基于激光吸收光譜的惰性氣體Xe在線探測(cè)技術(shù)

陶 波，王 淏，朱 峰，黃 超，李高鵬，李國(guó)華，黃 珂

(西北核技術(shù)研究所，西安710024； 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024)

惰性氣體Xe是裂變反應(yīng)的主要?dú)怏w產(chǎn)物之一，在線監(jiān)測(cè)Xe的含量具有重要意義。首先，Xe是核試驗(yàn)的重要示蹤氣體，其同位素131mXe,133Xe,133mXe,135Xe是《全面禁止核試驗(yàn)條約》中監(jiān)測(cè)秘密核試驗(yàn)使用的最重要的放射性核素[1]。其次，在核反應(yīng)堆運(yùn)行中，可能會(huì)出現(xiàn)燃料棒包殼破損的情況，氣體裂變產(chǎn)物Xe會(huì)通過燃料棒包殼破口最先泄漏[2]，因此，監(jiān)測(cè)Xe可用于評(píng)估核反應(yīng)堆的運(yùn)行狀況，避免核安全事故的發(fā)生。目前，裂變產(chǎn)物Xe的主要探測(cè)方法是利用放射性探測(cè)設(shè)備測(cè)量樣品中放射性同位素的活度[3-4]，并結(jié)合氣相色譜/熱導(dǎo)池檢測(cè)器在線測(cè)量樣品中穩(wěn)定組分的含量[5]。該方法的主要不足是需要采用體積較大的Xe同位素取樣器進(jìn)行Xe的吸附、濃縮和純化，導(dǎo)致整套監(jiān)測(cè)設(shè)備可移動(dòng)性差，不易實(shí)現(xiàn)Xe的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

隨著激光技術(shù)和光譜探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)有望實(shí)現(xiàn)高靈敏度在線探測(cè)[6-7]。TDLAS是一種能級(jí)共振吸收方法，具有選擇性好、響應(yīng)速度快及可定量測(cè)量等特點(diǎn)。與放射性測(cè)量方法相比，TDLAS的裝置簡(jiǎn)單緊湊，有望將探測(cè)裝置放置于無人機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[8]，并利用不同的Xe同位素導(dǎo)致的吸收線頻移，通過測(cè)量Xe吸收線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)Xe同位素的選擇性定量測(cè)量[9]。

Xe的第一電子吸收帶處于深紫外區(qū)，雖然目前沒有該波段的激光源，但由于Xe存在亞穩(wěn)態(tài)，所以可通過放電方式將基態(tài)Xe泵浦至亞穩(wěn)態(tài)[10]。在對(duì)Xe光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究中，1994年， Walhout等通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量了Xe的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)壽命[11]；1999年， Amico等測(cè)量了823 nm附近Xe穩(wěn)定同位素的譜線頻移及光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)[12]；Date等通過理論和實(shí)驗(yàn)，分析了射頻放電情況下基態(tài)Xe至亞穩(wěn)態(tài)Xe的產(chǎn)額[13]；Pawelec等詳細(xì)給出了近紅外波段Xe穩(wěn)定同位素的光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)[9]；Hickman等采用射頻放電和916 nm激光抽運(yùn)相結(jié)合的方式，將傳統(tǒng)的亞穩(wěn)態(tài)Xe的產(chǎn)額提高了11倍[14]；在對(duì)亞穩(wěn)態(tài)Xe及其同位素的吸收光譜探測(cè)研究中，2006年， Oh等基于823 nm的外腔調(diào)諧二極管激光器并采用直接吸收法，測(cè)量了放電等離子體中亞穩(wěn)態(tài)Xe的濃度[15]；Jacquet等基于直接吸收法并利用Xe同位素的吸收線精細(xì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了129Xe和131Xe的定量測(cè)量[16]，還采用腔衰蕩吸收光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Xe總量及129Xe，131Xe的高精度測(cè)量[17]，可滿足新一代鈉冷快堆裂變氣體產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)的需求。

