Analyse de l'oxyde de gadolinium par micro-ondes

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4828 (2023) Citer cet article

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Nous rapportons l'analyse de l'oxyde de gadolinium pur (Gd2O3) et sa détection lorsqu'il est mélangé à des débris nucléaires de substitution à l'aide de la spectroscopie de dégradation induite par micro-laser couplée à des fibres micro-ondes (MWE-FC-MLIBS). L'application visée est l'analyse à distance des débris nucléaires contenant de l'uranium (U) à l'intérieur de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi. Les débris nucléaires de substitution utilisés dans cette étude contenaient du gadolinium (Gd), du cérium (Ce), du zirconium (Zr) et du fer (Fe). Ce est un substitut de U, et Gd2O3 est un excellent indice de danger car il est incorporé dans certains crayons combustibles. La détection de Gd est essentielle pour évaluer les débris avant le processus de récupération. Les débris de substitution ont été enlevés par un micro-laser 849 ps 1064 nm dans des conditions de pression atmosphérique tandis qu'une antenne hélicoïdale a propagé des micro-ondes de 2,45 GHz 1,0 kW pendant 1,0 ms dans l'ablation laser, qui a ensuite été caractérisée par une caméra haute vitesse et des spectromètres haute résolution. Les résultats ont montré que l'expansion du plasma induite par les micro-ondes a conduit à des signaux d'émission améliorés de Gd I, Zr I, Fe I, Ce I et Ce II. Aucune auto-absorption des émissions de Gd n'est ressortie des graphiques d'étalonnage des limites de détection. De plus, l'irradiation par micro-ondes a diminué les écarts-types des émissions de Gd et de Ce et a abaissé la limite de détection du Gd de 60 %.

Lors du démantèlement des débris de combustible nucléaire à la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, le stockage et l'élimination des matières radioactives sont devenus des enjeux majeurs1. Le tri du mélange complexe de colonnes en béton, de barrières en acier, de barres de combustible et de combustible nucléaire en fusion est entravé par un environnement hautement radioactif supérieur à 70 Gy/h2. Bien qu'il soit possible d'explorer l'intérieur du réacteur avec une caméra à haute résolution, une analyse quantitative est nécessaire pour comprendre le niveau de contamination nucléaire de chaque débris. Les mesures de fluorescence X (XRF) ont également été étudiées pour la détection dans le cœur3. Cependant, la durabilité au rayonnement de la spectroscopie de claquage induit par laser couplé à la fibre (FC) (LIBS), qui est capable de supporter 800 Gy/h pendant 2 h, confirme un fonctionnement in-situ garanti4,5,6,7.

La composition présumée des débris de combustible nucléaire comprend l'oxyde d'uranium (UO2) du combustible nucléaire, le zirconium (Zr) de la gaine, l'acier inoxydable (Fe, Ni, Cr) du matériau de structure environnant et l'oxyde de gadolinium (Gd2O3), qui a été incorporé dans certaines des barres de combustible1,2,8. Le Gd2O3 est utilisé pour contrôler la réactivité du combustible, car le gadolinium (Gd) agit comme un absorbeur consommable de neutrons thermiques à l'aide des sections efficaces d'absorption neutronique élevée des isotopes 155Gd et 157Gd8,9. Gd est donc un excellent indice de risque pour chaque débris ; ainsi, la mesure de l'abondance relative de Gd dans les débris est essentielle. Cependant, en raison de la forte radioactivité à l'intérieur de la cuve du réacteur, les débris de combustible nucléaire sont actuellement inaccessibles et doivent encore être identifiés. Ainsi, il existe un besoin impérieux de procédés pour analyser à distance les débris et détecter les éléments ci-dessus dans un champ de rayonnement élevé.

Étant donné que les débris de combustible réels ne sont pas disponibles sous forme d'échantillon, les mesures FC-LIBS ont été effectuées à l'aide de débris nucléaires de substitution synthétisés à partir de matériaux d'oxydes mixtes contenant Gd, Zr, Fe et cérium (Ce). Ce est un substitut de l'uranium (U) en raison des similitudes dans sa structure électronique9,10. La détection de Gd à l'aide de LIBS dans de tels matériaux complexes est difficile en raison de la présence de raies spectrales denses provenant d'éléments de terres rares qui interfèrent fortement les unes avec les autres.

