Wでの水素同位体分析 - 浙江河川ランニンググループ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2285 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

レーザー誘起ブレイクダウン分光法 (LIBS) は、磁気閉じ込め核融合施設におけるプラズマに面するコンポーネントのその場分析のための有望な技術です。将来の原子炉の安全性と可用性を保証するために、多くの運転時間にわたって水素同位体保持、すなわち三重水素と重水素を監視することは大きな関心事である。私たちの研究では、紫外線フェムト秒レーザーパルスを使用して、最初の壁の状態を模倣した線形プラズマ装置PSI-2で重水素プラズマにさらされたタングステン（W）タイルを分析します。高分解能分光計を使用して、注入された水素同位体 (H および D) からの表面の Balmer-\(\alpha\) 遷移を検出します。私たちはキャリブレーションフリーの CF-LIBS を使用して、W に貯蔵されている重水素の量を定量化します。この原理実証研究は、一般的な核融合実験の第一壁材料に存在する低重水素濃度の検出にフェムト秒レーザーが適用できることを示しています。

磁気的に閉じ込められた核融合真空チャンバーのプラズマ対向コンポーネント (PFC) は、異常な高温、放射線、高エネルギー粒子束などの極端な環境条件にさらされます。これらすべての状況は、表面浸食、粒子の堆積、および潜在的な破壊につながり、その結果、核融合プラズマ運転中に燃料が滞留する可能性が高くなります1、2、3。今後の核融合炉の安全性とトリチウムの自給自足を確保するには、PFC 内部の重水素とトリチウムの総吸収量を、長時間にわたる運転時間にわたってその場で追跡する必要があります。レーザー誘起分解分光法 (LIBS) の使用が提案されています4。これは、核廃棄物管理5 や現在および今後の火星ミッションでの物質分析など、人手を使わずに低侵襲性の診断に数多く応用できるためです6。特に、微量元素の検出や高深度解像度のアプリケーションに関しては、LIBS は強力なツールとして機能します7、8、9。定量的 LIBS 法の 1 つの要件は、膨張するプラズマを分析するときに化学量論的近似が成立するように、レーザーパルスによるバルク材料への熱拡散を低減することです。これを確実にし、高い深さ分解能を達成するには、ピコ秒より短いレーザーパルス持続時間を使用することが好ましい解決策である10。

この研究では、アルゴン環境でのレーザープラズマ生成に UV 超短レーザーパルスを使用し、高スペクトル分解能のツェルニーターナー分光計による発光検出を組み合わせました。ここでの検出方法は、Kurniawan et al.11 による研究と同様です。このシステム機能と CF-LIBS アプローチを組み合わせることで、Forschungszentrum Jülich12 の線形プラズマ装置 PSI-2 で重水素プラズマにさらされたタングステンタイルの水素と重水素の含有量の検出と定量化が可能になりました。これらのタイルは、このコンテキストにおいて PFC の代理として機能します。 CF-LIBS で計算された重水素含有量は、昇温脱離分光法 (TDS) で得られた結果と直接比較されました。 \(343\,{\mathrm{nm}}\) の UV 波長と \(500\,\mathrm{fs}\) のパルス幅は、可能な限り最高の深度分解能を実現するために選択されました。タングステンでは \(7.4\,{\mathrm{nm}}\) という小さな光侵入深さに達します13。この研究は、閉じ込め核融合実験におけるプラズマに面するコンポーネントへの将来の応用に向けて、水素の同位体をその場で定量化するための原理の証明として機能します。

\( で検出された WI (左) と \(\text{H}_{\alpha }\) (右) のスペクトル線の最大数 (ゲート幅 \(100\,{\mathrm{ns}}\))周囲アルゴン (青い四角) と空気 (赤い十字) を使用した同じ設定を使用した、未処理のタングステン (W) タイル上の 643.97\,{\mathrm{nm}}\) および \(656.28\,{\mathrm{nm}}\) ) 大気圧で。指数関数的近似は破線で示されています。

