In un nuovo studio, i ricercatori segnalano un approccio ottimizzato all'utilizzo della spettroscopia di rottura indotta da laser (LIBS) per l'analisi degli isotopi dell'idrogeno. Le loro nuove scoperte potrebbero consentire una migliore identificazione e misurazione rapida dell'idrogeno e di altri isotopi leggeri che sono importanti nei materiali dei reattori nucleari e in altre applicazioni.

LIBS è promettente per la misurazione degli isotopi dell'idrogeno perché non richiede la preparazione del campione e i dati possono essere acquisiti rapidamente con una configurazione sperimentale relativamente semplice. Però, quantificare la concentrazione di idrogeno è stato difficile con questa tecnica analitica.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory mostrano che la combinazione di un laser ultraveloce, che ha impulsi ultracorti, con determinate condizioni ambientali aiuta a migliorare le misurazioni LIBS degli isotopi di idrogeno in leghe di importanza industriale. Questa tecnica ottimizzata potrebbe consentire un'analisi più rapida dei materiali che sono stati irradiati nei nuclei dei reattori nucleari.

"Imaging chimico migliorato degli isotopi dell'idrogeno, come quello che abbiamo eseguito in questo lavoro, può essere utilizzato per monitorare il comportamento dei materiali nei reattori nucleari che ci forniscono elettricità, " ha affermato il capo del gruppo di ricerca Sivanandan S. Harilal. "Può anche essere molto prezioso per lo sviluppo di materiali di prossima generazione per lo stoccaggio dell'idrogeno che possono consentire nuove tecnologie energetiche e per analizzare la corrosione dei materiali se esposti all'acqua".

Misurazione degli isotopi

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno lavorato per trovare le migliori condizioni per misurare gli isotopi di idrogeno in Zircaloy-4. Le leghe di zirconio sono ampiamente utilizzate nella tecnologia nucleare, anche come rivestimento per barre di combustibile nucleare in reattori ad acqua pressurizzata. Misurare la quantità di idrogeno che il materiale preleva durante il funzionamento del reattore è importante per comprendere le prestazioni del materiale.

Per eseguire LIBS, un laser pulsato viene utilizzato per generare un plasma sul campione. Il plasma prodotto dal laser emette luce caratteristica delle diverse specie nel pennacchio di plasma, come ioni, atomi, elettroni e nanoparticelle.

L'utilizzo di LIBS per rilevare isotopi specifici richiede la misurazione di spettri di emissione degli atomi estremamente ristretti. Questo è difficile per gli isotopi di elementi più leggeri come l'idrogeno perché le temperature estreme-10, 000 Kelvin o superiore:dei plasmi prodotti dal laser amplia le righe spettrali.

Per lo studio, i ricercatori hanno eseguito LIBS con diverse condizioni di generazione del plasma utilizzando vari laser per generare plasmi e testando diversi ambienti di analisi. Hanno raccolto la luce emessa in momenti diversi dopo la generazione del plasma e a diverse distanze dal campione utilizzando immagini spettrali risolte spazialmente e temporalmente, o imaging spettrale 2-D.

"L'imaging spettrale 2-D ci ha permesso di tracciare dove e quando l'emissione di isotopi di idrogeno era la più forte, "ha detto Harilal. "A causa delle molteplici specie presenti in un pennacchio di plasma e della sua natura transitoria, è fondamentale analizzare i plasmi in modo spazialmente e temporalmente risolto".

Ultraveloce è il migliore

I risultati hanno mostrato che i plasmi prodotti da laser ultraveloci erano migliori per l'analisi isotopica dell'idrogeno rispetto ai plasmi prodotti da laser a nanosecondi tradizionali e che la generazione dei plasmi in un ambiente di gas elio con una pressione moderata forniva le migliori condizioni di analisi.

"L'idrogeno è presente in tutti gli ambienti, rendendo difficile distinguere l'idrogeno che deve essere misurato da quello nell'ambiente utilizzando qualsiasi tecnica analitica, " ha detto Harilal. "I nostri risultati mostrano che LIBS ultraveloce è in grado di differenziare le impurità dell'idrogeno dall'idrogeno soluto".

I ricercatori hanno in programma di eseguire ulteriori studi per ottimizzare ulteriormente l'uso di laser ultraveloci per l'analisi isotopica dell'idrogeno con LIBS.