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激光誘導等離子體小优视频官方下载技術（LIPS）亦稱激光誘導擊穿小优视频官方下载技術（LIBS），它利用激光擊穿產生等離子體，並根據元素特征小优视频官方下载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、放射性汙染物、礦物探測等領域應用廣泛。《名家專欄》激光等離子體小优视频官方下载技術（LIPS）係列專欄第三篇文章，邀請中國原子能科學研究院高智星研究員及其團隊，分享LIPS在氣溶膠成份現場實時監測的應用。

數年前，霧霾事件曾經一度覆蓋大半個中國（圖1），成為當時的熱點話題。所謂的“霧霾"，就是一種典型的顆粒物氣溶膠。一般認為，非法的工業排放容易誘發大氣汙染事件。為開展大氣汙染的來源解析和防治，科技人員在實驗室開展了大量的汙染物成份分析工作。常用的實驗室分析手段包括電感耦合等離子體小优视频官方下载（ICP-OES），質譜和化學分析等。它們通常需要進行一定周期的濾膜取樣和預處理。由於大多數霧霾事件的持續時間在48小時以內，這些基於現場采樣-實驗室分析的傳統方法還無法完*滿足汙染事件的實時源解析和動態響應需求。有鑒於此，科技人員仍在積極開發能滿足霧霾成份現場、在線、實時監測的技術方案，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小优视频官方下载技術。

圖1，霧霾事件的典型場景(來源於網絡圖片)和曾經的空間分布範圍（來源於Berkeley Earth）

由於核工業的特殊性和敏感性，核行業曆來極其重視工作場所、核設施排放物和周邊環境的氣溶膠成份監測，也非常重視諸如激光小优视频官方下载等非傳統氣溶膠成份探測技術的發展。如前所述，美國洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）早在上世紀80年代就嚐試利用激光等離子體小优视频官方下载進行核部件車間氣溶膠中有害成份——鈹的監測，對鈹元素的靈敏度達到了0.6 ppb（相當於0.8 μg/m³），並推出了移動式鈹氣溶膠探測裝置（MoBeDec）。

曆*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並發出預警信息，無疑對於避免核事件的發生，保障設施、人員和環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並嚐試利用LIPS技術開展鈾元素的實時探測（圖3）。實驗證實，利用激光等離子體小优视频官方下载直接監測核事件釋放的含鈾氣溶膠可以將響應時間壓縮到秒量級，這無疑將為核事故的預警提供一定的緩衝時間。

圖2 福島核事故場景（來源於網絡圖片）及在周邊監測到的放射性氣溶膠強度[1]

圖3實驗室對事故排放和監測過程的模擬[2]

但是常規的LIPS裝置對重元素的探測靈敏度並不理想，僅僅在數PPM量級。考慮到幹空氣的密度（1.209 kg/m³），這個探測限相當於要求每立方米空氣中元素含量要達到毫克量級。經曆過霧霾事件的朋友都知道，這是一個相當恐*的數值——這意味著空氣質量已經“爆表"，能見度極差。激光的強度在這樣的工作環境中會嚴重衰減，這無疑是對LIPS裝置現場適用性的嚴重挑戰。實際上，核行業有時候會要求對關鍵元素的探測限接近甚至低於環境本底水平（每立方米空氣納克量級或者更低）。

為彌補常規LIPS裝置探測限和應用需求的鴻溝，研究團隊係統地對顆粒物等離子體激光激發過程、等離子體閃光收集過程和數據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聚焦係統，將激光與氣流相互作用區域的顆粒數密度提升了兩個數量級，從而有效提升了激光脈衝在單位時間激發顆粒物等離子體的概率，縮短了測量周期（圖5）[3]。同時設計了一個封閉的等離子體閃光收集腔以提升係統的光信號幾何收集效率，預期小优视频官方下载強度可以提升50倍。實際上，由於腔體對等離子體的約束效應，原子譜線的強度提升了近兩個數量級（圖6）[4]。

圖5，空氣動力學聚集裝置示意圖及應用效果[3]

圖6，4π全立體角等離子體閃光收集腔示意圖及應用效果[4,8]

顆粒物氣溶膠的小优视频官方下载處理方法主要由整體平均法、條件分析平均法，它們的區別主要在於如何考慮擊穿概率對目標譜線強度和探測靈敏度的影響（圖7）。研究團隊在此基礎上發展出基於實時條件濾波的數值積分小优视频官方下载分析方法，利用固定時間周期內目標譜線的條件濾波和累計進一步改善了目標譜線的強度特征和探測靈敏度[5，6]。

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

基於上述手段，研究團隊建立了一套“增強型"氣溶膠成份LIPS實時監測裝置，實驗室定標結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，已經接近環境本底水平（圖8）[7，8]。事實上，研究團隊在空氣汙染事件中進行的場地測試表明，裝置可以10分鍾的時間分辨率連續監測開放空氣中元素濃度的演化過程（圖9），為汙染事件的實時動態源解析和預警預報提供支持[8]。

圖8 實驗室定標觀測到的小优视频官方下载和對應譜線的探測靈敏度[7]

圖9 增強型氣溶膠成份監測樣機和對大氣汙染過程的監測結果

氣溶膠成份的激光等離子體小优视频官方下载監測裝置目前所能實現的精確度和準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，具有較好的經濟性、現場適用性，可以實現多元素的高靈敏度快速探測，獲取“第一手"的環境成份數據。因此，基於激光等離子體小优视频官方下载的氣溶膠成份探測裝置在對精準度相對寬容而對時效性要求較高的氣溶膠成份直接監測和有毒有害成份預警等領域具備較大的發展和應用空間。當然，如果小优视频官方下载儀的分辨率足夠高，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：

[1]. Takeyasu,Nakano,Fujita,et al.Results of environmental radiation monitoring at the Nuclear Fuel Cycle Engineering Laboratories, JAEA, following the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident[J].J NUCL SCI TECHNOL, 2012, 2012,49(3)(-):281-286.DOI:10.1080/00223131.2012.660014.

[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);

[4]. 韓麗璿,高智星,湯秀章.一種增強型等離子體發光信號收集器: CN201520454747.4[P]. CN204832034U.

[5]. 何洪鈺,高智星,何運.一種基於實時條件濾波的數值積分小优视频官方下载分析方法:202310372041[P]

[6]. 何洪鈺,高智星,何運,等.激光誘導等離子體小优视频官方下载直接探測氣溶膠中的鍶元素[J].光學精密工程, 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相互作用、激光等離子體小优视频官方下载研究。參與並負責科技部、裝備發展部多項科技發展項目。相關工作發表論文20餘篇，授權專*10餘項，擔任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。

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