LIBS utilise des diagnostics optiques plasma induits par laser pour l'analyse élémentaire de mélanges complexes, avec une préparation d'échantillon minimale ou nulle11,12. La technique a été utilisée pour détecter et analyser avec succès divers échantillons contenant U7,13,14,15. U sous sa forme naturelle peut être enrichi en diverses fractions atomiques de matières fissiles pour une utilisation dans les réacteurs nucléaires. Un examen récent des applications LIBS aux plasmas U16 a énuméré les avantages de l'utilisation de LIBS pour l'identification des matières nucléaires, y compris la détection rapide à longue portée de la composition isotopique des matières nucléaires. Cependant, l'atténuation induite par le rayonnement de la transmission de la lumière limite l'application de LIBS ; ainsi, des micro-lasers ont été développés9.

Un micro-laser est composé de céramique composite pompée par une diode laser à onde quasi-continue (CW), générant une impulsion laser suffisamment intense pour l'ablation et la formation de plasma sur la cible17,18. Plusieurs avantages de l'utilisation des micro-lasers ont été répertoriés dans le rapport sur le développement du micro-laser9, notamment une sonde en céramique jetable à faible coût, essentielle pour les applications de détection nucléaire dans le cœur. Cependant, l'analyse à distance sous des niveaux de rayonnement élevés nécessite plus de 50 m de fibre optique de la source laser au site de détection, ce qui peut atténuer l'émission du signal mesuré.

LIBS amélioré par micro-ondes (MWE-LIBS) surmonte les défis émergents des applications de détection dans le cœur de LIBS grâce à une émission améliorée15,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. Au fur et à mesure que les micro-ondes se propagent dans le plasma induit par laser, l'excitation et la recombinaison des atomes sont entraînées dans un processus cyclique par l'accélération des électrons libres. Le plasma en expansion augmente l'absorption des micro-ondes, ce qui augmente encore les activités de collision des électrons, des atomes excités et des molécules d'air environnantes. Le résultat est un plasma hors d'équilibre à volume élevé avec des durées de vie qui durent plus longtemps que la durée des micro-ondes. À son tour, le rapport signal sur bruit (SNR) augmente plusieurs centaines de fois en raison de l'amélioration de l'intensité d'émission, qui a été précédemment signalée pour diverses cibles telles que l'oxyde d'aluminium (Al2O3), les plaques de plomb (Pb), le cuivre (Cu) métal et Zr métal20,21,22,26.

Cette étude examine les effets combinés des micro-lasers et des micro-ondes sur l'analyse du Gd2O3 sous diverses formes, à la fois pur et mélangé dans des débris de combustible nucléaire de substitution. Une caméra à grande vitesse et des spectromètres à haute résolution ont été utilisés pour caractériser la dynamique du plasma, les facteurs d'amélioration des émissions, le SNR et la limite de détection (LOD) de Gd. De plus, une analyse d'image de la formation du plasma a été effectuée pour mesurer la propagation du plasma avec et sans micro-ondes, et pour mesurer le changement temporel de la région du plasma. Nous avons également cherché à identifier l'effet des micro-ondes sur l'auto-absorption de la ligne Gd dans la courbe d'étalonnage LOD et à clarifier l'effet des micro-ondes sur la quantification LOD.

Les figures 1a et b montrent les schémas de fonctionnement du micro-laser, qui consiste en une céramique composite monolithique Nd:YAG/Cr:YAG (Konoshima Chemical/Baikowski Japon, Japon). Le Nd:YAG sert de milieu de gain qui est pompé en bout par une diode laser quasi-CW FC de 808 nm (JOLD-120-QPXF-2P iTEC ; JENOPTIK, FRG). La diode laser a produit une puissance de sortie maximale de 200 W à un courant de 120 A avec une alimentation (PS ; PLWB168 ; UNITAC, Japon). Cr:YAG a agi comme un absorbeur saturable, permettant une commutation Q passive dans le composite sans dispositifs supplémentaires. Grâce au pompage et au stockage (> 60 μs), le laser émet des impulsions laser instantanées avec une énergie laser de 1,0 mJ, une largeur d'impulsion de 849 ps et une longueur d'onde de 1064 nm. Les figures 1c et d montrent des images réelles de la céramique composite et de son récipient en acier inoxydable. Plus d'informations sur le micro-laser peuvent être trouvées dans la référence9.

