一种双光束LAAS同位素比高精度快速测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双光束LAAS同位素比高精度快速测量装置及方法，所述装置包括：第二分光片用于对第一可调谐激光进行分光，分光后少部分进入第一光电探测器，大部分进入第一偏振分束棱镜；第三分光片用于对经过第二反射镜后的第二可调谐激光进行分光，分光后少部分进入第二光电探测器，大部分进入第一偏振分束棱镜；第一光电探测器和第二光电探测器分别用于测量进入其的第一可调谐激光和第二可调谐激光的强度；第三光电探测器和第四光电探测器分别用于测量进入其的第一可调谐激光和第二可调谐激光的强度。本发明专利技术极大提高了同位素比测量精度，且无需激光波长扫描、无需标定即可实现对同位素比的快速直接测量。现对同位素比的快速直接测量。现对同位素比的快速直接测量。

【技术实现步骤摘要】
一种双光束LAAS同位素比高精度快速测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及同位素检测
，特别是一种双光束LAAS同位素比高精度快速测量装置及方法。

技术介绍

[0002]同位素比的精确测量在核材料检测、地质研究、海洋科学和环境科学方面有着广泛应用。特别是在核燃料生产、核保障、环境监测和核法证调查等领域中，同位素比的精确测量是一种极为重要的分析方式。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(Laser Ablation Absorption Spectroscopy，LAAS)技术是利用可调谐激光探测处于脉冲激光烧蚀形成的等离子体冷却阶段时，基态原子、离子吸收跃迁的跃迁信息，可以实现高分辨率、高灵敏度的光谱分析，非常适合于同位素分辨的光谱测量。LAAS测量无需样品预处理、操作便捷、分析速度快，易于实现在线、远程、实时测量，是核燃料循环等应用中正在发展的放射性同位素比测量的一个重要手段。1999年，美国佛罗里达大学(UF)首次提出了利用LAAS技术测量同位素比的方法，从Rb含量为77
±
5ppm的玄武岩颗粒中测得
85
Rb/
87
Rb的值为2.8
±
0.3％，测量相对标准偏差(RSD)小于5％，为地质研究年代分析等提供了一种简单的分析工具。2002年，德国光谱化学与应用光谱研究所(ISAS)提出了双光束LAAS直接探测同位素比技术。他们将两台独立的可调谐激光器波长分别调节至目标同位素共振吸收峰处，通过测量两束激光的吸收强度比反演出材料中的目标同位素比。利用该方法，ISAS对
235
U/
238
U比值的测量精度好于5％。这项工作表明，双光束固定波长法可以避免耗时的激光波长扫描过程，能够在相同的等离子体状态下同时探测两种同位素信号，且同位素的吸收信号之间存在相关性，因此，极大地提高了测量效率，并减小了激光等离子体变化对测量结果造成的影响。但是，在他们的工作中两束激光以小角度交叉合束，两束激光作用的等离子体区域并不完全一致，因此，多次测量的RSD超过了17％，且没有考虑同位素歧视效应。
[0003]我国正在大力发展核电产业以及核废料处置新方法研究等，在铀矿探测开采、核燃料生产、核电站安全运行、核乏料处置等领域对高灵敏、高精度的放射性元素同位素比在线快速测量技术需求巨大。发展高精度、高灵敏度、核心器件自主化的LAAS同位素比在线检测技术，对于我国核电、核能应用与核废料处置具有重要意义，但是目前国内相关工作几乎没有。
[0004]综上所述，尽管目前的LAAS技术已经在实验室实现了对放射性元素同位素比的检测，但是缺乏快速检测同位素比值的方法，并且对核法证等应用来说精确度和检测灵敏度都不足。同时在铀等元素的激光共振电离试验研究中发现，受原子谱线展宽、不同同位素能级超精细结构分裂特性不一样等因素影响，不同线宽激光对原子的共振激发效率、探测灵敏度有很大影响，不同超精细结构的同位素对相同线宽的探测激光的吸收效率有较大差异，这种效应称为同位素歧视效应。然而在双光束激光同时测量同位素比时，通常商业激光器激光线宽是一样的，从而导致不同同位素激光吸收特性有较大差别，是影响同位素分析不确定度的重要因素之一。这种由于激光线宽导致的同位素歧视效应在LAAS实验中尚未有
相关研究的报道。
[0005]与本专利技术相近的实验方案为德国光谱化学与应用光谱研究所(ISAS)提出的双光束LAAS直接探测同位素比技术。他们将两台独立的半导体可调谐激光器波长分别调节至目标同位素共振吸收峰处，通过测量两束激光的吸收强度比反演出材料中的目标同位素比。利用该方法，ISAS对
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U/
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U比值的测量精度好于5％。ISAS提出的实验方案提高了同位素比测量效率，并减小了激光等离子体变化对测量结果造成的影响。但是在他们的方案中，从技术层面两束探测激光以小角度交叉合束，两束激光作用的等离子体区域并不完全一致，因此，多次测量的误差超过了17％；从物理机制层面，该研究没有考虑同位素歧视效应，测量精度也受到了限制；且在该方案中采用的是半导体激光器作为探测光源，其波长调谐范围有限，通常只能测量1～2种元素的同位素，技术应用范围受限。

