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Montfort超紧凑纳秒激光器应用于LIBS：在核设施进行的氚元素原位监测技术

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激光诱导击穿光谱（LIBS）实验已在多种聚变装置上进行。2001年，Summers等人利用JET(Joint European Torus)的非原位LIDAR激光器进行了原位测量，通过望远镜、光纤及Hα和CIII干涉滤光片收集光信号。[1]

自1991年以来，JET已开展了六次专门的氚（T）或氘氚（DT）实验。2019年至2023年间，JET未进行真空室内干预和瓦片拆卸操作。

使用设备：Libs使用的是Montfort的激光器

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本文旨在概述2024年10月在JET进行的LIBS实验，当时一套新型LIBS系统安装在远程操作臂上。LIBS用于分析主室和偏滤器区域的材料侵蚀与沉积，涵盖铍（Be）和钨（W）面向等离子体部件。由于燃料同位素的探测对ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)至关重要，本实验的目标还包括通过LIBS准确识别沉积层中的氘和氚，并将其与氢（氕）区分开来。此外，本研究还涉及利用LIBS对取自JET ILW的样品进行多种元素的定性深度分布测量，并将其与后期的事后分析技术结果进行对比。

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该LIBS原型系统如图1所示

LIBS工具的主要部件是一台Nd:YAG激光器（Montfort Laser M-Nano激光器），输出基波波长1064 nm。激光束通过透镜1和透镜2以及两个45°反射镜引导。第二个反射镜是45°入射介质镜，在1064 nm波长处具有最高反射率，并在较短波长处具有高透射率。为聚焦激光束，使用了一个焦距75 mm的熔融石英平凸透镜（L3）。透镜的焦点位于靶内几毫米处，以防止大气气体击穿。实验在大气压力下进行，氩气流量为1 slm。待分析的LIBS样品紧贴一个锥体放置，该锥体便于在锥体内部使用氩气作为背景气体。这种布置确保了光学系统聚焦的可重复性。为防止铍和氚污染周围区域，样品操作器置于有机玻璃柜内。

等离子体羽流的发射光通过位于锥体内的透镜3和45°介质镜共线收集，方向垂直于靶表面，然后经透镜4聚焦到一根20 m长的光纤上，该光纤的活性纯熔融石英纤芯直径为1.5 mm。该设置使得能够收集整个等离子体羽流的发射光。光纤的另一端连接到一个光纤束，该光纤束分为七个输出端口，有效透射率从260 nm开始，从而可将多个光谱仪和JET的其他诊断工具连接到该光纤。

Aryelle光谱的波长校准采用Hg校准灯在200–760 nm光谱范围内进行。光谱灵敏度校准使用Ocean Optics DH2000氘-卤素灯完成，通过调节相机增益函数和门宽来调整强度。对于这两种校准，光纤均从LIBS密封箱断开，直接连接到校准灯。因此，灵敏度曲线未包含LIBS密封箱内部光学元件的影响。不过，最终光学系统的透射率已通过Zemax OpticsStudio 软件确定，并纳入了JET实际LIBS实验的数据分析中。

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在LIBS实验期间，内壁和外壁限制器的分析最为广泛。通常，瓦片中心区域呈现侵蚀特征，中心区域邻近处则在WPL瓦片远端存在一些铍的共沉积。显示了宽极向限制器束4D上被分析的瓦片，图10则给出了WPL瓦片4D14中心位置的Aryelle和Littrow光谱。图10(a)的Aryelle光谱在313.0、332.2和457.3 nm处有多个铍峰。其中465.3 nm处最强的铍峰是一个“鬼峰”，是在Echelle型光谱仪合成光谱过程中产生的伪影。Aryelle光谱在656.3 nm处还有一个Hα峰，但光谱仪的分辨率不足以将Hα和Dα分量分开——这两个分量的波长间隔为0.18 nm。图10(b)显示了同一位置的Littrow光谱，Hα和Dα分量仅部分分离。氢谱线展宽的主要机制是斯塔克展宽。通常需要折中处理，以确保斯塔克展宽已充分降低，同时信噪比（S/N）仍足够高（因为发射尚未完全消退）。在图10(b)的情况下，采用了8 µs的延迟时间。若采用更长延迟时间，Hα峰的半高全宽（FWHM）会减小，但在18 µs时仍约为0.1 nm，仍大于Dα与Tα分量之间的间隔（Dα - Tα为0.06 nm）。

