نقدم تقنية لتحليل الطيفي رامان من العينات المشعة عالية متوافقة مع أي مطياف رامان الدقيقة القياسية، من دون أي تلوث إشعاعي الصك. وتبين لنا أيضا بعض التطبيقات التي تستخدم مركبات الأكتينيدات ومواد الوقود المشع.
وتفيد التقارير ان نهج رواية لقياس رامان المواد النووية في هذه الورقة. وهو يتألف من العلبة من العينة المشعة في كبسولة الضيقة التي تعزل المواد من الغلاف الجوي. يمكن أن يكون اختياريا وليس صحيحا الكبسولة مع الغاز اختيار ضغط تصل إلى 20 بار. يتم إجراء القياس الصغير رامان من خلال نافذة الكوارتز البصرية الصف. تسمح هذه التقنية القياسات رامان دقيقة دون الحاجة لطيف إلى أن يرفق في احتواء ألفا مشددة. ولذلك يسمح باستخدام جميع الخيارات للمطياف رامان، مثل الإثارة متعددة الطول الموجي لليزر، الاستقطابات المختلفة، وطرق طيف واحد أو ثلاثة أضعاف. وتظهر بعض الأمثلة للقياسات ومناقشتها. أولا، وقدم بعض الملامح الطيفية من عالية الإشعاع عينة أكسيد الأمريسيوم (AMO 2). ثم، نحن تقرير أطياف رامان من أكسيد النبتونيوم (NPO 2) عينات، تفسير التي تحسنت كثيرامن خلال توظيف ثلاثة أطوال موجية مختلفة الإثارة، 17 O المنشطات، وتكوين وضع الثلاثي لقياس مكافحة ستوكس خطوط رامان. كما يسمح هذا الميزة الأخيرة لتقدير درجة حرارة سطح العينة. وأخيرا، وتظهر البيانات التي تم قياسها على عينة من تشيرنوبيل الحمم البركانية، حيث يتم تحديد المراحل التي كتبها رسم الخرائط رامان.
يستخدم على نطاق واسع رامان الطيفي كوسيلة التحليلي تدميري في مجالات مثل الأدوية ومستحضرات التجميل، والجيولوجيا، وعلم المعادن، وتكنولوجيا النانو، وعلوم البيئة، وعلم الآثار، والطب الشرعي، وتحديد المادة 1 يتم استخدامه لتحليل أوضاع التردد المنخفض الذبذبات، التناوب، وغيرها من بلورات أو الجزيئات. هذه التقنية حساسة للالتركيب البلوري، وتكوين دولة البلورية، ودرجة الحرارة، وحالة الإلكترونية، والإجهاد والضغط وحجم الحبوب (خاصة في حالة البلورة منظم نانو)، الادراج، والعيوب. للجزيئات واحدة (بالغاز أو جزيئات معزولة المصفوفة)، رامان حساس لالتركيب الكيميائي، والتنسيق المحلية، والتركيب الإلكتروني. حقيقة أنه يمكن استخدامها كتقنية الطيفية الرنانة أو محسنة سطح الإلكترونية يجعل من حساسة للغاية للكشف وقياس المركبات بتركيزات منخفضة جدا.
