理方法主要由整體平均法、條件分析平均法，它們的區(qū)別主要在于如何考慮擊穿概率對目標(biāo)譜線強度和探測靈敏度的影響（圖7）。研究團隊在此基礎(chǔ)上發(fā)展出基于實時條件濾波的數(shù)值積分光譜分析方法，利用固定時間周期內(nèi)目標(biāo)譜線的條件濾波和累計進一步改善了目標(biāo)譜線的強度特征和探測靈敏度[5，6]。

圖7，三種數(shù)據(jù)處理方式獲得的目標(biāo)譜線強度和靈敏度（測量時間10min）[6]

基于上述手段，研究團隊建立了一套“增強型"氣溶膠成份LIPS實時監(jiān)測裝置，實驗室定標(biāo)結(jié)果顯示裝置對鈾元素的探測限接近10 ng/m³，對鍶元素的探測限達到1.8 ng/m³，已經(jīng)接近環(huán)境本底水平（圖8）[7，8]。事實上，研究團隊在空氣污染事件中進行的場地測試表明，裝置可以10分鐘的時間分辨率連續(xù)監(jiān)測開放空氣中元素濃度的演化過程（圖9），為污染事件的實時動態(tài)源解析和預(yù)警預(yù)報提供支持[8]。

圖8 實驗室定標(biāo)觀測到的光譜和對應(yīng)譜線的探測靈敏度[7]

圖9 增強型氣溶膠成份監(jiān)測樣機和對大氣污染過程的監(jiān)測結(jié)果

氣溶膠成份的激光等離子體光譜監(jiān)測裝置目前所能實現(xiàn)的精確度和準(zhǔn)確度還難以和實驗室分析手段相比，但是它的投資和對操作人員的要求相對較低，具有較好的經(jīng)濟性、現(xiàn)場適用性，可以實現(xiàn)多元素的高靈敏度快速探測，獲取“第一手"的環(huán)境成份數(shù)據(jù)。因此，基于激光等離子體光譜的氣溶膠成份探測裝置在對精準(zhǔn)度相對寬容而對時效性要求較高的氣溶膠成份直接監(jiān)測和有毒有害成份預(yù)警等領(lǐng)域具備較大的發(fā)展和應(yīng)用空間。當(dāng)然，如果光譜儀的分辨率足夠高，也可以開展氣溶膠中某些核素豐度的直接測量。

主要參考文獻：

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[2]. He H, Gao Z, He Y, et al. Investigation on in situ and real-time monitoring of uranium aerosol from emergency emission after accidents by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)[C]//AOPC 2022: Optical Spectroscopy and Imaging. Proc. SPIE 12558: 1255802.(2023)

[3]. Yun He, Hongyu He, Zhixing Gao, Improvement on the plasma excitation probability of aerosol particles based on aerodynamic lens[C] Advanced Fiber Laser Conference (AFL2022), "Proc. SPIE 12595: 1259526 (2023);

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[5]. 何洪鈺,高智星,何運.一種基于實時條件濾波的數(shù)值積分光譜分析方法:202310372041[P]

[6]. 何洪鈺,高智星,何運,等.激光誘導(dǎo)等離子體光譜直接探測氣溶膠中的鍶元素[J].光學(xué)精密工程, 2023, 31(19):2827-2835.

[7]. Hongyu He, Zhixing Gao, Heng Tian, et al,Continuous emission monitoring the trace Sr from simulant aerosol emission with LIPS[J],Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy,2024,220:107015

[8].  Zhixing G , Fengming H , Hongyu H ,et al.Field test of an enhanced LIPS to direct-monitor the elemental composition of particulate matters in polluted air[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2023,

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)展部多項科技發(fā)展項目。相關(guān)工作發(fā)表論文20余篇，授權(quán)專*10余項，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。

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