En un nuevo estudio, Los investigadores informan de un enfoque optimizado para el uso de espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) para analizar isótopos de hidrógeno. Sus nuevos hallazgos podrían permitir una mejor identificación y medición rápidas del hidrógeno y otros isótopos ligeros que son importantes en los materiales de los reactores nucleares y otras aplicaciones.

LIBS es prometedor para medir isótopos de hidrógeno porque no requiere preparación de muestras y los datos se pueden adquirir rápidamente con una configuración experimental relativamente simple. Sin embargo, cuantificar la concentración de hidrógeno ha sido un desafío con esta técnica analítica.

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico muestran que la combinación de un láser ultrarrápido, que tiene pulsos ultracortos, con ciertas condiciones ambientales ayuda a mejorar las mediciones de LIBS de isótopos de hidrógeno en aleaciones de importancia industrial. Esta técnica optimizada podría permitir un análisis más rápido de los materiales que se han irradiado en los núcleos de los reactores nucleares.

"Imágenes químicas mejoradas de isótopos de hidrógeno, como lo que realizamos en este trabajo, se puede utilizar para monitorear el comportamiento de materiales en reactores nucleares que nos proporcionan electricidad, ", dijo el líder del equipo de investigación Sivanandan S. Harilal." También puede ser muy valioso para el desarrollo de materiales de próxima generación para el almacenamiento de hidrógeno que pueden permitir nuevas tecnologías de energía y para analizar la corrosión del material cuando se expone al agua ".

Medición de isótopos

En el nuevo trabajo los investigadores trabajaron para encontrar las mejores condiciones para medir isótopos de hidrógeno en Zircaloy-4. Las aleaciones de circonio se utilizan ampliamente en tecnología nuclear, incluso como revestimiento para barras de combustible nuclear en reactores de agua a presión. Medir la cantidad de hidrógeno que recoge el material durante la operación del reactor es importante para comprender el rendimiento del material.

Para realizar LIBS, se utiliza un láser pulsado para generar un plasma en la muestra. El plasma producido por láser emite luz que es característica de las diferentes especies en la pluma de plasma, como los iones, átomos, electrones y nanopartículas.

El uso de LIBS para detectar isótopos específicos requiere medir espectros de emisión de átomos extremadamente estrechos. Esto es difícil para los isótopos de elementos más ligeros como el hidrógeno porque las temperaturas extremas — 10, 000 Kelvin o más:de plasmas producidos por láser amplían las líneas espectrales.

Para el estudio, Los investigadores realizaron LIBS con diferentes condiciones de generación de plasma utilizando varios láseres para generar plasmas y probando diferentes entornos de análisis. Recogieron la luz emitida en diferentes momentos después de que se generó el plasma y a diferentes distancias de la muestra utilizando imágenes espectrales resueltas espacial y temporalmente. o imágenes espectrales 2-D.

"Las imágenes espectrales 2-D nos permiten rastrear dónde y cuándo la emisión de isótopos de hidrógeno fue más fuerte, ", dijo Harilal." Debido a las múltiples especies presentes en una columna de plasma y su naturaleza transitoria, es fundamental analizar los plasmas de una manera resuelta espacial y temporalmente ".

Ultrarrápido es lo mejor

Los resultados mostraron que los plasmas producidos por láseres ultrarrápidos eran mejores para el análisis isotópico de hidrógeno que los plasmas tradicionales producidos por láser de nanosegundos y que la generación de plasmas en un entorno de gas helio con presión moderada proporcionaba las mejores condiciones de análisis.

"El hidrógeno está presente en todos los entornos, lo que dificulta distinguir el hidrógeno que debe medirse del que se encuentra en el medio ambiente utilizando cualquier técnica analítica, ", dijo Harilal." Nuestros resultados muestran que el LIBS ultrarrápido es capaz de diferenciar las impurezas de hidrógeno del hidrógeno soluto ".

Los investigadores planean realizar estudios adicionales para optimizar aún más el uso de láseres ultrarrápidos para el análisis isotópico de hidrógeno con LIBS.