激光如何帮助核不扩散监测

时间:2020-04-16 17:41 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

激光如何帮助核不扩散监测

山脉。集装箱。火星表面。

有时,将样品带进实验室测试其成分是很复杂或不可能的。

在探测含有核材料的爆炸时尤其如此。可快速检测或现场检测,最大限度地减少危险收集或实验室分析期间的人员接触。

然而,核化学的本质——特别是氧化,在核爆炸中铀与氧相互作用的方式——在很大程度上是未知的,在我们准确识别核活动的能力上留下了空白。由PNNL物理学家Sivanandan S. Harilal领导的一组研究人员正在努力扩大我们对铀化学的理解,他们使用了一种令人惊讶的工具:激光。

在《分析原子光谱》杂志最近发表的一篇论文中详细介绍了这种方法,它展示了如何通过测量由激光产生的等离子体产生的光来了解核火球中的铀氧化。这种能力使人们对核爆炸过程中的铀气相氧化有了前所未有的了解。这些见解进一步推动了一种可靠的、非接触式的铀元素和同位素远程检测方法的发展,对防扩散保障措施、爆炸监测和条约核查具有重要意义。

不扩散等离子体

一种脉冲式的快速激光爆炸成一种固体材料,激发原子,使它们蒸发成一缕颜色明亮的等离子体。当原子跃入这个超热的等离子体羽流时,所发生的反应会发出光,研究人员可以利用光谱学来捕捉和研究这些光。

激光如何帮助核不扩散监测

等离子体由不同的元素在不同的温度下发出不同波长的光,每一种光产生不同的颜色。因此,蜡烛火焰中的等离子体的颜色不同于霓虹灯中的等离子体,也不同于Harilal和他的团队为研究铀而产生的微观等离子体。

不管有多少物质变成等离子体,等离子体发出的不同颜色的光都是一样的。Harilal公司的铀激光等离子体(LPP)是由如此少量的核材料制成的,这种方法可以被认为是无损的。即便如此,研究人员从LPP获得的光测量结果与核爆炸产生的火球反应相似。

“这是一个规模的问题,”Harilal说。“激光产生的化学物质和核爆炸产生的化学物质是一样的,所以我们可以研究这种化学物质以及它对不同环境条件的反应。它很小,但光线很好。我们可以毫不费力地把它收集起来。”

看到LPP的光明

尽管来自等离子体的光很容易收集,但特定分子发出的光的波长差异却很难解释。铀在爆炸火球中与氧的反应如此剧烈,以至于产生了许多不同的铀氧化物组合。这些分子组合可以是任何地方,从一个铀原子与一个氧原子配对,到多个铀原子与多达八个氧原子结合。

多种铀元素立即使光谱学解释简单的光收集变得复杂。这些种类的铀发射出如此紧密的光谱,在波长上有如此小的差异,以至于每个波长才刚刚开始与各自的氧化铀转变相匹配。

研究人员使用之前开发的窄带滤光器放大了波长较窄的光谱。这些窄带滤光片的工作原理是隔离特定波长发出的光,这样就只收集和分析与特定物种相关的波长。

激光如何帮助核不扩散监测

一个过滤器只测量原子铀,另一个在激光脉冲期间测量等离子体中的氧化铀。随后,研究小组测量了等离子体在增加环境中的氧气时发出的光,观察更多氧气存在时化学物质是如何变化的。

Harilal和他的团队使用等离子体的精确时间快照(称为快速门控成像),直接观察了一氧化铀和铀原子如何随时间和位置在LPP中移动。这让他们看到了物种是如何以及在哪里形成的,以及它们是如何随着等离子云的扩展和消散而持续存在的。

波长为核不扩散

研究小组发现,氧化铀在离目标更远的地方形成,那里的低温有利于分子重组。氧化铀在等离子体生命周期的后期也会形成。当更多的氧气存在时,等离子体就不会持续那么久。

理解铀原子从一氧化铀到更高的氧化物的演化过程,对于爆炸事件的预测建模是至关重要的。精确的、经过实验验证的模型意味着更有效的核不扩散监测和对铀化学的更全面的了解。

除了帮助研究人员更好地了解铀等离子体化学之外,这项工作中使用的激光技术也正在开发中,用于现场、远程防扩散监测。由于激光烧蚀结合光辐射光谱测量等离子体发出的光,因此可以在不需要处理样品的安全距离之外进行数据收集。这项技术对核法医和保障监督具有意义。

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