基于激光吸收光谱的惰性气体Xe在线探测技术

陶 波，王 淏，朱 峰，黄 超，李高鹏，李国华，黄 珂

(西北核技术研究所，西安710024； 激光与物质相互作用国家重点实验室，西安710024)

惰性气体Xe是裂变反应的主要气体产物之一，在线监测Xe的含量具有重要意义。首先，Xe是核试验的重要示踪气体，其同位素131mXe,133Xe,133mXe,135Xe是《全面禁止核试验条约》中监测秘密核试验使用的最重要的放射性核素[1]。其次，在核反应堆运行中，可能会出现燃料棒包壳破损的情况，气体裂变产物Xe会通过燃料棒包壳破口最先泄漏[2]，因此，监测Xe可用于评估核反应堆的运行状况，避免核安全事故的发生。目前，裂变产物Xe的主要探测方法是利用放射性探测设备测量样品中放射性同位素的活度[3-4]，并结合气相色谱/热导池检测器在线测量样品中稳定组分的含量[5]。该方法的主要不足是需要采用体积较大的Xe同位素取样器进行Xe的吸附、浓缩和纯化，导致整套监测设备可移动性差，不易实现Xe的实时在线监测。

随着激光技术和光谱探测技术的发展，可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)有望实现高灵敏度在线探测[6-7]。TDLAS是一种能级共振吸收方法，具有选择性好、响应速度快及可定量测量等特点。与放射性测量方法相比，TDLAS的装置简单紧凑，有望将探测装置放置于无人机上进行实时在线监测[8]，并利用不同的Xe同位素导致的吸收线频移，通过测量Xe吸收线的精细结构，可实现Xe同位素的选择性定量测量[9]。

Xe的第一电子吸收带处于深紫外区，虽然目前没有该波段的激光源，但由于Xe存在亚稳态，所以可通过放电方式将基态Xe泵浦至亚稳态[10]。在对Xe光谱精细结构的研究中，1994年， Walhout等通过实验精确测量了Xe的亚稳态能级寿命[11]；1999年， Amico等测量了823 nm附近Xe稳定同位素的谱线频移及光谱精细结构[12]；Date等通过理论和实验，分析了射频放电情况下基态Xe至亚稳态Xe的产额[13]；Pawelec等详细给出了近红外波段Xe稳定同位素的光谱精细结构[9]；Hickman等采用射频放电和916 nm激光抽运相结合的方式，将传统的亚稳态Xe的产额提高了11倍[14]；在对亚稳态Xe及其同位素的吸收光谱探测研究中，2006年， Oh等基于823 nm的外腔调谐二极管激光器并采用直接吸收法，测量了放电等离子体中亚稳态Xe的浓度[15]；Jacquet等基于直接吸收法并利用Xe同位素的吸收线精细结构，实现了129Xe和131Xe的定量测量[16]，还采用腔衰荡吸收光谱技术，实现了Xe总量及129Xe，131Xe的高精度测量[17]，可满足新一代钠冷快堆裂变气体产物在线监测的需求。

本文利用823 nm二极管激光器和辉光放电方法，开展了亚稳态Xe的吸收光谱测量技术研究，实现了典型工况下Xe总粒子数密度及129Xe，131Xe粒子数密度的实时在线测量，验证了采用激光吸收光谱技术测量惰性气体Xe的可行性。

1测量系统及原理

TDLAS是基于二极管激光器约2 MHz的窄线宽和扫描频率可达100 kHz的波长快速扫描特性，实现对探测组分特定吸收谱线的共振吸收测量。该技术的最大优势是具有超高的选择性，这是因为吸收谱线可称为分子的“指纹”，当选定特征吸收线后，测量过程中该特征吸收性不受其他组分的干扰。惰性气体Xe存在亚稳态，可通过射频放电的方式将基态Xe激发至亚稳态，激发至第一激发态的吸收波长为823.16 nm[17]。目前，823 nm波段有成熟的商品化激光源，可满足不同Xe同位素谱线精细结构的测量需求。图1为Xe能级结构示意图。图2为亚稳态Xe吸收光谱测量系统示意图。

图1Xe能级结构示意图Fig.1Schematic diagram of Xe energy level

图2亚稳态Xe吸收光谱测量系统示意图Fig.2Schematic diagram of metastable Xeabsorption spectroscopy measurement system

该测量系统主要由中心波长为823.16 nm的二极管激光器(线宽约为2 MHz，功率约为3 mW)及其控制器、辉光放电管、光电探测器、数据采集卡及波长计等组成。工作原理为：首先，利用激光控制器调节二极管激光器的温度和静态电流，使其输出波长为823.16 nm。其次，采用数据采集卡产生的锯齿波电压信号(频率为1 kHz、幅值为400 mV)调谐激光器的输出波长，使其围绕波长823.16 nm以频率为1 kHz反复进行扫描。输出的激光经过透镜准直后首先通过分束镜分成2路，一路穿过辉光放电管以实现亚稳态Xe吸收信号的测量，另一路输入至波长计以实现激光波长的在线监测。最后，由光电探测器测量激光穿过辉光放电管后的光强变化情况，将光信号转化为电信号后输入装有数据采集卡的计算机中。

