激光(guāng)誘(yòu)導(dǎo)等(děng)離(lí)子(zǐ)體(tǐ)光譜技(jì)術（LIPS, 又(yòu)稱(chēng)激(jī)光(guāng)誘(yòu)導擊(jī)穿(chuān)光譜(pǔ), LIBS）是(shì)一種原子發射(shè)光譜分析技術(shù)。它利(lì)用高(gāo)能激(jī)光脈衝(chōng)在(zài)樣(yàng)品(pǐn)表(biǎo)麵(miàn)或透明物質(zhì)內(nèi)部產生等離子體，並(bìng)通過(guò)等離子體(tǐ)中元素特征(zhēng)光譜的(dí)波長和(hé)強(qiáng)度(dù)分析樣品的元(yuán)素種類(lèi)和含(hán)量(liáng)，具有微損(sǔn)，遠程，非接(jiē)觸，檢(jiǎn)測(cè)速(sù)度(dù)快等優勢(shì)，可實現(xiàn)多元素(sù)同(tóng)步檢測，在綫(xiàn)實(shí)時檢測和設(shè)備小型化(huà)，適(shì)應(yīng)輻射(shè)環(huán)境等惡(è)劣(liè)復(fù)雜場景(jǐng)，被廣泛應(yīng)用於核(hé)材料(liào)，氣(qì)溶膠，放射性汙染物，礦(kuàng)物(wù)探測等(děng)領域(yù)。

《名(míng)家(jiā)專(zhuān)欄》激光(guāng)等離(lí)子(zǐ)體(tǐ)光譜(pǔ)技術（LIPS）係(xì)列(liè)專欄(lán)，榮幸(xìng)地邀(yāo)請到了(liǎo)中國原子能(néng)科(kē)學研(yán)究院高(gāo)智(zhì)星(xīng)研究(jiū)員(yuán)及其團(tuán)隊，他們將(jiāng)在激(jī)光(guāng)等(děng)離子體(tǐ)光(guāng)譜技(jì)術基本原(yuán)理(lǐ)，發展現(xiàn)狀(zhuàng)與(yǔ)前沿應用(yòng)等多角度進行深入解(jiě)讀，帶來前(qián)沿的(dí)知識(shí)分享。

引言

數(shù)百(bǎi)年前(qián)，人(rén)們(mén)就意(yì)識到光(guāng)譜可(kě)以提供(gōng)太(tài)陽等(děng)物(wù)質的(dí)化學和元(yuán)素組成的信(xìn)息（圖1）。激(jī)光的(dí)出現為光譜學提供(gōng)了亮(liàng)度(dù)更(gēng)高，空(kōng)間(jiān)分辨和頻(pín)率分(fēn)辨能力更好(hǎo)的光源。上世紀60年(nián)代，激光出(chū)現(xiàn)不久(jiǔ)，當(dāng)科(kē)技(jì)人員(yuán)就在(zài)將他們(mén)的新玩具(jù)（脈衝激光(guāng)）指向(xiàng)金屬表麵(miàn)時(shí)，觀(guān)察到了明顯的(dí)火(huǒ)花(huā)。人(rén)們迅(xùn)速(sù)意識到，利用激光在樣品表(biǎo)麵或者透明(míng)物質內部(bù)產(chǎn)生的(dí)等(děng)離子(zǐ)體，可以開(kāi)展(zhǎn)物(wù)質成(chéng)份(fèn)的原子(zǐ)輻(fú)射(shè)光譜分析(xī)，獲取(qǔ)目(mù)標物的(dí)化學元素甚至(zhì)核(hé)素的構成，空(kōng)間分(fēn)布(bù)和時(shí)空演(yǎn)化(huà)信息(xī)。今(jīn)天，我們把(bǎ)這種技(jì)術(shù)手段(duàn)稱為激光等離子(zǐ)體光譜（LIPS：laser induced plasma spectroscopy），也叫激光擊穿光譜（LIBS：laser induced breakdown spectroscopy）。

圖1. 約(yuē)瑟夫(fū)·馮·夫琅和(hé)費Joseph von Fraunhofer和太(tài)陽(yáng)光(guāng)譜(pǔ)（來自(zì)網絡(luò)）