次の実験は、方法セクションで詳細に説明されているセットアップを使用して実行されます。ここでは、同様の調査結果 14 によれば、観察されたプラズマ発光を増強するためにアルゴンガス流が使用されています。膨張するプラズマの周囲の雰囲気ガス中の (空気中の窒素原子と比較して) 重い Ar 原子は、プラズマの持続時間を長くします。これとプラズマ温度の上昇により、ライン放射がより強くなります。図 1 は、中性タングステン (\(643.97\,{\mathrm{nm}}\) の WI) と水素 Balmer-\(\alpha\) (\(\text{H}_\周囲大気中の空気とアルゴン流を使用して、タイル表面から \(656.28\,{\mathrm{nm}}\)) の alpha\) を測定します。半減期が 2 倍を超えて増加していることが観察されています。これにより、信号が大幅に強化されます。プラズマ中の電子数密度 \(n_e\) と重粒子温度 \(T_h\) は、 \(\text{H}_\alpha\) ピークを観察することで決定されます。 FWHA (半面積全幅) ラインの広がりには、式 (5) を使用した \(n_e\) に関する情報が含まれており、ドップラー幅 (4) は \(T_h\) を決定するために使用されます。この温度は、ボルツマンプロット法によって決定されるプラズマ内の電子温度 \(T_e\) と比較できます。局所熱力学的平衡 (LTE) 条件では、これらの温度は \(T_h=T_e=T\) に等しいと仮定できます。

露出したタングステンタイルへの重水素の影響を観察するために必要な実験要件について説明する前に、この実験におけるレーザー誘起プラズマの時間的発光をレーザーフルエンス \(31\,{\mathrm {J /cm}}^2\)。この値は、広く適用されている手順に従って決定されたタングステンのアブレーション閾値 \(F_{th}=(0.07\pm 0.06)\,\mathrm {J/cm^2}\) を大幅に上回っています13、15、16、17。図 2 は、スリットサイズ \ での機器広がり \(w_{inst}=52\,{{\mathrm{pm}}}\) (ガウス幅) の分光計を使用して、この構成で観察されたスペクトルの時間的変化を示しています。 (100\,\mu \mathrm{m}\)。ここで、使用されるデバイスの機器の広がりは、低圧鉄 (Fe) ホローカソードランプ (HCL) のスペクトル線幅によって決まります。ボルツマンプロット法に使用されるスペクトル線を表 1 に示します。

さらに、いくつかのタングステン原子線と水素バルマー\(\alpha\) 転移 (\(\text{H}_\alpha\)) が観察できます。 LIBS データの他の最近の評価 19、20、21 と同様に、ボルツマンプロット法とドップラーブロードニングを使用して計算された温度は、\(400\,{\mathrm) より大きいゲート遅延に対して図 3 (左) に示されています。 {ns}}\)。電子数密度は \(\text{H}_\alpha\) 線の FWHA を観察することで評価され、\(2.5\times 10^{17}\,{\mathrm{cm}}^ から指数関数的に減少します)図 3 (右) に示すように、最初の \(800\,{\mathrm{ns}}\) では {-3}\) が 1 桁大きくなります。観察された水素 Balmer-\(\alpha\) 線が \(656.32\,{\mathrm{nm}}\) のタングステン線と低濃度重水素 \(\text{D} からの弱い信号）を干渉していることに注意してください。 _\alpha\) で \(656.1\,{\mathrm{nm}}\)。おそらく、擬似フォークトフィットはこれらの外乱の影響を受け、計算された温度と密度の値が過大評価される可能性があります。

アルゴン中での fs レーザー照射下でのタングステンサンプルからの時間分解発光。ゲート幅は \(100\,{\mathrm{ns}}\) に設定され、レーザーフルエンスは \(31\,{\mathrm {J/cm}}^2\) として決定されます。可視性を高めるために、指定されたゲート遅延ごとに 2 つの異なるスペクトル範囲にわたって 400 カウントが追加されます。

左: 青い十字の原子 WI 線と \(\text{H}_{\alpha }\) 線のドップラーブロードニングを含むボルツマンプロット法を使用して、観察されたタングステン (W) スペクトルから評価されたプラズマ温度 Tオレンジ色の丸。右: 同じ線のシュタルク広がりによって評価された電子数密度 \(n_e\)。エラーバーは、y 軸の測定値と x 軸の使用されたゲート幅からの統計的偏差を示します。