技术实现思路

[0006]针对现有同位素比双激光束吸收光谱测量技术中，存在的两束探测激光与空间不均匀的等离子体作用区域有差异、状态并不完全一致，以及没有考虑同位素歧视效应等问题，以及通常测量需要扫描激光波长，测量效率较低，测量元素种类有限等问题，本专利技术提供了一种利用不同线宽双脉冲光束的LAAS同位素比的高精度快速测量方法，通过将两束激光偏振合束后穿过相同时空区域探测同位素比，达到提高效率并减小或者消除激光诱导同位素歧视效应的目的。
[0007]本专利技术公开了一种双光束LAAS同位素比高精度快速测量装置，其包括：纳秒泵浦激光器，用于将其产生的激光分别经第一分光片和第一反射镜同时泵浦第一可调谐激光器和第二可调谐激光器，产生两束可调谐激光，分别记为第一可调谐激光和第二可调谐激光；
[0008]第一半波片和第二半波片，用于使第一可调谐激光和第二可调谐激光的偏振态相互垂直；
[0009]第二分光片，用于对第一可调谐激光进行分光，分光后少部分进入第一光电探测器，大部分进入第一偏振分束棱镜；
[0010]第三分光片，用于对经过第二反射镜后的第二可调谐激光进行分光，分光后少部分进入第二光电探测器，大部分进入第一偏振分束棱镜；
[0011]第一光电探测器和第二光电探测器，分别用于通过比例换算测量进入其的第一可调谐激光和第二可调谐激光的原始强度；
[0012]第一偏振分束棱镜，用于将进入其的第一可调谐激光和第二可调谐激光合束为一束共线激光束；
[0013]第二偏振分束棱镜，用于将在待测样品表面上方区域穿过等离子体羽流区后的共线激光束进行分离，分别得到分离后的第一可调谐激光和第二可调谐激光合束；
[0014]第三光电探测器和第四光电探测器，分别用于测量进入其的第一可调谐激光和第二可调谐激光的剩余强度。
[0015]进一步地，所述第一半波片设置在所述第一可调谐激光器和第二分光片之间；
[0016]所述第二分光片设置在所述第一半波片和所述第一偏振分束棱镜之间，以及设置在所述第一半波片和所述第一光电探测器之间。
[0017]进一步地，所述第二半波片设置在所述第二可调谐激光器和第二反射镜之间；
[0018]所述第三分光片设置在所述第二反射镜和所述第一偏振分束棱镜之间，以及设置在所述第二反射镜和所述第二光电探测器之间。
[0019]进一步地，还包括数据处理装置；
[0020]所述数据处理装置用于根据所述第三光电探测器和第一光电探测器测量的第一可调谐激光的原始强度与剩余强度的差值，以及所述第四光电探测器和第二光电探测器测量的第二可调谐激光的原始强度与剩余强度的差值，获取所述待测样品中目标元素的两种同位素的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双光束LAAS同位素比高精度快速测量装置，其特征在于，包括：纳秒泵浦激光器，用于将其产生的激光分别经第一分光片和第一反射镜同时泵浦第一可调谐激光器和第二可调谐激光器，产生两束可调谐激光，分别记为第一可调谐激光和第二可调谐激光；第一半波片和第二半波片，用于使第一可调谐激光和第二可调谐激光的偏振态相互垂直；第二分光片，用于对第一可调谐激光进行分光，分光后少部分进入第一光电探测器，大部分进入第一偏振分束棱镜；第三分光片，用于对经过第二反射镜后的第二可调谐激光进行分光，分光后少部分进入第二光电探测器，大部分进入第一偏振分束棱镜；第一光电探测器和第二光电探测器，分别用于测量进入其的第一可调谐激光和第二可调谐激光的强度；第一偏振分束棱镜，用于将进入其的第一可调谐激光和第二可调谐激光合束为一束共线激光束；第二偏振分束棱镜，用于将在待测样品表面上方区域穿过等离子体羽流区后的共线激光束进行分离，分别得到分离后的第一可调谐激光和第二可调谐激光合束；第三光电探测器和第四光电探测器，分别用于测量进入其的第一可调谐激光和第二可调谐激光的剩余强度。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一半波片设置在所述第一可调谐激光器和第二分光片之间；所述第二分光片设置在所述第一半波片和所述第一偏振分束棱镜之间，以及设置在所述第一半波片和所述第一光电探测器之间。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二半波片设置在所述第二可调谐激光器和第二反射镜之间；所述第三分光片设置在所述第二反射镜和所述第一偏振分束棱镜之间，以及设置在所述第二反射镜和所述第二光电探测器之间。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括数据处理装置；所述数据处理装置用于根据所述第三光电探测器测量第一可调谐激光的剩余强度和第一光电探测器测量的第一可调谐激光的原始强度的差值，以及所述第四光电探测器测量第二可调谐激光的剩余强度和第二光电探测器测量的第二可调谐激光的原始强度的差值，由激光强度差值比获取所述待测样品中目标元素的两种同位素的比值。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一可调谐激光器和所述第二可调谐激光器可采用不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大成，余明昊，侯佳佳，巴雨璐，张雷，张子旭，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：