原理

圖(tú)2展示了激(jī)光(guāng)等(děng)離(lí)子體(tǐ)光譜(pǔ)工作的三個(gè)階段。它(tā)始於(yú)脈衝激光與(yǔ)物質的(dí)相互(hù)作用過程——當(dāng)聚(jù)焦(jiāo)到目標物表麵或(huò)者(zhě)透明物(wù)質內部的激(jī)光強度超(chāo)過閾(yù)值(zhí)時(shí)，將(jiāng)發(fā)生光(guāng)學(xué)擊(jī)穿(chuān)現(xiàn)象(xiàng)，此時(shí)可以觀察(chá)到(dào)激(jī)光等離子體形成(chéng)的(dí)火花(huā)。激光等離(lí)子(zǐ)體的(dí)產(chǎn)生主(zhǔ)要是(shì)一個非綫(xiàn)性吸收(shōu)過程(chéng)（多光(guāng)子(zǐ)效(xiào)應(yīng)），而非共振吸收(shōu)過程，對激(jī)光(guāng)波長(cháng)的依賴並(bìng)不明顯(xiǎn)，這不但為(wéi)激光(guāng)參(cān)數的(dí)選(xuǎn)擇提(tí)供了較(jiào)大的空間，也(yě)使LIPS技術的(dí)應用具(jù)有無需(xū)采樣-預處理過(guò)程，檢測(cè)周期短(duǎn)，適應性強(qiáng)的(dí)特(tè)點，可以用於固(gù)，液(yè)，氣(qì)及(jí)浮(fú)質(zhì)目標物(wù)的成(chéng)份原位探測(cè)。同(tóng)時激光(guāng)具有良好(hǎo)的指向性(xìng)，激(jī)光(guāng)輻(fú)照麵積(jī)和(hé)深(shēn)度可以(yǐ)控(kòng)製在微米量(liáng)級(jí)，這(zhè)使(shǐ)LIPS技(jì)術(shù)具有較好(hǎo)的(dí)空間分(fēn)辨能力——利用LIPS裝置對樣品進行空(kōng)間掃(sǎo)描，可以實(shí)現(xiàn)微米分(fēn)辨的元(yuán)素成份分(fēn)布。

圖(tú)2. 激(jī)光等離子體光譜(pǔ)裝置原理示意(yì)圖

第二(èr)階(jiē)段涵蓋從等離子體(tǐ)產(chǎn)生(shēng)到(dào)原子-分(fēn)子光譜(pǔ)輻射(shè)過(guò)程(chéng)，持續時間一般(bān)在微秒(miǎo)量(liáng)級(jí)（圖3）。激(jī)光等(děng)離子體的空間(jiān)體積(jī)小(xiǎo)，具(jù)有(yǒu)較大的溫度，密(mì)度梯度；持(chí)續時間(jiān)短(duǎn)，演(yǎn)化(huà)過程溫度梯度(dù)變化劇烈，這在一(yī)定(dìng)程(chéng)度(dù)上(shàng)影響(xiǎng)了(liǎo)LIPS探(tàn)測(cè)的性能。為改善LIPS探(tàn)測(cè)的靈敏度(dù)和(hé)精準(zhǔn)度，近年來(lái)業內也(yě)在不(bù)斷嘗試利(lì)用(yòng)等離(lí)子(zǐ)體二(èr)次(cì)加(jiā)熱（比(bǐ)如多脈(mài)衝(chōng)，微波(bō)輔(fǔ)助），磁(cí)約束(shù)，空間約(yuē)束等方法延長等離子體的(dí)持(chí)續時(shí)間，抑製(zhì)等離子體(tǐ)演(yǎn)化的不穩(wěn)定性和譜綫(xiàn)展(zhǎn)寬(kuān)。

圖(tú)3. 激光等(děng)離子(zǐ)體輻射的(dí)演(yǎn)化(huà)過(guò)程

（David Cremers And Lean J Radzaiemski, Handbook Of Laser Induced Breakdown Spectroscopy）