特定の物質からのプラズマ観察の結果を要約すると、予想どおり、プラズマの温度と数密度は時間とともに減少します。パラメータは \(T_e\およそ 15,000\,\mathrm{K}\) から \(T_e\およそ 10,000\,\mathrm{K}\) (ボルツマンプロット法) および \(n_e\およそ2.5\× 10^{17}\,{\mathrm{cm}}^{-3}\) から \(n_e\およそ 10^{16}\,{\mathrm{cm}}^{-3}\ ）。 \(400\,{\mathrm{ns}}\) より低い遅延について評価された温度は、妥当な値から大幅に逸脱しているため、ここではプロットされていないことに注意してください。この理由の 1 つは、膨張初期のプラズマ密度が高いため、自己吸収が大きくなり、不透明度の広がり 22 などの影響が生じ、水素放出のスペクトル幅が過大評価されることです。別の説明は、タングステン (\(7.86\,{\mathrm{eV}}\)) と水素 (\(13.598\,{\mathrm{eV}}\)) の第一イオン化ポテンシャルの違いによって与えられる可能性があります。サハ方程式に従って、原子とイオンの比率に影響を与えます。例として、イオン化率 \(N_{ion}/N_{tot}\) は、\(T\約 12,000\,\mathrm{K}\) と \(n_e\) のタングステン (係数 20) で大幅に高くなります。約10^{17}{\mathrm{cm}}^{-3}\)。同様の観察がGiacomoらによって行われました。 (2008)23 はアルミニウムのプラズマ中の水素の放出を観察しました。この領域では、ブルーシフト、わずかな広がり、線の非対称性を引き起こす可能性のある高いプラズマ速度だけでなく、連続体放射線のより大きな影響も観察できます。したがって、\(400\,{\mathrm{ns}}\) の後に観察されるプラズマパラメーターは、アルゴン環境におけるレーザー誘起プラズマの典型的な値です 24。提示された測定から得られる重要な点の 1 つは、数密度の指数関数的な減少によって観察される血漿の一時的な特性です。これは、観測されたプラズマに LTE を適用するときに考慮しなければならない重要な点でもあります。問題は、緩和時間 \(\tau _{rel}\) と対応する拡散長 \(\lambda =(D_h\cdot \tau _{rel})^{1/2}\) をカバーできるかどうかです25。ここで、\(D_h\) は材料依存の拡散係数です。金属の一般的な値は、\(\tau _{rel}\sim 10^{-9}\,\mathrm{s}\) および \(\lambda \sim 10^{-5}\,\ のオーダーです。 mathrm{m}\)。観察された拡大のプラズマ持続性 (約数マイクロ秒) とプラズマサイズ (ビーム直径 \(\sim 20\,\mu \mathrm{m}\) よりもさらに大きい) は、LTE が再結合において合理的であることを示唆しています。プロセスの一部。さらに、式の McWhirter 基準は次のようになります。 (2) は必要条件ですが、十分条件ではありません。例として、\(830\,{\mathrm{ns}}\) の遅延で観測されたタングステンプラズマについて計算されます: \(T_e\約 10,000\,\mathrm{K}, n_e\約 4.7\times 10^{16}\,{\mathrm{cm}}^{-3}\) と \(\Delta E_{mn}\about 3\,{\mathrm{eV}}\) は \( n_e>4.3\times 10^{15}\,{\mathrm{cm}}^{-3}\)。

左: 露出したタングステンタイル内の水素同位体線 (\(\text{H}_\alpha\) および \(\text{D}_\alpha\)) の高解像度検出。右: 純粋なタングステンタイルでの同等の記録。黒、赤、青では、バルマー \(\アルファ\) 遷移の重水素と水素の重なり合ったスペクトル線の擬似フォークトフィットが示されています。青い十字は最初のレーザーパルス（80 個の位置の平均）の測定値を表し、オレンジ色は同じ位置での 2 番目から 5 番目のパルスの測定値をそれぞれ表します。マゼンタで色付けされた、固定幅と振幅を持つ \(656.32\,{\mathrm{nm}}\) の中立 WI ラインが示されています。適用されるゲート遅延と幅は \(1.08\,\mu \mathrm{s}\) として選択されます。