 

综上所述，ITER作为核设施，须将真空室内氚滞留量限制在700 g以内，因此需发展原位监测技术。激光诱导击穿光谱（LIBS）是其中最有前景的方法之一。ENEA研制了新型LIBS系统，并由Jülich研究中心优化；在JET实际实验前，利用2016年取出的PFC样品在VTT进行了测试校准，确定了最佳门宽和延迟时间，并与SIMS深度分布对比验证了其测量侵蚀/沉积模式的能力。随后在UKAEA进一步优化激光束质量，将硬件移至JET环大厅完成调试，并安装于MASCOT机械臂上。

2024年10月2日至18日，JET采用远程操作成功开展了LIBS实验，双班制运行，共分析主壁和偏滤器840个空间位置，每处执行超100次激光脉冲，总计约323000发，生成海量Aryelle、Littrow和Avantes光谱，后续将借助Matlab和机器学习进行批处理（包括去冗余、异常检测、特征提取、降维及定量分析）。在光谱分辨方面，仅Littrow光谱仪能将氢-α线分辨为同位素峰，但受斯塔克展宽影响Hα和Dα仅部分分离，可通过Voigt拟合确定T/D比；然而由于实验前已进行彻底的氚清除，大部分测量区域的氚浓度过低，无法被LIBS有效检测。

 

 

参考文献

1. Likonen J, Almaviva S, Rayaprolu R, Yi R, Jepu I, Sergienko G, et al. First Demonstration of laser induced breakdown spectroscopy using remote handling for in-vessel analysis of JET components. Nuclear Materials and Energy 2025:102021.

 

Montfort M-Nano Nd:Yag超紧凑纳秒激光器

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我司在2026上海慕尼黑光电展中展示的Montfort样机

 

文中研究所使用的Montfort紧凑型纳秒激光器，在拥有50mJ以上输出的同时重量可以小于2kg。采用半导体泵浦技术，无需水冷，24V工作电压，便携适合野外工作。用户可以选择不同能量和频率的标准产品，也可以根据客户需要定制。可运用于分析、LIBS、PIV、LIDAR;皮秒OPO的泵浦源;皮秒放大的种子激光器；Thz产生；非线性光学;超快光谱学等领域。

 

而对于LIBS中所需求的测量激光，Montfort纳秒激光器是实验中的优秀选择。这款小巧紧凑的激光器在可实现50mj输出的同时，重量小于2kg。

 

Montfort M-NANO PIV Nd:YAG无需额外冷却及庞大的控制系统，非常适合应用于LIBS。而除了标准定制的1064nm 与532nm款式之外，激光器其他参数可以根据客户需要定制，从输出能量到工作频率均可按照实验需求进行个性化配置。

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海洋光学的DH-2000 氘-卤素灯光源可在215-2500纳米范围内提供稳定、连续的输出。通过结合氘灯和卤钨灯，该光源非常适用于测量具有多个不同波段范围的样品，或用于分析实验室中的各类不同样本。DH-2000系列所有型号均采用便捷更换灯泡设计，通过快速更换灯泡确保测量的连续性。

 

DH-2000使用创新的滤光技术平滑全波段光谱，同时消除氘灯在可见光波段的 Alphadeuterium线。所有氘灯都存在alpha 线，即在655 nm 附近有一个尖峰，这个特征峰和其他氘灯特征线会导致光源输出的“不平衡”。简单调节光谱仪的积分时间不能解决这一问题，而DH-2000能很好解决这一问题。

 

对于需要深紫外光的用户，DH-2000-FHS-DUV-TTL和DH-2000-S-DUV-TTL型号特别配备了深紫外氘灯，可将输出范围扩展至190-2500纳米。

2026年8月19日 09:26
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