第(dì)三階(jiē)段(duàn)涵蓋(gài)光譜信號采集和(hé)解析過(guò)程(chéng)，可(kě)以實現(xiàn)靈敏度接(jiē)近 PPM量級(jí)的多原子譜綫的同步(bù)識別(bié)與多(duō)元素成份(fèn)定量(liáng)。其基(jī)本(běn)過(guò)程(chéng)和所(suǒ)能(néng)實(shí)現的性(xìng)能與(yǔ)傳(chuán)統(tǒng)的等(děng)離子體光(guāng)譜(pǔ)分析(xī)技術(shù)類似(sì)（比如(rú)ICP-AES）。光(guāng)電(diàn)探測(cè)係統的(dí)發展(zhǎn)相(xiāng)對成(chéng)熟，今後(hòu)主要(yào)發展方向(xiàng)可能是針對具體(tǐ)應用(yòng)進(jìn)一步提(tí)高(gāo)探(tàn)測效率(shuài)以滿足超(chāo)痕(hén)量(liáng)成(chéng)份的(dí)探測需求，或者(zhě)提(tí)升(shēng)光(guāng)譜(pǔ)解析(xī)能力以(yǐ)滿(mǎn)足核素測量的(dí)需(xū)求(qiú)。光(guāng)譜信(xìn)號(hào)的數(shù)據預處(chǔ)理則主要包括連續輻(fú)射(shè)本底的(dí)扣(kòu)除，根據前(qián)兩個(gè)階(jiē)段(duàn)獲取的信息對(duì)光譜進行強度修(xiū)正(zhèng)和(hé)尋(xún)峰定位。近年(nián)來光(guāng)譜(pǔ)數據的(dí)處(chǔ)理主要(yào)關(guān)注定(dìng)量(liáng)測量(liáng)的精(jīng)準(zhǔn)度(dù)問題(tí)。隨(suí)著人(rén)工(gōng)智(zhì)能的(dí)發展和(hé)在(zài)光(guāng)譜預(yù)處理(lǐ)中的(dí)應(yīng)用(yòng)，可能(néng)從元素光譜數據中(zhōng)提取到更穩(wěn)定(dìng)和(hé)準確的譜(pǔ)綫信息(xī)，進(jìn)一步(bù)提升LIPS探(tàn)測的精準性。

核科學應(yīng)用(yòng)

LIPS技術所具有的(dí)無需樣(yàng)品預處(chǔ)理(lǐ)，損耗少(shǎo)，可遠程/原(yuán)位(wèi)探測，響應速度(dù)快(kuài)等(děng)技術(shù)特(tè)點非常符合(hé)涉核作(zuò)業要(yào)求(qiú)輻(fú)射防(fáng)護(hù)要(yào)素(sù)（遠(yuǎn)距離(lí)，短時(shí)間(jiān)，最(zuì)小量(liáng)），引起(qǐ)了核(hé)科學(xué)技術(shù)和(hé)工(gōng)業應用領域的極大(dà)興趣(qù)。激光(guāng)與物質相(xiāng)互作(zuò)用過程(chéng)沒有(yǒu)傳(chuán)統(tǒng)意義(yì)上的物理接(jiē)觸，光(guāng)信號可(kě)以(yǐ)遠距離(lí)傳(chuán)輸，這有(yǒu)助(zhù)於減少操(cāo)作人員，設(shè)備和(hé)環境(jìng)對化學毒性(xìng)，放射(shè)性(xìng)等(děng)有害(hài)因素(sù)的接(jiē)觸，控製(zhì)沾染物，廢棄(qì)物(wù)的處置(zhì)量。激(jī)光(guāng)與物質(zhì)作(zuò)用區(qū)域可(kě)以控製在(zài)微(wēi)米量(liáng)級(jí)，相(xiāng)應激(jī)光燒蝕產生的質量損(sǔn)失(shī)可(kě)以控製(zhì)在(zài)微(wēi)克(kè)量級甚(shèn)至更低，可以(yǐ)認為(wéi)是無損耗(hào)測量，有(yǒu)利(lì)於環境汙染(rǎn)的(dí)最小化。LIPS響應時間快，激光與(yǔ)物(wù)質相(xiāng)互(hù)作(zuò)用和等離(lí)子體光譜探(tàn)測時(shí)間在(zài)亞(yà)毫秒(miǎo)量(liáng)級，可以(yǐ)極大降(jiàng)低作業(yè)人(rén)員(yuán)的放射性(xìng)暴(bào)露時(shí)間。