本文利用823 nm二極管激光器和輝光放電方法，開展了亞穩(wěn)態(tài)Xe的吸收光譜測(cè)量技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了典型工況下Xe總粒子數(shù)密度及129Xe，131Xe粒子數(shù)密度的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，驗(yàn)證了采用激光吸收光譜技術(shù)測(cè)量惰性氣體Xe的可行性。

1測(cè)量系統(tǒng)及原理

TDLAS是基于二極管激光器約2 MHz的窄線寬和掃描頻率可達(dá)100 kHz的波長(zhǎng)快速掃描特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)組分特定吸收譜線的共振吸收測(cè)量。該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是具有超高的選擇性，這是因?yàn)槲兆V線可稱為分子的“指紋”，當(dāng)選定特征吸收線后，測(cè)量過程中該特征吸收性不受其他組分的干擾。惰性氣體Xe存在亞穩(wěn)態(tài)，可通過射頻放電的方式將基態(tài)Xe激發(fā)至亞穩(wěn)態(tài)，激發(fā)至第一激發(fā)態(tài)的吸收波長(zhǎng)為823.16 nm[17]。目前，823 nm波段有成熟的商品化激光源，可滿足不同Xe同位素譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的測(cè)量需求。圖1為Xe能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為亞穩(wěn)態(tài)Xe吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

圖1Xe能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of Xe energy level

圖2亞穩(wěn)態(tài)Xe吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2Schematic diagram of metastable Xeabsorption spectroscopy measurement system

該測(cè)量系統(tǒng)主要由中心波長(zhǎng)為823.16 nm的二極管激光器(線寬約為2 MHz，功率約為3 mW)及其控制器、輝光放電管、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡及波長(zhǎng)計(jì)等組成。工作原理為：首先，利用激光控制器調(diào)節(jié)二極管激光器的溫度和靜態(tài)電流，使其輸出波長(zhǎng)為823.16 nm。其次，采用數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的鋸齒波電壓信號(hào)(頻率為1 kHz、幅值為400 mV)調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng)，使其圍繞波長(zhǎng)823.16 nm以頻率為1 kHz反復(fù)進(jìn)行掃描。輸出的激光經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直后首先通過分束鏡分成2路，一路穿過輝光放電管以實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)Xe吸收信號(hào)的測(cè)量，另一路輸入至波長(zhǎng)計(jì)以實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的在線監(jiān)測(cè)。最后，由光電探測(cè)器測(cè)量激光穿過輝光放電管后的光強(qiáng)變化情況，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸入裝有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)中。

輝光放電管的工作狀態(tài)為：管中充入壓力為50～80 Pa的Xe氣體，充氣前管中抽真空至10-4Pa，電極兩端加直流高壓約1 kV，形成直流輝光放電。圖3是典型的一個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)探測(cè)器測(cè)量的激光光強(qiáng)I隨時(shí)間t的變化曲線及其基線擬合示意圖。圖3中，基線入射光強(qiáng)I0隨時(shí)間t的變化關(guān)系由非吸收區(qū)域激光光強(qiáng)通過多項(xiàng)式擬合得到，多項(xiàng)式擬合的優(yōu)點(diǎn)是可以消除散射、非共振吸收等因素的影響。

圖3典型的一個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)激光光強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線及其基線擬合示意圖

根據(jù)比爾-朗伯定理，經(jīng)過吸收介質(zhì)后的激光光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

I(υ)=I0(υ)·exp[-n0S(T)φ(υ)L]

(1)

其中，n0為探測(cè)組分的粒子數(shù)密度， cm-3；S(T)為吸收線的譜線強(qiáng)度；φ(υ)為吸收線的線型函數(shù)；υ為激光波數(shù), cm-1；L為激光在吸收介質(zhì)中的傳播距離， cm。對(duì)測(cè)量的I和I0作ln(I0/I)運(yùn)算，并將式(1)兩端對(duì)波數(shù)進(jìn)行積分可得

(2)