مع سهولةالاستخدام، وإعداد العينات محدود، وإمكانية قياس عن بعد، رامان الطيفي هو ذات أهمية خاصة في المجال النووي. وقد تم استخدامه مؤخرا عن الدراسات التطبيقية من أضرار الأشعة (عيب) في الوقود النووي المستنفد 2، 3، 4، 5، فضلا عن الدراسات الأساسية على أنظمة الأكتينيدات مجمع 6، 7، 8، 9، 10، 11، 12، 13، 14، 15. ويتمثل التحدي الرئيسي لقياس رامان المواد النووية هو الخطر الكامن في التعرض للإشعاع والتأسيس. هذه المخاطر يمكن أن تدار: للإشعاع من التدريع، ولالتضمين الحبس. عادة، وهو نظام الحبس مثل صندوق زجاجي القفازات الاكريليك كافية لحصر وبواعث درع ألفا. بيتا وغاما قد تتطلب مواد إضافية التدريع ذات الكثافة السكانية العالية، مثل الرصاص أو الزجاج مخدر الرصاص. سوف تحتاج التدريع تتكون من المواد التي هي قادرة على التقاط بسهولة النيوترونات وغنية بالهيدروجين، مثل الماء أو البارافين بواعث النيوترون. حتى الآن، وقد تم تنفيذ معظم القياسات رامان الطيفي للمواد النووية في خلايا محمية في تكوينات النائية، على سبيل المثال، وذلك بمساعدة من رئيس عن بعد على اتصال مع الألياف الزجاجية 2، 3، 4، 5، 6، 16، 17. هذه التقنية حتى ملاءمة للتحليل المباشر من الوقود النووي المستنفد 2. لسوء الحظ، فإن هذا النهج لديه بعض ايمالقيود portant: أولها أن جميع أجزاء مطياف رامان النائية في الخلية على اتصال مباشر مع المواد المشعة تضر بسرعة منهم 18 وتحويلها إلى نفايات المشعة. قيود أخرى ملازمة لتقنية النائية. على سبيل المثال، واستخدام الألياف البصرية يحد من إمكانية استخدام أطوال موجية مختلفة الإثارة، confocality، والاستقطاب، الخ
وقد تم تطوير المنهج التجريبي أخرى في عام 1990 في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL – USA) 12، 13، 14، 15. كانت مختومة العينة المشعة في الشعرية مزدوجة الكوارتز، في حد ذاته وضعت في الحبس الثالث يتكون من أنبوب البورسليكات الزجاج. هذا ما سمح للقياس رامان الأول من الأنواع التي تحتوي على الأكتينيدات. ومع ذلك، كان لا بد من القيام القياس من خلال عدد قليل من العلمانيينالمتطلبات البيئية من الكوارتز المنحنية والزجاج البورسليكات، مما أسفر عن إشارة أيضا منخفضة. وبهذه الطريقة، لم يكن من الممكن الحصول عليها، على سبيل المثال، مجموعة نوعية عمو 2 12. وعلاوة على ذلك، بدأت نشاطها وآخرون. وكان 12 لاستخدام طاقة الليزر عالية نسبيا (بضع مئات ميغاواط) قد أثرت على عينة عن طريق التسخين المحلية.
يجب أن يكون من الممكن استخدام كافة الميزات مطياف رامان (الطول الموجي الإثارة، ووضع مطياف، والاستقطاب، وما إلى ذلك) من أجل الحصول على إشارة الصوت أطياف رامان من المركبات الأكتينيدات. في ضوء ذلك، قمنا بتطوير تقنية جديدة لتغليف المحلي العينات المشعة. ويسمح استخدام غير ملوثة أو حسب الطلب مطياف رامان الصغيرة معيار لقياس المواد النووية. استخدام المجهر لتحليل رامان (الصغير رامان الطيفي، أو μRS) يقدم ميزة هامة لأنه يتطلب سوى كمية صغيرة جدا من العينةليتم ملاحظتها وقياسها بشكل صحيح. في الأساس، وحجم العينة تتراوح بين ترتيب بضع عشرات ميكرومتر كافية لμRS، وذلك بفضل قرار قليل-ميكرومتر المكاني للالمجهر مجهزة الهدف 10X أو 50X. حجم عينة فضح 2500 ميكرون 2 (من