上(shàng)世(shì)紀80年代開始，美國(guó)洛(luò)斯(sī)阿拉莫斯(sī)實(shí)驗室（LANL）就(jiù)嘗試利用激(jī)光等(děng)離子體(tǐ)光譜開(kāi)展(zhǎn)工作(zuò)場所氣(qì)溶(róng)膠有害(hài)成份(fèn)和(hé)硝(xiāo)酸鈾(yóu)等涉(shè)核物(wù)質的原(yuán)位探測(cè)（圖4）。他(tā)們(mén)建立(lì)的(dí)實驗室(shì)裝置(zhì)對(duì)氣(qì)溶膠(jiāo)中鈹元(yuán)素(sù)的(dí)直(zhí)接探測的(dí)靈敏度接(jiē)近(jìn)0.6 ppb，相當於每立方(fāng)米(mǐ)空氣中的鈹(pí)含量接(jiē)近(jìn)0.8μg。實驗裝置對(duì)鈾(yóu)溶液(yè)的(dí)探測限(xiàn)也達(dá)到了100mg/L，相當於100 ppm。同(tóng)一(yī)時(shí)期，他們(mén)還嘗試開展(zhǎn)了工(gōng)業（熔鹽(yán)）及環(huán)境介(jiè)質(zhì)（土(tǔ)壤）中痕量(liáng)涉核元素的(dí)探測(cè)。這些工作充(chōng)分展示了(liǎo)LIPS技術(shù)在現(xiàn)場(cháng)適(shì)應性(xìng)，靈敏(mǐn)度(dù)，探測效率等方麵的潛力(lì)，並(bìng)為(wéi)現(xiàn)場應(yīng)用裝(zhuāng)備的(dí)開發奠(diàn)定了(liǎo)基(jī)礎(chǔ)。

圖4. 用於涉核氣(qì)溶膠，溶液(yè)成份和固體材(cái)料(liào)成份(fèn)探測的(dí)LIPS應用(yòng)裝(zhuāng)備(bèi)

（Handbook Of Laser Induced Breakdown Spectroscopy,David Cremers And Lean J Radzaiemski）

光譜(pǔ)儀(yí)分辨率的(dí)提高使(shǐ)利用LIPS技(jì)術(shù)開(kāi)展某些關(guān)鍵(jiàn)核(hé)素豐(fēng)度的現場測量(liáng)成(chéng)為(wéi)可能(néng)。1998年，法(fǎ)國(guó)原子(zǐ)能研究機(jī)構(gòu)（CEA）公(gōng)開(kāi)報(bào)道(dào)了(liǎo)利(lì)用(yòng)激光等(děng)離(lí)子(zǐ)體(tǐ)測(cè)定鈾產品豐度的(dí)工作（圖5）。大約兩(liǎng)年後(hòu)，美(měi)國洛斯(sī)阿(ā)拉(lā)莫斯(sī)實(shí)驗室就在內部刊物(wù)上(shàng)報(bào)道了鈈(bù)豐度(dù)測(cè)量的(dí)進展（圖6）。2012年(nián)前(qián)後，加(jiā)拿大的核(hé)管委會（NRC）和橡(xiàng)樹嶺實(shí)驗室曾經(jīng)分別報道了(liǎo)可以在開放環(huán)境中對核材(cái)料豐度(dù)進(jìn)行(háng)現場測量的應用裝備(bèi)（圖(tú)4右(yòu)）。最(zuì)近(jìn)，橡樹(shù)嶺(lǐng)實驗室（ORNL）和勞倫斯(sī)伯克(kè)利(lì)實驗室（LBNL）實(shí)驗室(shì)正(zhèng)在積極發(fā)展基(jī)於LIPS的鈾濃縮過程(chéng)豐度(dù)在(zài)綫(xiàn)監控技(jì)術(shù)。這(zhè)表明國外基於激(jī)光(guāng)等(děng)離子體光譜(pǔ)的核素(sù)豐度測(cè)量(liáng)技(jì)術(shù)已(yǐ)經脫(tuō)離(lí)了實(shí)驗室(shì)研(yán)究階(jiē)段，開始(shǐ)麵(miàn)向現場應用(yòng)和工業場(cháng)景發展(zhǎn)實用(yòng)化裝備。