Micro-laser. (a) Illustration et (b) schéma de fonctionnement du micro-laser monolithique à diode laser (LD) à onde quasi-continue (CW) céramique composite Nd:YAG/Cr:YAG, ainsi que des images réelles du composite céramique (c) et (d) récipient en acier inoxydable.

Le Gd2O3 pur (Nilaco, Tokyo, Japon) était facilement disponible sous forme solide. Les débris nucléaires de substitution ont été synthétisés à partir de mélanges de poudres de Gd2O3, CeO2, Zr2O3 et Fe2O3 (poudres d'oxyde, Rare Metallic, Tokyo, Japon). Les fractions massiques prévues pour les débris de combustible nucléaire sont basées sur des références8,9. Chaque mélange (0,5 g) a été comprimé sous pression hydrostatique (10 kN) en une pastille d'un diamètre de 8 mm et fritté à 1375 °C pendant 5 h. Des concentrations décroissantes de Gd2O3 de 0,1 à 1,0 % étaient essentielles pour les mesures de LOD. Les fractions massiques de Ce, Zr et Fe ont été fixées à 42,9 % en poids, 23,0 % en poids et 7,9 % en poids, respectivement.

La configuration expérimentale de MWE-FC-MLIBS est illustrée à la Fig. 2. Une alimentation contenant la diode laser transmet une impulsion quasi-CW de 808 nm dans la céramique composite à travers la fibre optique. Un boîtier en aluminium de 60 nm × 120 nm × 900 nm abritait les éléments céramiques et optiques composites. La sortie laser de la céramique composite était transmise au séparateur de faisceau, qui avait un filtre dichroïque de l'autre côté. La lumière réfléchie était transmise à la photodiode avec des impulsions électriques utilisées pour déclencher le générateur d'impulsions. La sortie finale du faisceau laser d'une énergie laser de 1,0 mJ, d'une largeur d'impulsion de 849 ps et d'une longueur d'onde de 1064 nm a été focalisée sur la cible à l'aide d'une lentille de focalisation de 25 mm. L'émission induite par laser a été collectée à l'aide d'une fibre optique de 600 µm.

Schéma de principe de la spectroscopie de claquage induite par micro-laser couplé à une fibre micro-onde (MWE-FC-MLIBS) utilisant un micro-laser en céramique. Le micro-laser céramique composé de Nd:YAG/Cr:YAG monolithique est dans un boîtier en aluminium de 60 nm × 120 nm × 900 nm. L'ablation est couplée à des micro-ondes de 2,45 GHz transmises à l'aide d'une antenne à bobine hélicoïdale avec réflecteur à plaques croisées.

Deux types de spectromètres avec des résolutions spectrales différentes ont été utilisés. Un spectromètre de type échelle (ME5000, Oriel, Andor, UK) avec une résolution λ/5000 a analysé efficacement le spectre d'émission du Gd2O3 pur de 250 à 900 nm. L'analyse des débris nucléaires de substitution a été réalisée à l'aide d'un autre spectromètre de type échelle (Aryelle 400, Lasertechnik Berlin, Allemagne) avec une résolution spectrale très élevée de λ/50 000, qui est capable d'analyser les débris nucléaires de substitution. Le générateur de micro-ondes a fourni les micro-ondes de 2,45 GHz à la bobine hélicoïdale avec des plaques à réflexion croisée22. La puissance réfléchie a été minimisée par un accordeur d'impédance et surveillée par des capteurs de puissance.

Une caméra ultra-rapide (Fastcam SA-Z, Photron, UK) a été utilisée pour visualiser la formation du plasma avec le même signal synchronisé que le tir laser. À 100 000 images par seconde avec un temps d'exposition de 10 μs, une zone de mesure de 720 × 380 pixels2 a été capturée. Dans toutes les conditions expérimentales, un objectif macro Tamron 180 mm AF (Saitama, Japon) a été fixé à une ouverture de F/3,5 et un rapport de zoom de 1:10.