左: W タイル上の同じ位置にある 5 つのパルスのクレーター形状を分析するための、白色光干渉計による高さマップ測定。クレーター領域は疑似カラー表面プロットとして表示されます。右: クレーターの中央 (黒い線に沿った) のラインアウト。

このプロセスに関する知識をもとに、高分解能分光計 (機器拡大 \(w_{inst}=12.7\,{\ mathrm{pm}}\) のスリット幅 \(120\,\mu \mathrm{m}\) は重水素ランプによって決定されます)。図4では、Jiangらと同様にPSI-2内の重水素プラズマに曝露されたタングステンタイルの検出されたLIBS信号が示されています。 (2021)12 を未露出のタイルと比較します。青色は、摂動のないサンプル表面上の 80 個の独立した単一パルス相互作用から蓄積された LIBS 発光データがプロットされ、オレンジ色は、同じ位置でのレーザーパルス番号 2 から 5 までのすべての測定値の合計がプロットされています。まず、露出したタイル (左) では \(656.1\,{\mathrm{nm}}\) の明確な重水素の線が検出されますが、露出していないタイル (右) では \(656.28\) の水素の線のみが検出されます。 ,{\mathrm{nm}}\) が観察できます。両方のタイルに水素の線が存在するのは、表面の吸着水分とバルク内に残っている水素に起因すると考えられます。さらに、最初のレーザーパルスの後は Balmer-\(\alpha\) 線が検出できないことを指摘することが重要です。 \(656.32\,{\mathrm{nm}}\) のタングステン原子の線のみが観察できます。 \(\text{H}_\alpha , \text{D}_\alpha\) と WI 直線の重ね合わせの擬似フォークトフィットを適用すると、重水素原子と通常の水素原子に対するブロードニング効果を比較できます。ここで、\(\Delta \lambda _{H}=231\,{\mathrm{pm}}\) と \(\Delta \lambda _{D}=140\,{\mathrm{pm}) の半値幅を観察します。 }\）それぞれ。この矛盾は、シュタルク効果に影響を与える衝突相手の異なる換算質量 \(\mu\) と、\(\sim \sqrt{m^{-1}}\ としてのドップラー幅の原子質量への依存性によって説明できます) ）。衝突と温度の影響の組み合わせがラインの広がりの原因であることが知られています26。

この LIBS 測定に対応するクレーターを観察すると、この設定に適用できるアブレーションレートに関する情報が得られます。図 5 は、W タイル上のアルゴン環境で 5 つの単一レーザーパルスによって生成された典型的なクレーターを示しています。低レベルの水素および重水素濃度からの信号を観察できるパルスあたりのアブレーション深さ (深さ分解能) は \(600\,{\mathrm{nm}}\) であることがわかりました。この構成では、レーザービームの直径 \(D_0\) は \(20\,\upmu \mathrm{m}\) として与えられます。クレーター全体にわたる統合により、連続する 5 つのレーザーパルスの合計アブレーション量は \((282\pm 25)\,\upmu \mathrm{m}^3\) になります。

一時的なプラズマ発光ダイナミクスに関する提示されたすべてのデータと、最初のレーザーパルスで水素同位体を分離できる可能性を組み合わせることで、アブレーション収量に対する重水素の影響を推定する機会が得られます。ここでは、タングステンタイルの堆積に関する定量的な調査が可能です。測定された温度は、水素のバルマー \(\アルファ\) 線の測定された強度を式 (3) のボルツマンプロットにプロットすることにより、重水素と水素の濃度を計算するために使用できます。ここでは、タングステンと水素のサブシステムがボルツマンプロット法で計算された同じ温度を示すと仮定します。 \(\text{H}_\alpha\) ラインの使用されたスペクトル特性を表 1 に示します。測定された強度は、定義された発光特性のハロゲンランプによって校正されたセンサー感度に適合する必要があることに注意してください。方法セクションで説明した CF-LIBS の推定が計算に適用されます。さらに、LTE で観測されたプラズマの組成 (\(400\,{\mathrm{ns}}\) よりも長い遅延) は純粋にタングステン、水素、重水素原子であると想定されます。表面およびバルク内のさらなる不純物、およびアルゴン雰囲気は無視されます。ボルツマンプロットの切片から、タングステン \(C_W\) と両方の水素同位体 \(\text{H}\) および \(\text{D}\) を合わせた濃度 \(C_{H \& D} \) を推定することができます。評価された分数は次のように与えられます。