辉光放电管的工作状态为：管中充入压力为50～80 Pa的Xe气体，充气前管中抽真空至10-4Pa，电极两端加直流高压约1 kV，形成直流辉光放电。图3是典型的一个波长扫描周期内探测器测量的激光光强I随时间t的变化曲线及其基线拟合示意图。图3中，基线入射光强I0随时间t的变化关系由非吸收区域激光光强通过多项式拟合得到，多项式拟合的优点是可以消除散射、非共振吸收等因素的影响。

图3典型的一个波长扫描周期内激光光强随时间的变化曲线及其基线拟合示意图

根据比尔-朗伯定理，经过吸收介质后的激光光强I与入射光强I0之间的数学关系为

I(υ)=I0(υ)·exp[-n0S(T)φ(υ)L]

(1)

其中，n0为探测组分的粒子数密度， cm-3；S(T)为吸收线的谱线强度；φ(υ)为吸收线的线型函数；υ为激光波数, cm-1；L为激光在吸收介质中的传播距离， cm。对测量的I和I0作ln(I0/I)运算，并将式(1)两端对波数进行积分可得

(2)

2测量结果及分析

图4给出了连续5个波长扫描周期内测量的激光光强信号。由图4可见，当激光扫过Xe的吸收谱线时，激光光强出现了明显的吸收凹陷，且激光测量中具有很好的测量重复性和测量信噪比。利用式(1)对图4的光强信号作对数运算，可得到亚稳态Xe的吸收光谱，如图5所示。由图5可见，测量的吸收谱线具有很好的重复性，且每个波长扫描周期内可清晰地分辨出5个吸收峰。

图4连续5个波长扫描周期内测量的激光光强信号Fig.4Typical measured laser intensity vs. time in five continuous laser wavelength scanning cycles

图5连续5个波长扫描周期内亚稳态Xe的吸收光谱Fig.5Typical measured metastable Xe absorption spectrum vs. time in five continuous laserwavelength scanning cycles

图6为单个波长扫描周期内的亚稳态Xe吸收光谱及其拟合曲线。由图6可见，曲线上主要有5个吸收峰，每个吸收峰对应一种或多种Xe同位素，Peak 2是129Xe的吸收信号峰，Peak 3是偶数Xe同位素的吸收信号峰，Peak 4是131Xe的吸收信号峰。吸收峰轮廓取决于谱线的线型函数φ(υ)，该函数通常用Voigt函数表示[18]。因此，利用Voigt函数对测量的吸收峰进行拟合，以提高测量精度。根据图6中实验测量谱与理论拟合谱之间的残差可知，Peak 3与Peak 4之间的拟合残差最大。分析认为，从理论上讲，Peak 3与Peak 4之间还存在129Xe的微弱吸收峰，但受谱线展宽的影响，测量的光谱信号不能很好地分辨出该吸收峰，导致Peak 3与Peak 4之间的拟合残差较大。

图6单个波长扫描周期内亚稳态Xe的吸收光谱及其拟合谱线Fig.6Measured metastable Xe absorption spectral and itsVoigt line shape fitting in one wavelength scanning cycle

图7为Xe气压为70 Pa、放电电流为4 mA工况下，利用Voigt多峰拟合和式(2)反演出的Xe总粒子数密度及129Xe，131Xe粒子数密度随时间的变化关系。由图7可见，在稳定辉光放电过程中，产生的亚稳态Xe总粒子数密度及129Xe，131Xe粒子数密度基本上保持恒定，图中测量曲线的波动主要是由放电电流不稳定导致的。后期将优化放电电流和放电气压，研究不同状态下亚稳态Xe的产额，给出激光吸收光谱探测方法的探测灵敏度。

图7典型工况下测量的Xe总粒子数密度及129Xe， 131Xe粒子数密度随时间的变化关系Fig.7Measured total particle number density of Xe, 129Xe and 131Xe density vs. time under typical conditions

3总结和展望

本文利用823 nm二极管激光器和辉光放电管建立了亚稳态Xe吸收光谱测量系统，初步实现了典型工况下Xe总粒子数密度及129Xe，131Xe粒子数密度的实时在线测量。激光吸收光谱探测方法是基于激光与原子的共振吸收作用，具有可分辨同位素的超高选择性。后期将进一步研究亚稳态Xe的产生方法，提高亚稳态Xe的产生效率，降低单次检测的样品用量。需要指出的是，惰性气体Kr具有和Xe类似的能级结构，亚稳态Kr的吸收谱线约在811.5 nm附近，因此，激光吸收光谱探测方法有望实现Xe，Kr及其放射性同位素的高选择性同步测量。