Une caractérisation simple des effets des micro-ondes sur le plasma induit par laser est basée sur le facteur d'amélioration de l'intensité (IEF). L'IEF est exprimé par l'Eq. (1), qui est obtenu en prenant le rapport de l'intensité \({I}_{\uplambda ,\mathrm{MW}}\) de l'émission mesurée à l'aide de MWE-FC-MLIBS à la longueur d'onde \(\uplambda\) et l'intensité d'émission correspondante \({I}_{\uplambda ,\mathrm{LIBS}}\) pour la LIBS standard sans micro-ondes.

Un autre paramètre affecté par les micro-ondes est le SNR, qui est le rapport de l'intensité d'émission à l'écart type du signal de fond. Le SNR est mesuré comme la hauteur du pic Ipeak moins le signal de fond moyen IBG,moyen, qui correspond au signal H. Le signal H est divisé par l'écart type du signal de bruit de fond σ, comme indiqué dans l'Eq. (2).

Dans la détection de Gd, la LOD a été dérivée de la pente des courbes d'étalonnage (S) et de l'écart type (σ) de la solution à blanc en utilisant l'Eq. (3).

La formation de plasma induite par laser sur la surface pure de l'échantillon de Gd2O3 avec et sans énergie micro-ondes ajoutée est illustrée à la Fig. 3a avec les mesures de volume de plasma correspondantes à la Fig. 1 supplémentaire. Le plasma a diminué progressivement en utilisant une énergie laser de 1,0 mJ et l'émission a duré 20 µs sans micro-ondes. En utilisant la même énergie laser, on a observé que l'expansion de l'ablation laser émise durait jusqu'à 1200 µs en transmettant des micro-ondes de 1,0 kW pendant 1,0 ms dans la zone d'ablation. Le plasma induit par laser protégeait initialement les micro-ondes de 0 à 20 µs en raison de sa haute densité et de la fréquence de collision des électrons et des atomes neutres15. À mesure que l'impact de l'énergie laser diminuait, l'absorption des micro-ondes dans le plasma augmentait, augmentant la mobilité des électrons. L'accélération des électrons a finalement affecté la réexcitation cyclique et la recombinaison des atomes de Gd, entraînant une émission accrue. Au-delà de 200 µs, l'interaction plasma-air s'intensifie à mesure que le contact entre le plasma et la surface se réduit. Le plasma a expiré de manière exponentielle après 1,0 ms après la fin de la durée des micro-ondes.

Visualisation de la formation de plasma de (a) Gd2O3 pur à l'aide de MWE-FC-MLIBS et du micro-laser standard. La formation de plasma (b) bien étudiée et les approximations de volume de plasma correspondantes (c) sur Al2O3 en utilisant l'ablation nanoseconde renforcée par micro-ondes ont également été comparées au Gd2O3 pur.

La formation de plasma sur Gd2O3 pur a également été comparée à celle sur Al2O3 et les résultats montrent que l'expansion des micro-ondes a la même dynamique (Fig. 3b, c). Cependant, le plasma se dilate plus rapidement en utilisant du Gd2O3 pur, et le plasma est presque constant de 200 à 1000 µs. Le blindage plasma de la propagation des micro-ondes a été surmonté plus tôt après 10 µs. Le blocage de la propagation des micro-ondes a empêché l'interaction des micro-ondes avec la couche interne du plasma, qui était généralement observée à environ 10 µs7,15,21. Lorsque les micro-ondes ont commencé à interagir avec le plasma induit par laser, le plasma s'est propagé dans l'air ambiant et loin de l'échantillon.

Avant l'intégration des micro-ondes dans le micro-laser, les paramètres de l'antenne étaient optimisés en modifiant l'angle de l'antenne, la puissance des micro-ondes et la puissance des micro-ondes réfléchies19,20,21,22. La figure 4 montre le spectre d'émission du plasma induit par laser sur du Gd2O3 pur en utilisant un temps de retard de 0 µs, un temps d'exposition de 10 ms et une résolution λ/5000. En l'absence de micro-ondes, l'ablation de 1,0 mJ a considérablement diminué avec un délai de porte plus long jusqu'à ce que presque aucune émission ne soit détectée, comme le montre la Fig. 2 supplémentaire. Avec l'ajout d'énergie micro-ondes, l'intensité d'émission a augmenté et les pics d'émission sont devenus plus apparents. La différence d'intensité d'émission entre les deux conditions était importante. Cependant, les émissions du continuum ont considérablement augmenté à mesure que les micro-ondes augmentaient les émissions atomiques de Gd I à 409,8 nm et 419,1 nm.

