JAAS：利用新型元素快速成像技术LIBS表征核燃料替代物TRISO颗粒

美国橡树岭国家实验室研究人员首次提出使用LIBS作为表征TRISO颗粒元素成分的方法，可快速获得其剖面元素分布2D成像和深度元素分布信息。与传统的元素分析技术(例如，基于电感耦合等离子体的方法)不同，LIBS的优势在于它可以直接分析样品表面，并可以检测轻元素，如C和O，使其成为一种可行的技术，用于分析小的多层颗粒，因为在这些颗粒的生产中保证了空间元素信息。在该工作中，LIBS成功地用于识别小层(30 – 50 μm)，检测碳层和氧层的位置，并提供了快速二维绘图(每个颗粒<5分钟)和深度元素分布信息(每个颗粒10秒)。

该研究采用ESL ImageGEO193^LIBS准分子激光剥蚀系统，配备ESLumen光谱仪，对样品进行高速LIBS元素成像和深度元素分析，测量系统如图2所示。

首先，研究人员利用LIBS确定了TRISO颗粒横截面各个区域的元素组成，结果如图3所示，可以清楚地看到PyC内层中有一小部分在ZrC外层中。正如预期的那样，在ZrC外层和ZrO₂内核中发现了Zr光谱峰。

此外，241 nm的Y光谱峰在内核光谱中清晰可见，而在ZrC外层则没有。在第二段光谱图(480-495 nm，图3b)中，可以看到Zr在外层和内核中有相同的趋势，490 nm的Y谱图只在内核中。最后，第三部分光谱图(770-800 nm，图3c)发现了内核中O777 nm 光谱信号。这当然是意料之中的，因为内核是氧化钇稳定的氧化锆。

随后，研究人员使用两种光斑（25 μm * 25 μm和50 μm * 50 μm），在Overlap80%、1000 mL/min He、8.35 J/cm2和200Hz频率条件下对TRISO颗粒进行2D元素成像分析，对单个颗粒的2D mapping总时间分别为5分16秒和4分48秒。结果如图4所示。据报道，替代TRISO颗粒的外ZrC层平均约为30 μm，并且可以清楚地看到，与50 μm * 50 μm的光斑相比，25 μm * 25 μm的光斑提供了更好的空间分辨率。

此外，该工作还还绘制了包含12个颗粒的大面积元素成像图。该数据如图5所示，成像条件与单个TRISO颗粒成像条件 一致。

首先使用50 μm * 50 μm的光斑，绘制该区域(5.66 × 4.25 mm)共使用426条线，总时间为32分22秒。所有颗粒的不同层间元素分布特征相似。随后，该工作使用25 μm * 25 μm的矩形光斑对局部的6个TRISO颗粒进行精细面扫，在x和y方向上有80%的重叠，总时间为32分22秒(尽管面积较小，为2.95 × 2.33 mm)。25 μm * 25 μm的矩形光斑可以产生更高分辨率的图像，但是，分析相同区域所需的时间要比分析50 μm * 50 μm光斑所需的时间长。如需使用LIBS对辐照后的TRISO颗粒进行mapping分析，则可能需要更精细的分辨率来分析裂变产物的分布。从图5的25 μm * 25 μm矩形光斑成像图中可以看出，外层ZrC层的缺陷得到了较好的解决，并且可以识别出内核中的Y分布。

最后，该研究利用LIBS对TRISO颗粒的深度元素分布变化进行了分析，结果如图6所示。在每个样品中，激光聚焦到颗粒的最高点，并使用100 μm * 100 μm的矩形光斑对样品进行剥蚀。每个样品在200 Hz（2000个激光脉冲）下分析10 s。然后将收集到的数据在iolite中进行处理，以便对每个激光脉冲的C247, Zr414, O777和Y490 nm光谱信号强度进行集成。绘制了平均和归一化元素强度与射击数的关系(图6a)。

除了元素深度分布信息之外，LIBS还提供了比较轻元素和金属元素分布水平的独特能力。例如，图6b和图c分别显示了O/Zr和Zr/C的比值与打点数的关系。从图中可以看出，Zr/C的比值在ZrC外层保持恒定，当达到ZrO₂核时，比值渐近线。O/Zr的比值提供了一个有趣的见解，即在ZrO₂内核中存在一个小的不均匀性，其中O似乎更集中在内核中，这可能是由于生产颗粒的加热过程导致的(1500°C)，这与另一项工作使用辉光放电质谱(GD-MS)分析热处理涂层时观察到的结果一致。