圖5. 鈾(yóu)豐度(dù)的(dí)LIPS探測(cè)光譜(pǔ)

（W. Pietsch ，et al, Isotope ratio determination of uranium by optical emission spectroscopy on a laser-produced plasma, Spectrochimica Acta Part B,53(1998):751-761）

圖(tú)6. 鈈豐度的(dí)LIPS探測

（239Pu/240Pu Isotope Ratios Can Be Determined Using LIBS, Nuclear Materials Technology/Los Alamos National Laboratory, 4th quarter 2000）

圖7. 濃(nóng)縮(suō)鈾在綫(xiàn)監控(kòng)的驗(yàn)證(zhèng)裝置

（G.C.-Y. Chan et al, Analytical characterization of laser induced plasmas towards uranium isotopic analysis in gaseous uranium hexafluoride ,Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 176 (2021) 106036）

鑒於(yú)激光等離子體光譜(pǔ)技術在現(xiàn)場適用性，探測(cè)效率，靈敏度(dù)，時空(kōng)分辨能(néng)力等(děng)方(fāng)麵(miàn)具(jù)有的(dí)*特(tè)優勢(shì)，國際(jì)原子能(néng)機構(gòu)在2004年前(qián)後已經把它列為(wéi)核(hé)安全安(ān)保領域(yù)發展的非(fēi)傳(chuán)統探測技術，鼓勵各成(chéng)員國(guó)開(kāi)發(fā)各類核取證(zhèng)應(yīng)用裝(zhuāng)置(zhì)。法國(guó)原子能機構公(gōng)開了包括(kuò)激光(guāng)等離子(zǐ)體(tǐ)光(guāng)譜(pǔ)技(jì)術的激光(guāng)光譜技(jì)術應用規劃。美國建立(lì)了(liǎo)一個(gè)由(yóu)國家實驗室和大學(xué)組成(chéng)的核科學與(yǔ)安全聯盟（NSSC：Nuclear Science And Security Consortium），他(tā)們也把發展(zhǎn)激(jī)光(guāng)等(děng)離子(zǐ)體光(guāng)譜(pǔ)等(děng)核材料遠(yuǎn)程探(tàn)測與(yǔ)表征(zhēng)技(jì)術(shù)和(hé)應用裝備(bèi)作為(wéi)重(zhòng)要工(gōng)作內容。

圖8. 國際(jì)原子(zǐ)能機(jī)構設想的應(yīng)用(yòng)裝(zhuāng)備

（IAEA工作報告，N. Khlebnikov, D. Parise, J. Whichello,Novel technologies for the detection of undeclared nuclear activities,  IAEA-CN-148/32 ,2007）

圖(tú)9. 法國原(yuán)子能委(wěi)員會的(dí)激光(guāng)光(guāng)譜(pǔ)應用(yòng)設(shè)想(xiǎng)

（P. Mauchien , A. Pailloux And T. Vercouter, Applications Of Laser Spectroscopy In Nuclear Research And Industry, Laser Spectroscopy For Sensing,Fundamentals, Techniques And Applications 2014, 522-543）