Spectre d'émission de Gd2O3 pur à 99,9 % en utilisant MWE-FC-MLIBS avec micro-laser céramique et antenne à bobine hélicoïdale. L'émission standard sans les micro-ondes utilisant la même énergie laser de 1,0 mJ est indiquée à titre de comparaison.

L'impact optimal des micro-ondes sur l'intensité et le SNR a été mesuré à l'aide d'un délai de porte de 1,5 µs, comme le montrent les Fig. 5a et b. L'IEF et le SNR ont été calculés sur la base des émissions de Gd I à 409,8 nm et 419,1 nm, avec une puissance MW constante de 1,0 kW et des durées d'impulsion MW variables. En l'absence de micro-ondes, les valeurs IEF et SNR ont été enregistrées comme 1 et 28, respectivement, et tracées sur la valeur zéro de l'axe des x.

La variation de signal et de fond de Gd I résulte avec la durée d'impulsion micro-onde (MW). Le (a) facteur d'amélioration de l'intensité (IEF) et (b) le rapport signal sur bruit (SNR) de l'émission atomique, Gd I, en utilisant MWE-FC-MLIBS pour augmenter la durée des impulsions micro-ondes. La puissance des micro-ondes de 1,0 kW a été maintenue constante.

Il est important de noter que l'impact des micro-ondes sur l'IEF et le SNR peut varier pour d'autres retards de porte. Par exemple, l'IEF fluctue entre 6 et 20 sur la plage de retard de porte de 0 à 200 ns, tout en maintenant un SNR élevé de plus de 500. À des retards de porte plus longs, les signaux d'émission améliorés par micro-ondes ont un effet plus important que l'augmentation du bruit de fond, conduisant à des valeurs IEF et SNR enregistrées élevées.

Des durées d'impulsions micro-ondes plus longues se traduisent par des intensités d'émission améliorées tout en maintenant un faible bruit de fond, comme le montre l'augmentation de l'IEF et du SNR. Cela était dû à l'augmentation temporelle de l'absorption des micro-ondes dans le plasma induit par laser. Dans un environnement de rayonnement de haut niveau, la transmission laser peut être sévèrement atténuée, ce qui rend important de collecter autant d'émissions que possible pour une analyse quantitative précise. Par conséquent, l'utilisation de micro-ondes pour améliorer les intensités d'émission et réduire le bruit de fond offre un avantage significatif dans la détection dans le cœur d'une centrale nucléaire.

La détection de Gd dans des débris nucléaires de substitution avec 1,0 % en poids de Gd2O3 a été réalisée en utilisant 1,0 mJ du micro-laser pour des conditions variées, avec et sans micro-ondes de 1,0 kW. La figure 6 montre les spectres d'émission en utilisant un temps d'exposition de 1,0 ms, un temps de retard de 0,5 µs et une résolution de λ/50 000. Les micro-ondes ont multiplié les intensités d'émission des émissions atomiques de Ce II (446,0 nm), Zr I (477,2 nm), Fe I (510,6) et Gd I (532,8 nm). Dans la région de longueur d'onde de 500, 5 à 502 nm, la détection de l'émission ionique de Ce II à 501, 1 nm et l'émission atomique de Gd I à 501, 5 nm étaient plus prononcées avec l'énergie micro-onde ajoutée. Cependant, les micro-ondes ont également augmenté la base zéro du spectre. Sans l'énergie micro-onde ajoutée, la base zéro du spectre fluctue également, ce qui affecte généralement la précision des mesures.

Spectres d'émission de débris nucléaires de substitution (mélanges de poudres de Gd2O3, CeO2, Zr2O3 et Fe2O3) avec 1,0 % en poids de Gd2O3 à l'aide de MWE-FC-MLIBS. L'émission standard sans les micro-ondes utilisant la même énergie laser de 1,0 mJ est indiquée à titre de comparaison.