2測(cè)量結(jié)果及分析

圖4給出了連續(xù)5個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)測(cè)量的激光光強(qiáng)信號(hào)。由圖4可見，當(dāng)激光掃過Xe的吸收譜線時(shí)，激光光強(qiáng)出現(xiàn)了明顯的吸收凹陷，且激光測(cè)量中具有很好的測(cè)量重復(fù)性和測(cè)量信噪比。利用式(1)對(duì)圖4的光強(qiáng)信號(hào)作對(duì)數(shù)運(yùn)算，可得到亞穩(wěn)態(tài)Xe的吸收光譜，如圖5所示。由圖5可見，測(cè)量的吸收譜線具有很好的重復(fù)性，且每個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)可清晰地分辨出5個(gè)吸收峰。

圖4連續(xù)5個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)測(cè)量的激光光強(qiáng)信號(hào)Fig.4Typical measured laser intensity vs. time in five continuous laser wavelength scanning cycles

圖5連續(xù)5個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)亞穩(wěn)態(tài)Xe的吸收光譜Fig.5Typical measured metastable Xe absorption spectrum vs. time in five continuous laserwavelength scanning cycles

圖6為單個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)的亞穩(wěn)態(tài)Xe吸收光譜及其擬合曲線。由圖6可見，曲線上主要有5個(gè)吸收峰，每個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)一種或多種Xe同位素，Peak 2是129Xe的吸收信號(hào)峰，Peak 3是偶數(shù)Xe同位素的吸收信號(hào)峰，Peak 4是131Xe的吸收信號(hào)峰。吸收峰輪廓取決于譜線的線型函數(shù)φ(υ)，該函數(shù)通常用Voigt函數(shù)表示[18]。因此，利用Voigt函數(shù)對(duì)測(cè)量的吸收峰進(jìn)行擬合，以提高測(cè)量精度。根據(jù)圖6中實(shí)驗(yàn)測(cè)量譜與理論擬合譜之間的殘差可知，Peak 3與Peak 4之間的擬合殘差最大。分析認(rèn)為，從理論上講，Peak 3與Peak 4之間還存在129Xe的微弱吸收峰，但受譜線展寬的影響，測(cè)量的光譜信號(hào)不能很好地分辨出該吸收峰，導(dǎo)致Peak 3與Peak 4之間的擬合殘差較大。

圖6單個(gè)波長(zhǎng)掃描周期內(nèi)亞穩(wěn)態(tài)Xe的吸收光譜及其擬合譜線Fig.6Measured metastable Xe absorption spectral and itsVoigt line shape fitting in one wavelength scanning cycle

圖7為Xe氣壓為70 Pa、放電電流為4 mA工況下，利用Voigt多峰擬合和式(2)反演出的Xe總粒子數(shù)密度及129Xe，131Xe粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖7可見，在穩(wěn)定輝光放電過程中，產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)Xe總粒子數(shù)密度及129Xe，131Xe粒子數(shù)密度基本上保持恒定，圖中測(cè)量曲線的波動(dòng)主要是由放電電流不穩(wěn)定導(dǎo)致的。后期將優(yōu)化放電電流和放電氣壓，研究不同狀態(tài)下亞穩(wěn)態(tài)Xe的產(chǎn)額，給出激光吸收光譜探測(cè)方法的探測(cè)靈敏度。

圖7典型工況下測(cè)量的Xe總粒子數(shù)密度及129Xe， 131Xe粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.7Measured total particle number density of Xe, 129Xe and 131Xe density vs. time under typical conditions

3總結(jié)和展望

本文利用823 nm二極管激光器和輝光放電管建立了亞穩(wěn)態(tài)Xe吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了典型工況下Xe總粒子數(shù)密度及129Xe，131Xe粒子數(shù)密度的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。激光吸收光譜探測(cè)方法是基于激光與原子的共振吸收作用，具有可分辨同位素的超高選擇性。后期將進(jìn)一步研究亞穩(wěn)態(tài)Xe的產(chǎn)生方法，提高亞穩(wěn)態(tài)Xe的產(chǎn)生效率，降低單次檢測(cè)的樣品用量。需要指出的是，惰性氣體Kr具有和Xe類似的能級(jí)結(jié)構(gòu)，亞穩(wěn)態(tài)Kr的吸收譜線約在811.5 nm附近，因此，激光吸收光譜探測(cè)方法有望實(shí)現(xiàn)Xe，Kr及其放射性同位素的高選擇性同步測(cè)量。