基于激光吸收光譜的惰性氣體Xe在線探測技術

陶 波，王 淏，朱 峰，黃 超，李高鵬，李國華，黃 珂

(西北核技術研究所，西安710024； 激光與物質相互作用國家重點實驗室，西安710024)

惰性氣體Xe是裂變反應的主要氣體產物之一，在線監測Xe的含量具有重要意義。首先，Xe是核試驗的重要示蹤氣體，其同位素131mXe,133Xe,133mXe,135Xe是《全面禁止核試驗條約》中監測秘密核試驗使用的最重要的放射性核素[1]。其次，在核反應堆運行中，可能會出現燃料棒包殼破損的情況，氣體裂變產物Xe會通過燃料棒包殼破口最先泄漏[2]，因此，監測Xe可用于評估核反應堆的運行狀況，避免核安全事故的發生。目前，裂變產物Xe的主要探測方法是利用放射性探測設備測量樣品中放射性同位素的活度[3-4]，并結合氣相色譜/熱導池檢測器在線測量樣品中穩定組分的含量[5]。該方法的主要不足是需要采用體積較大的Xe同位素取樣器進行Xe的吸附、濃縮和純化，導致整套監測設備可移動性差，不易實現Xe的實時在線監測。

隨著激光技術和光譜探測技術的發展，可調諧二極管激光吸收光譜技術(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)有望實現高靈敏度在線探測[6-7]。TDLAS是一種能級共振吸收方法，具有選擇性好、響應速度快及可定量測量等特點。與放射性測量方法相比，TDLAS的裝置簡單緊湊，有望將探測裝置放置于無人機上進行實時在線監測[8]，并利用不同的Xe同位素導致的吸收線頻移，通過測量Xe吸收線的精細結構，可實現Xe同位素的選擇性定量測量[9]。

Xe的第一電子吸收帶處于深紫外區，雖然目前沒有該波段的激光源，但由于Xe存在亞穩態，所以可通過放電方式將基態Xe泵浦至亞穩態[10]。在對Xe光譜精細結構的研究中，1994年， Walhout等通過實驗精確測量了Xe的亞穩態能級壽命[11]；1999年， Amico等測量了823 nm附近Xe穩定同位素的譜線頻移及光譜精細結構[12]；Date等通過理論和實驗，分析了射頻放電情況下基態Xe至亞穩態Xe的產額[13]；Pawelec等詳細給出了近紅外波段Xe穩定同位素的光譜精細結構[9]；Hickman等采用射頻放電和916 nm激光抽運相結合的方式，將傳統的亞穩態Xe的產額提高了11倍[14]；在對亞穩態Xe及其同位素的吸收光譜探測研究中，2006年， Oh等基于823 nm的外腔調諧二極管激光器并采用直接吸收法，測量了放電等離子體中亞穩態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結構，實現了129Xe和131Xe的定量測量[16]，還采用腔衰蕩吸收光譜技術，實現了Xe總量及129Xe，131Xe的高精度測量[17]，可滿足新一代鈉冷快堆裂變氣體產物在線監測的需求。

本文利用823 nm二極管激光器和輝光放電方法，開展了亞穩態Xe的吸收光譜測量技術研究，實現了典型工況下Xe總粒子數密度及129Xe，131Xe粒子數密度的實時在線測量，驗證了采用激光吸收光譜技術測量惰性氣體Xe的可行性。

1測量系統及原理

TDLAS是基于二極管激光器約2 MHz的窄線寬和掃描頻率可達100 kHz的波長快速掃描特性，實現對探測組分特定吸收譜線的共振吸收測量。該技術的最大優勢是具有超高的選擇性，這是因為吸收譜線可稱為分子的“指紋”，當選定特征吸收線后，測量過程中該特征吸收性不受其他組分的干擾。惰性氣體Xe存在亞穩態，可通過射頻放電的方式將基態Xe激發至亞穩態，激發至第一激發態的吸收波長為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同位素譜線精細結構的測量需求。圖1為Xe能級結構示意圖。圖2為亞穩態Xe吸收光譜測量系統示意圖。

圖1Xe能級結構示意圖Fig.1Schematic diagram of Xe energy level

圖2亞穩態Xe吸收光譜測量系統示意圖Fig.2Schematic diagram of metastable Xeabsorption spectroscopy measurement system