図 4 の高スペクトル分解能測定と擬似フォークトフィットから、積分されたピーク面積の比率は \(\text{D}_{\alpha }/\text{H}_{\alpha) として計算されます。 }\約0.08\)。この関係は重水素原子と水素原子の総数比 \(N_D/N_H\) に変換され、総重水素濃度の推定に使用できます。図 5 の結果から推定されるように、レーザーパルスあたりのアブレーション総体積 \((57\pm 5)\,\upmu \mathrm{m}^3\) により、アブレーションされたタングステン原子の総数が計算されます。 \(N_W=(3.6\pm 0.3)\times 10^{12}\) となります。タングステンのモル体積を \(M_{V,W}=9.47\times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{3}{\mathrm{mol}}^{-1} として考慮する\) と式を適用します。 (1)、求められた濃度値と総数比、水素原子と重水素原子の数は \(N_H=(7.8\pm 3.9)\times 10^{11}\) および \(N_D=(6.2) として計算されました。 \pm 2.8)\times 10^{10}\) はそれぞれ、遅延 \(>400\,{\mathrm{ns}}\) を伴う検出されたスペクトルによって決定される平均値として表されます。ここで、不確実性は単なる統計的な変動であり、アブレーションされたボリュームの前述の近似値と偏差によって拡張する必要があります。これには、\(\text{W}\)-I ラインの影響を受けて過大評価された Balmer-\(\alpha\) 強度により、この値がおそらく上限である可能性が高いことが含まれます。これを考慮すると、この値は TDS データとの比較に耐えます。サンプル全体で検出された重水素原子の総数は、\((3.8\pm 0.8)\times 10^{16}\) と推定されます。ここでは、約 \(21\%\) の精度が計算されます。このことから、LIBS 実験のレーザー照射スポットには最大 \((1.2\pm 0.2)\times 10^{11}\) の原子が存在すると予想されます。これは、CF-LIBS アプローチで計算したものより 2 倍大きくなります。。 PSI-227 に関する研究から、重水素は \(100\,{\mathrm{nm}}\) 程度の深さにしか貯蔵されないことが予想されるため、この偏差は 2 つの方法の不確実性に起因する可能性があります。また、タイル表面の一次元に沿った重水素の分布は、暴露プロセスで与えられるプラズマ勾配により均一ではないことにも注意してください。これにより、タイル上の位置に応じて、予想される重水素数が過大または過小評価される可能性があります。提示された測定は、タイルの中心近くで、堆積に大きな変化が予想されない軸に沿って実行されます。結論として、提示された CF-LIBS メソッドを使用して、最初の \(600\ の \((1.7\pm 0.5)\,\text{at}\%\) 付近として使用される W タイルの重水素の影響を決定できます。 ,{\mathrm{nm}}\) クレーターの直径に応じて \(\sim 20\,\upmu \mathrm{m}\) の高い横方向解像度で観察されます。