La figure 7a montre les spectres d'émission pour différentes concentrations de Gd2O3 dans des débris nucléaires de substitution. Cette région de longueur d'onde a été choisie car l'auto-absorption de l'émission de Gd était moins observée. L'émission atomique de Gd est absente à des concentrations de 0 % en poids mais devient apparente à 1,0 % en poids. A une énergie laser de 1,0 mJ, les courbes d'étalonnage pour la détermination de la LOD de Gd sont présentées sur la figure 7b. Les rapports de Gd I et Ce I ont augmenté avec l'augmentation de la concentration de Gd2O3. Les rapports d'intensité ont diminué en utilisant les micro-ondes de 1,0 kW, 1,0 ms. Les valeurs LOD sont indiquées dans le tableau 1, où les pentes des courbes d'étalonnage sont approximativement égales. Les pentes similaires indiquent que les micro-ondes n'ont pas provoqué d'auto-absorption de Gd. Les micro-ondes ont diminué l'écart type des rapports d'intensité de Gd et Ce. La limite de détection de Gd à 0,459 % en poids était supérieure à celle des mesures précédemment rapportées à 0,060 % en poids en utilisant 10 mJ et 8 ns33. Cependant, les micro-ondes ont diminué la valeur LOD de 60 %, ce qui a entraîné une limite de détection de 0,187 % en poids.

Limite de détection de Gd. Les spectres d'émission (a) et (b) les courbes d'étalonnage de la limite de détection de Gd dans les débris nucléaires de substitution.

Des progrès significatifs dans la détection interne des débris nucléaires à l'intérieur de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi à l'aide de LIBS ont conduit au développement de FC-LIBS5,7,9 et FC-MLIBS9,34. L'atténuation induite par le rayonnement de la transmission de la lumière de 580 à 640 nm limite l'application de FC-LIBS. Comme alternative à faible coût, le FC-MLIBS utilise un micro-laser céramique jetable à faible coût et résout simultanément le problème d'atténuation induite par le rayonnement car la longueur d'onde de 808 nm utilisée pour le pompage final n'est pas affectée. De plus, les céramiques détériorées par les rayonnements ont été efficacement récupérées par traitement thermique. Cependant, les émissions collectées peuvent encore être atténuées par les longues fibres optiques requises. De plus, la puissance laser du FC-MLIBS est limitée à un maximum de 10 mJ car la céramique se détériore avec une exposition plus longue aux rayons gamma. Les micro-ondes peuvent potentiellement résoudre les problèmes d'atténuation dans les applications de détection de débris nucléaires dans le cœur, car elles peuvent être appliquées à distance pour améliorer le plasma induit par laser.

Le développement d'une source micro-ondes et d'une antenne à bobine hélicoïdale pour les applications MWE-LIBS sur l'alumine a été rapporté précédemment22. Les effets des micro-ondes sur l'ablation induite par laser de Gd2O3 à l'aide de LIBS standard dans un environnement à pression réduite ont été discutés dans la référence 15. La détection de Gd dans des débris nucléaires de substitution à l'aide de FC-MLIBS a également été rapportée précédemment4. Cependant, il n'y a pas de rapports antérieurs sur les effets des micro-ondes sur l'ablation par micro-laser. Dans cette étude, nous avons évalué les effets des micro-ondes sur l'analyse de Gd à l'aide de MWE-FC-MLIBS dans des conditions de pression atmosphérique à l'air ambiant ouvert. Il s'agit également de la première application analytique de l'antenne hélicoïdale développée.

Les effets des micro-ondes sur la dynamique du plasma de l'ablation induite par laser de Gd2O3 à l'aide d'un micro-laser ont été discutés qualitativement. Une absorption retardée des micro-ondes due aux effets de protection de l'ablation à haute densité a été observée. La propagation des micro-ondes dans le plasma augmente avec la relaxation du plasma résultant de l'expansion du plasma et d'une émission soutenue qui a duré plus que la durée des micro-ondes. La dynamique du plasma a été observée de manière cohérente pour Gd2O3 et Al2O3.

