Dans une nouvelle étude, les chercheurs rapportent une approche optimisée de l'utilisation de la spectroscopie par claquage induite par laser (LIBS) pour l'analyse des isotopes de l'hydrogène. Leurs nouvelles découvertes pourraient permettre d'améliorer l'identification et la mesure rapides de l'hydrogène et d'autres isotopes légers qui sont importants dans les matériaux des réacteurs nucléaires et d'autres applications.

LIBS est prometteur pour mesurer les isotopes de l'hydrogène car il ne nécessite aucune préparation d'échantillon et les données peuvent être rapidement acquises avec une configuration expérimentale relativement simple. Cependant, quantifier la concentration d'hydrogène a été difficile avec cette technique analytique.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory montrent que la combinaison d'un laser ultrarapide, qui a des impulsions ultracourtes, avec certaines conditions environnementales permet d'améliorer les mesures LIBS des isotopes de l'hydrogène dans les alliages d'importance industrielle. Cette technique optimisée pourrait permettre une analyse plus rapide des matériaux ayant été irradiés dans les cœurs de réacteurs nucléaires.

"Amélioration de l'imagerie chimique des isotopes de l'hydrogène, comme ce que nous avons réalisé dans ce travail, peut être utilisé pour surveiller le comportement des matériaux dans les réacteurs nucléaires qui nous fournissent de l'électricité, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Sivanandan S. Harilal. " Il peut également être très utile pour le développement de matériaux de prochaine génération pour le stockage de l'hydrogène qui peuvent permettre de nouvelles technologies énergétiques et pour analyser la corrosion des matériaux lorsqu'ils sont exposés à l'eau. "

Mesure des isotopes

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont travaillé pour trouver les meilleures conditions pour mesurer les isotopes de l'hydrogène dans le Zircaloy-4. Les alliages de zirconium sont largement utilisés dans la technologie nucléaire, y compris comme gainage pour les barres de combustible nucléaire dans les réacteurs à eau sous pression. Mesurer la quantité d'hydrogène absorbée par le matériau pendant le fonctionnement du réacteur est important pour comprendre les performances du matériau.

Pour effectuer LIBS, un laser pulsé est utilisé pour générer un plasma sur l'échantillon. Le plasma produit par laser émet une lumière caractéristique des différentes espèces du panache de plasma, comme les ions, atomes, électrons et nanoparticules.

L'utilisation de LIBS pour détecter des isotopes spécifiques nécessite de mesurer des spectres d'émission d'atomes extrêmement étroits. C'est difficile pour les isotopes d'éléments plus légers comme l'hydrogène parce que les températures extrêmes—10, 000 Kelvin ou plus—des plasmas produits par laser élargit les raies spectrales.

Pour l'étude, les chercheurs ont effectué LIBS avec différentes conditions de génération de plasma en utilisant divers lasers pour générer des plasmas et en testant différents environnements d'analyse. Ils ont collecté la lumière émise à différents moments après la génération du plasma et à différentes distances de l'échantillon en utilisant une imagerie spectrale résolue spatialement et temporellement, ou imagerie spectrale 2-D.

« L'imagerie spectrale 2D nous a permis de savoir où et quand l'émission des isotopes de l'hydrogène était la plus forte, " a déclaré Harilal. " En raison des multiples espèces présentes dans un panache de plasma et de sa nature transitoire, il est essentiel d'analyser les plasmas d'une manière résolue spatialement et temporellement."

L'ultra-rapide est le meilleur

Les résultats ont montré que les plasmas produits par des lasers ultrarapides étaient meilleurs pour l'analyse isotopique de l'hydrogène que les plasmas traditionnels produits par laser nanoseconde et que la génération des plasmas dans un environnement gazeux d'hélium avec une pression modérée fournissait les meilleures conditions d'analyse.

« L'hydrogène est présent dans tous les milieux, rendant difficile la distinction entre l'hydrogène à mesurer et celui de l'environnement à l'aide de toute technique analytique, " a déclaré Harilal. "Nos résultats montrent que le LIBS ultrarapide est capable de différencier les impuretés d'hydrogène de l'hydrogène soluté."

Les chercheurs prévoient d'effectuer des études supplémentaires pour optimiser davantage l'utilisation de lasers ultrarapides pour l'analyse isotopique de l'hydrogène avec LIBS.