我國(guó)的科技工作(zuò)者也關(guān)注(zhù)到(dào)激光等離子體(tǐ)光譜(pǔ)技(jì)術(shù)的蓬(péng)勃(bó)發展，在(zài)地(dì)質，工業應(yīng)用，海(hǎi)洋(yáng)和外(wài)空間探(tàn)測等(děng)領(lǐng)域(yù)進行(háng)了(liǎo)諸多(duō)探索(suǒ)。早在2004年，中國原子能科學研究(jiū)院就(jiù)呼籲(xū)開展激光(guāng)等(děng)離子(zǐ)體光譜(pǔ)在核科(kē)學技(jì)術(shù)領(lǐng)域的(dí)應(yīng)用(yòng)研(yán)究。但由於核材(cái)料的(dí)敏(mǐn)感(gǎn)性，僅(jǐn)有中(zhōng)國原子能科(kē)學研(yán)究(jiū)院，中(zhōng)國工程(chéng)物(wù)理(lǐ)研究院(yuàn)，核工業(yè)化(huà)工(gōng)冶(yě)金(jīn)研(yán)究院少(shǎo)數幾(jī)家(jiā)專(zhuān)業(yè)研究(jiū)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了少量(liáng)相(xiāng)關(guān)研(yán)究。比如(rú)，中國(guó)原(yuán)子(zǐ)能(néng)科學研究院的(dí)研究團隊(duì)針對(duì)核安全保障的需(xū)求，建立(lì)了(liǎo)可移動的(dí)氣溶膠成(chéng)份連續監測裝(zhuāng)置(zhì)和(hé)背(bèi)負式核材(cái)料(liào)現(xiàn)場識(shí)別裝(zhuāng)置。目(mù)前(qián)，原子能院利(lì)用LIPS裝(zhuāng)置(zhì)直接(jiē)測(cè)量(liáng)重金屬(shǔ)氣溶膠(jiāo)的探(tàn)測(cè)限(xiàn)已經(jīng)突(tū)破了亞PPT量(liáng)級(jí)，實現(xiàn)了(liǎo)10ng/m³含鈾氣溶膠(jiāo)的(dí)實(shí)時監測。此外(wài)，清華大學，四(sì)川大學(xué)和西安(ān)交通(tōng)大學等高校也嘗試將LIPS技(jì)術的(dí)應(yīng)用拓(tuò)展到涉核物質(zhì)的(dí)成份探測，領域比(bǐ)如(rú)王(wáng)哲教授(shòu)和段(duàn)憶翔教(jiào)授的研(yán)究團隊已經(jīng)分別與專業研(yán)究單(dān)位合作開展(zhǎn)了鈾礦石成份(fèn)的(dí)原位探測(cè)方(fāng)麵(miàn)的(dí)研(yán)究。但(dàn)是，客(kè)觀上(shàng)要進(jìn)一(yī)步推(tuī)動(dòng)和促進(jìn)LIPS在我(wǒ)國(guó)核科學技術和(hé)核工(gōng)業應用領域的應(yīng)用，仍(réng)然(rán)有必(bì)要(yào)建立一(yī)個與(yǔ)美(měi)國NSSC相(xiāng)似的，以(yǐ)專(zhuān)業原子(zǐ)能研(yán)究機構為核(hé)心(xīn)，涵蓋高(gāo)校和產業(yè)界(jiè)的產學研(yán)聯盟，開展(zhǎn)有組(zǔ)織的技術(shù)裝(zhuāng)備研(yán)發(fā)和應用(yòng)。

人(rén)物介(jiè)紹(shào)

高智星(xīng)，研(yán)究員，主要(yào)從(cóng)事激光與(yǔ)物質相互(hù)作用，激光等離子(zǐ)體光譜(pǔ)研究。參(cān)與並(bìng)負(fù)責科技部，裝(zhuāng)備(bèi)發展部(bù)多(duō)項(xiàng)科(kē)技發展項目。相(xiāng)關(guān)工(gōng)作發表論(lùn)文20餘(yú)篇(piān)，授(shòu)權專*10餘項(xiàng)，擔任Matter and Radiation at Extremes等(děng)期刊審(shěn)稿(gǎo)人。

免(miǎn)責說(shuō)明

北(běi)京卓立(lì)漢(hàn)光儀(yí)器有(yǒu)限(xiàn)公司(sī)公(gōng)眾號所發布(bù)內(nèi)容（含圖(tú)片(piàn)）來源於原作(zuò)者(zhě)提(tí)供或(huò)原(yuán)文(wén)授(shòu)權轉(zhuǎn)載。文章版權，數據及所述觀(guān)點歸(guī)原作者原出(chū)處(chǔ)所(suǒ)有，北京卓(zhuó)立漢光儀器(qì)有限公(gōng)司(sī)發布(bù)及(jí)轉載(zǎi)目的(dí)在於(yú)傳遞 更多信息及用於網絡分享(xiǎng)。

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