我々は、閉じ込め核融合実験で PFC として使用される金属サンプル中の水素同位体不純物を分析するための、有望な高深度分解能診断技術としてフェムト秒 UV LIBS の使用を実証しました。この方法では、パルスあたり \(600\,{\mathrm{nm}}\) のアブレーションレートで重水素と水素を検出できます。ここでは、より高いパルスエネルギーを提供するピコ秒レーザーを用いた研究と比較して、フェムト秒LIBSの限界が観察されます。特に、Oelmann らによる研究は、 (2021)28 は、ダブルパルス構成で \(30\,{\mathrm{nm}}\) の深さ分解能を示します。サンプルへの熱の侵入が非常に短いため、レーザーによる熱の影響は小さくなり、ns-LIBS 実験と比較して、より深い深さからの光粒子の脱離の可能性は低くなります。これは、堆積した重水素の割合を計算するために切除体積を参照することができないため、Xing et al.29 のような定量的アプローチに影響を与えるでしょう。ここで適用された CF-LIBS 法は、調査対象のタングステンタイル内の総重水素含有量を推定するための興味深い定量的アプローチであり、フェムト秒レーザーを使用して妥当な深さと高い横方向分解能を提供するため、さらに重要です。この方法を使用した推定重水素含有量約 \(1.7\,\text{at}\%\) は、重水素プラズマにさらされたタングステンタイルの予想量に近いです。さらに、Pardede らによる比較研究と同様に、同様の濃度の水素保持が見出されました 30。さまざまな重水素含有量のタイルを使用したこのアプローチのさらなる研究は、この方法を開発し、検出限界を決定するための次の論理的なステップとなるでしょう。さらに、検出されたプラズマ発光を強化する興味深いアプローチは、信号対雑音比を改善するのに有益です31。結論として、この研究は、核融合アプリケーションにおけるプラズマに面するコンポーネントの将来のその場分析のための全光学レーザープラズマ技術の使用についての洞察を提供します。

以下では、使用した実験装置、評価方法、およびサンプル調製手法について説明します。タングステンのアブレーション閾値フルエンスの決定とフィッティング関数の結果の詳細については、提供されている補足情報を参照してください。

LIBS 実験の基本的なセットアップを図 6 に示します。これは、\(\lambda =1030\,{\mathrm{nm}}\), \(500\,\mathrm{fs}\) レーザーで構成されています。シングルパルスモードと第 2 および第 3 高調波生成のセットアップ。この一連の実験では、基本レーザー周波数の第 3 高調波を \(343\,{\mathrm{nm}}\) で使用しました。最大 \(100\,\upmu \mathrm{J}\) の出力パルスエネルギーを持つ生成されたパルスは、3 倍の対物レンズ (作動距離 \(50\,{\mathrm{mm}}\)) によって集束されます。実験セルに配置されたターゲット (\(10\,{\mathrm{cm}}\times 10\,{\mathrm{cm}}\times 5\,{\mathrm{cm}}\))外部入口からさまざまなガス組成を充填できます。ここでは、環境条件を変更するために \(2\,{\mathrm {l/min}}\) のアルゴンガス流量が選択されています。セル全体は電動ステージ上に配置され、集束レンズとターゲット間の距離を制御し、表面上のさまざまな位置を照射します。集光システムは、2 つの平凸石英ガラスレンズ (\(f_1=50\,{\mathrm{mm}}\) および \(f_2=100\,{\mathrm{mm}}\)) と光学レンズで構成されます。プラズマ放射を収集し、チェルニー・ターナー分光計の入口スリットに画像化するためにセットアップに接続されているファイバー。プラズマ発光信号は iCCD カメラで検出されます。

この研究では、線形プラズマ装置内で重水素プラズマにさらされたタングステンタイルからの時間分解 UV フェムト秒 LIBS 放射を研究し、続いてこれらのサンプル中の水素同位体の検出と定量を研究しました。

フェムト秒 UV LIBS 実験の実験セットアップ。これには、レーザーシステム、高調波発生ボックス、一組のミラー (M1 ～ M3)、集束光学系、ガスの入口と出口を備えたチャンバー内のサンプルを含む移動ステージ、および2 つのレンズ (L1 および L2) と iCCD カメラを備えたツェルニーターナー分光計を備えた収集システム。