Dans l'analyse spectroscopique, nous avons constaté que les micro-ondes augmentaient les intensités d'émission du Gd2O3 pur et des débris nucléaires de substitution. Cependant, des émissions continues prononcées ont été observées dans les spectromètres à basse résolution (λ/5000) et la fluctuation de la base zéro dans les spectromètres à haute résolution (λ/50 000) a persisté. Malgré cela, les émissions du continuum et la fluctuation de la base zéro avec l'entrée des micro-ondes n'ont pas entravé la détection quantitative de Gd dans les débris nucléaires de substitution, comme en témoigne la diminution de l'écart type du rapport d'intensité d'émission Gd I/Ce I. L'utilisation de micro-ondes a également réduit la limite de détection de 60 % par rapport aux résultats FC-MLIBS utilisant 1,0 mJ.

Cette étude rapporte l'analyse de Gd2O3, à la fois pur et mélangé dans des débris nucléaires de substitution, en utilisant MWE-FC-MLIBS avec un micro-laser en céramique. Dans du Gd2O3 pur, on a observé que l'expansion de l'ablation laser émise durait jusqu'à 1200 µs lors de la transmission de micro-ondes de 1,0 kW, 1,0 ms dans la zone d'ablation. Le plasma induit par laser empêche initialement les micro-ondes d'interagir avec la couche interne. Lorsque l'impact de l'énergie laser diminue, l'absorption des micro-ondes dans le plasma augmente, accélérant l'expansion du plasma. Au-delà de 200 µs, l'interaction plasma-air s'intensifie à mesure que le plasma s'éloigne de l'échantillon. Le plasma expire de manière exponentielle après 1,0 ms (après la fin de la durée des micro-ondes). Dans l'analyse spectroscopique du Gd2O3 pur, l'IEF et le SNR ont augmenté de manière logarithmique, ce qui était lié à l'augmentation temporelle de l'absorption des micro-ondes dans le plasma. La détection de Gd a été possible en augmentant les concentrations de Gd2O3. Les courbes d'étalonnage ont été construites à partir des rapports d'intensité de Gd et Ce, qui avaient des valeurs de pente égales pour les conditions MWE-FC-MLIBS et LIBS standard. Cela indique que l'auto-absorption n'est pas présente, même si la base zéro des spectres semble augmenter avec l'application de micro-ondes. L'écart type des courbes d'étalonnage a été considérablement réduit lorsque des micro-ondes ont été appliquées. La limite de détection de Gd dans les débris nucléaires de substitution a également été réduite de 60 % par l'utilisation des micro-ondes, ce qui a donné une limite de détection de 0,187 % en poids.

Les données sous-jacentes aux résultats présentés dans cet article ne sont pas accessibles au public pour le moment, mais peuvent être obtenues auprès des auteurs sur demande raisonnable en contactant Yuji Ikeda à [email protected].

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Ce travail a été soutenu par le projet de développement des ressources humaines et de la science de l'énergie nucléaire de JAEA en concentrant la sagesse Grant Number JPJA20P20337946.

Les auteurs n'ont pas reçu de financement externe pour le travail soumis.

i-Lab., Inc., #213 KIBC Bldg., 5-5-2 Minatojima-Minami, Chuo, Kobe, 650-0047, Japon

Yuji Ikeda et Joey Kim Soriano

Laboratoire collaboratif pour la science avancée du déclassement, Agence japonaise de l'énergie atomique (JAEA), 2-4 Shirakata, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki, 319-1195, Japon

Hironori Ohba

Direction de la recherche scientifique sur les faisceaux quantiques, National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), 2-4 Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki, 319-1106, Japon

Hironori Ohba

Laboratoire collaboratif pour la science avancée du déclassement, Agence japonaise de l'énergie atomique (JAEA), 790-1 Motooka, Tomioka-machi, Futaba-gun, Fukushima, 979-1151, Japon

Ikuo Wakaida

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JS était responsable de la collecte des données et de la préparation des chiffres. YI a supervisé l'expérimentation dans i-Lab, Inc. IW et HO ont supervisé la collecte de données spectroscopiques dans JAEA. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Yuji Ikeda.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ikeda, Y., Soriano, JK, Ohba, H. et al. Analyse de l'oxyde de gadolinium à l'aide de la spectroscopie de claquage induite par micro-laser couplée à des fibres micro-ondes. Sci Rep 13, 4828 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32146-x

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Reçu : 16 novembre 2022

Accepté : 23 mars 2023

Publié: 24 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32146-x

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