該測量系統主要由中心波長為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、光電探測器、數據采集卡及波長計等組成。工作原理為：首先，利用激光控制器調節二極管激光器的溫度和靜態電流，使其輸出波長為823.16 nm。其次，采用數據采集卡產生的鋸齒波電壓信號(頻率為1 kHz、幅值為400 mV)調諧激光器的輸出波長，使其圍繞波長823.16 nm以頻率為1 kHz反復進行掃描。輸出的激光經過透鏡準直后首先通過分束鏡分成2路，一路穿過輝光放電管以實現亞穩態Xe吸收信號的測量，另一路輸入至波長計以實現激光波長的在線監測。最后，由光電探測器測量激光穿過輝光放電管后的光強變化情況，將光信號轉化為電信號后輸入裝有數據采集卡的計算機中。

輝光放電管的工作狀態為：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是典型的一個波長掃描周期內探測器測量的激光光強I隨時間t的變化曲線及其基線擬合示意圖。圖3中，基線入射光強I0隨時間t的變化關系由非吸收區域激光光強通過多項式擬合得到，多項式擬合的優點是可以消除散射、非共振吸收等因素的影響。

圖3典型的一個波長掃描周期內激光光強隨時間的變化曲線及其基線擬合示意圖

根據比爾-朗伯定理，經過吸收介質后的激光光強I與入射光強I0之間的數學關系為

I(υ)=I0(υ)·exp[-n0S(T)φ(υ)L]

(1)

其中，n0為探測組分的粒子數密度， cm-3；S(T)為吸收線的譜線強度；φ(υ)為吸收線的線型函數；υ為激光波數, cm-1；L為激光在吸收介質中的傳播距離， cm。對測量的I和I0作ln(I0/I)運算，并將式(1)兩端對波數進行積分可得

(2)

2測量結果及分析

圖4給出了連續5個波長掃描周期內測量的激光光強信號。由圖4可見，當激光掃過Xe的吸收譜線時，激光光強出現了明顯的吸收凹陷，且激光測量中具有很好的測量重復性和測量信噪比。利用式(1)對圖4的光強信號作對數運算，可得到亞穩態Xe的吸收光譜，如圖5所示。由圖5可見，測量的吸收譜線具有很好的重復性，且每個波長掃描周期內可清晰地分辨出5個吸收峰。

圖4連續5個波長掃描周期內測量的激光光強信號Fig.4Typical measured laser intensity vs. time in five continuous laser wavelength scanning cycles

圖5連續5個波長掃描周期內亞穩態Xe的吸收光譜Fig.5Typical measured metastable Xe absorption spectrum vs. time in five continuous laserwavelength scanning cycles

圖6為單個波長掃描周期內的亞穩態Xe吸收光譜及其擬合曲線。由圖6可見，曲線上主要有5個吸收峰，每個吸收峰對應一種或多種Xe同位素，Peak 2是129Xe的吸收信號峰，Peak 3是偶數Xe同位素的吸收信號峰，Peak 4是131Xe的吸收信號峰。吸收峰輪廓取決于譜線的線型函數φ(υ)，該函數通常用Voigt函數表示[18]。因此，利用Voigt函數對測量的吸收峰進行擬合，以提高測量精度。根據圖6中實驗測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，測量的光譜信號不能很好地分辨出該吸收峰，導致Peak 3與Peak 4之間的擬合殘差較大。

圖6單個波長掃描周期內亞穩態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總粒子數密度及129Xe，131Xe粒子數密度隨時間的變化關系。由圖7可見，在穩定輝光放電過程中，產生的亞穩態Xe總粒子數密度及129Xe，131Xe粒子數密度基本上保持恒定，圖中測量曲線的波動主要是由放電電流不穩定導致的。后期將優化放電電流和放電氣壓，研究不同狀態下亞穩態Xe的產額，給出激光吸收光譜探測方法的探測靈敏度。

圖7典型工況下測量的Xe總粒子數密度及129Xe， 131Xe粒子數密度隨時間的變化關系Fig.7Measured total particle number density of Xe, 129Xe and 131Xe density vs. time under typical conditions

3總結和展望

本文利用823 nm二極管激光器和輝光放電管建立了亞穩態Xe吸收光譜測量系統，初步實現了典型工況下Xe總粒子數密度及129Xe，131Xe粒子數密度的實時在線測量。激光吸收光譜探測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。后期將進一步研究亞穩態Xe的產生方法，提高亞穩態Xe的產生效率，降低單次檢測的樣品用量。需要指出的是，惰性氣體Kr具有和Xe類似的能級結構，亞穩態Kr的吸收譜線約在811.5 nm附近，因此，激光吸收光譜探測方法有望實現Xe，Kr及其放射性同位素的高選擇性同步測量。