調査対象の材料は、表面粗さが \(S_a=60\,{\mathrm{nm}}\) の純粋に研磨されたタングステン (W、\(Z=74\)) です。タイル (\(9.9\,{\mathrm{mm}}\times 9.9\,{\mathrm{mm}}\times 5.1\,{\mathrm{mm}}\)) は \(1000\ でベイクアウトされます) ,^\circ \mathrm{C}\) を 3 時間、ユーリヒ強制収容所の線形プラズマ装置 PSI-2 内で重水素に曝露しました。タイルはモリブデンマスク上に円形に配置され、リング状のプラズマがモリブデンマスクと相互作用します。血漿パラメーターは、4 時間のプロセス中にラングミュアプローブによって頻繁に検出されます。最大重水素フラックスは \(2.9\times 10^{21}\,\mathrm{m}^{-2}\mathrm{s}^{-1}\) として測定され、合計フルエンスは \(3\ \(230\,^\circ \mathrm{C}\) の温度に加熱されたタイル表面に 10^{25}\,\mathrm{m}^{-2}\) を掛けます。核融合プラズマを模倣するための PSI-2 のプラズマパラメーターは、Kreter et al.27 によって説明されています。この概要から、表面の後ろの最初の \(1\,\upmu \mathrm{m}\) における最大 \(2\,{\mathrm {at\%}}\) の重水素濃度は、使用した設定。曝露後に現場外で適用された熱脱離分光法 (TDS) 測定によると、バルク内の面積あたりに堆積して検出された重水素原子の総数は \(N_D=(3.9\pm 0.8)\times 10^{20 }\,\mathrm{m}^{-2}\)、および \(N_H=(4.1\pm 1.1)\times 10^{21}\,\mathrm{m}^{-2}\) の水素原子。 \(N_D\) と \(N_H\) の比率は 0.095 で、高解像度 LIBS 実験からの計算値に近いです。

このセクションでは、測定されたスペクトルを評価するために使用される方法の概要と、調査中のサンプルからより多くの情報を得る方法について説明します。使用された金属タイル内の水素および重水素不純物からスペクトルを解析するには、温度や電子数密度などのプラズマパラメータの計算が必要です。 Cristoforetti et al.25 は、レーザーパルスによって生成され、周囲ガスと相互作用して膨張する一時的なプラズマが、特定の状況下で LTE 内に存在する可能性があることを示しました。この状態は、プラズマパラメーターを予測するために必要な条件です。そこで定式化された条件と McWhirter らによって与えられた基準に従います。32、

この状態の維持可能性が検討されます。この文脈では、McWhirter 基準だけでは十分ではないことに注意してください。

LTE の受け入れにより、膨張するプラズマ内の電子にサハ方程式とマクスウェル速度分布を適用できるようになります。さらに、これは、プラズマプルーム内の電子と他のすべての粒子の温度が等しい (\(T_e=T_h\)) ことを意味し、プラズマプルームは光学的に薄いと仮定する必要があります。この場合、ボルツマンプロット法の線形形式を次のように適用できます。

この方程式では、インデックス k と i はそれぞれ励起種の上部と下部の状態を表し、自然定数はプランクの場合は h、ボルツマンの場合は \(k_B\)、真空の光速度は c として与えられます。遷移確率 \(A_{ki}\)、統計的重み \(g_k\)、上位エネルギー準位 \(E_k\) などの遷移波長 \(\lambda _{ki}\) の追加パラメータは、一般的なパラメータから抽出できます。文献 (例: NIST ライブラリ 18)。 \(U_s(T)\) は、同じライブラリから各材料に対して与えられた統計的重みとエネルギーレベルに従って計算できる温度依存分配関数です。実験係数 F は、収集システムとプラズマサイズに依存するため、同じプラズマ内のすべての分析物質で同じであることに注意してください。この形式の線形文字 (\(y=mx+q_s\)) を使用すると、データを対数軸にプロットすることで、傾き \(m=-(k_BT)^{-1}\) から温度値を抽出できます。。切片では、実験係数 F の範囲までの種濃度 \(C_s\) に関する情報を見つけることができます。この事実をキャリブレーションフリー LIBS 法 (CF-LIBS) で使用して、体内で除去された重水素の量を推定できます。検出された血漿マトリックス。これの応用については、実験結果のセクションで詳しく説明します。今のところ、アブレーションされた材料の寄与はスペクトル発光分布によってマッピングできると仮定します。具体的には、我々は化学量論的アブレーション 33,34 、観察されたプラズマ (妥当な時間枠内) は光学的に薄い、そしてボルツマンプロット法に使用されるスペクトル線は自己吸収ではないという仮定の下で作業します。

電子数密度の評価は、水素 Balmer-\(\alpha\) 発光のスペクトル線の広がりを分析することによって行われます。スペクトル線の形状は、さまざまな効果の畳み込みによって決定されます。この場合、自然な線の広がりとファンデルワールスの広がりは無視され、機器による広がりが測定ごとに決定されます。 2 つの主要な効果は、温度効果であるドップラー広がりと、荷電粒子、特に電子とプラズマ内に存在する他の部分との衝突によって引き起こされるシュタルク広がりです。仮定されたマクスウェル・ボルツマン速度分布により、スペクトル線はプラズマ温度と幅のガウス形状の影響を受けます。

スペクトル線の波長 \(\lambda _0\) と種の質量 \(m_s\) で観測できます。この幅は、半値全幅 (FWHM) を係数 \(2\sqrt{2\ln {2}}\) で割ったものとして与えられます。シュタルク拡大はローレンツプロファイルに従い、電子数密度 \(n_e\) は、シュタルク幅とも呼ばれる半値幅 \(w_{Stark}\) と、シュタルク拡大パラメータ \(w_0\) によって推定できます。文献で見つかります。 \(w_0\) はプラズマ温度にも依存することに注意してください。 Balmer-\(\alpha\) 輝線の逆畳み込みローレンツ部分の半面積半幅 (HWHA) を決定し、\(n_e\) を計算することで、温度依存性を無視できることが示されています。）による

ガウス形状とローレンツ形状の畳み込みを考慮して、37 で説明されている擬似フォークトフィットがこの寄与で使用され、線形状特性からプラズマパラメーターが抽出されます。このフィッティング方法は、実際の Voigt フィットと比較してデータ処理において大幅に安定しており、信号対雑音比が低いデータセットでも使用できることがわかりました。フィッティング関数の詳細については、SI を参照してください。

現在の研究中に生成された実験データセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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研究交換プログラムの一環としてこの協力を可能にしてくださったフルブライト・ドイツに感謝したいと思います。また、必要な機器、専門知識、サンプル処理、死後診断を提供した、ローレンスバークレー国立研究所のレーザー技術グループとユーリヒ国立研究所の IEK-4 の研究チームにも敬意を表したいと思います。さらに、我々は、ローレンス・バークレー国立研究所の契約番号 DE-AC02-05CH11231 に基づく、ドイツ政府機関 (No. 410415657) および米国エネルギー省国防核不拡散研究開発局からの資金提供に感謝します。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセスの資金調達。

レーザー・プラズマ物理学研究所、ハインリッヒ・ハイネ大学デュッセルドルフ、40225、デュッセルドルフ、ドイツ

シュテフェン・ミッテルマン & ゲオルク・プレッツラー

レーザー技術グループ、ローレンスバークレー国立研究所、バークレー、カリフォルニア州、94720、米国

ケビン・トゥーシェ、シャンレイ・マオ、ミノク・パーク、ヴァシリア・ゾルバ

Forschungszentrum Jülich GmbH IEK-4 プラズマ物理学、52425、ユーリッヒ、ドイツ

セバスティアン・ブレジンセク

カリフォルニア大学バークレー校機械工学科、バークレー、カリフォルニア州、94720-1740、米国

ヴァシリア・ゾルバ

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SMとVZがこの実験を発案した。 SMは実験を実施し、結果を分析し、原稿を執筆していた。 KT、MP、XM が実験の実施に協力してくれました。タイルの準備についてはSBに相談しました。 GPとVZがプロジェクトを監修しました。著者全員が結果について議論し、原稿をレビューしました。

ステフェン・ミッテルマンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Mittelmann, S.、Touchet, K.、Mao, X. 他 fs-LIBS を使用した W タイルでの水素同位体分析。 Sci Rep 13、2285 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29138-2

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受信日: 2022 年 11 月 7 日

受理日: 2023 年 1 月 31 日

公開日: 2023 年 2 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29138-2

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