حجم ميكرون 50 × 50) إلى المجهر، وهذا يتوقف على الشكل، وحوالي 0.1 ملم 3، وهو ما يعادل وزنها حوالي 1 ملغم، معتبرا كثافة من 12 غ / سم 3 (نموذجي لأكاسيد الأكتينيدات). عينة 1 ملغ من المشع غاية 241 آم تكشف المستخدم إلى حوالي 50 ميكروسيفرت / ساعة في 10 سم أو 0.5 ميكروسيفرت / ساعة في 1 م 19. لا تزال هذه المستويات بسهولة في حدود الجرعة القانونية، وعادة بناء على أمر من ملي سيفرت / يوم لليدين وعشرات ميكروسيفرت / يوم للجسم 20. وبالإضافة إلى ذلك، كما يعزل هذا النظام العينة من بيئة الغلاف الجوي، بما في ذلك مستويات الرطوبة العالية أو وجود الأكسجين. Depenقرع على احتياجات القياس، من فراغ، يمكن للمستخدم حتى اختيار أفضل جو تصل إلى 20 الحانات، رد الفعل أو وقائية. هذا مهم بشكل خاص أثناء الدراسة والمواد المتفاعلة كيميائيا لبيئتهم الغلاف الجوي، مثل أكاسيد الأكتينيدات، أملاح الفلوريد والمعادن (الأكسدة، والحد من الفقر، وتفاعله مع الماء). وأشعة الليزر مكثفة من العينة، يحتاج عادة لقياس رامان، ويعزز حركية ردود الأفعال لأن عينة يمكن تسخينها بواسطة الليزر. هذه التفاعلات يمكن أن يتم تعويضهم عن طريق اختيار الجو المناسب. هذا النوع من الإجراء يمكن أيضا أن يكون من المفيد أن أي قياس بصري على عينات الخطرة، مثل المواد الكيميائية أو المواد البيولوجية المعدية.
ألفا للإشعاع والغلاف الجوي ضيق صاحب العينة رامان تتكون من اسطوانة الاكريليك والزجاج، و44 مم وقطرها 60 مم لونغ، في محور الذي حفر حفرة 15 ملم العمق (الشكل 1). هذا الجزء، وكبسولة، يتم إغلاق على جانب واحد مع 2 مم سميكة، 20 مم القطر، موجة واحدة المصقول بصريا نافذة السيليكا تنصهر فيها. يتم إدخال 14.9 ملم قطرها قضيب زجاج الاكريليك، المكبس، وعقد العينة في كبسولة تصل إلى النقطة التي تأتي العينة الحق تحت النافذة. يتم إصلاح عينات (مسحوق أو صغيرة شظايا من القرص) مع مساعدة من الوجهين علامة تبويب لاصق على كعب الألومنيوم دبوس القياسي جبل 12.7 ملم في القطر، في حد ذاته ثابت في نهاية قضيب زجاج الاكريليك (المكبس). وقد تم تجهيز الغواص مع بحلقة إحكام الخارجي لتجنب خطر دفع عينة وحاملها بعيدا جدا في إطار السيليكا تنصهر فيها، والتي قد تؤدي إلى تمزق الكبسولة وتشتت الإشعاع في المختبر. وعلاوة على ذلك، وبحلقة إحكام الخارجي يمكن تعيين في مناصب مختلفة، في واحدة من الأخاديد مصنوعة لهذا الغرض في المكبس، وذلك لضبط المسافة بين العينة والنافذة. وقد تم تجهيز الغواص أيضا مع O-حلقة لسلسة انزلاققضيب في الاسطوانة. لتجنب ضغط الغاز أو الغلاف الجوي في الاسطوانة في حين إدخال قضيب، أخدود في السطح الداخلي للاسطوانة يسمح إخلاء الغاز أثناء عملية التركيب. A المسمار يمكن ان تكون ثابتة في موضوع بالملل في أسفل المكبس من أجل سحب القضيب من الاسطوانة. ويمكن بالتالي العينات يتم إزالتها بعد تحليل رامان عموما غير المدمرة.
وقد تم وضع صاحب العينة الثانية من أجل إجراء تحليل رامان تحت جو اختيار ما يصل إلى 20 بار (الشكل 2). هذا عالية مقاومة للضغط ألفا للإشعاع وصاحب العينة رامان الغاز محكم يتكون من البولي ايثر كيتون (نظرة خاطفة) هيئة اسطوانة 44 مم وقطرها 65 مم لونغ، فيه 16 ملم جحرها حفر في المحور. هذا الجزء، الجسم كبسولة، يتم إغلاق على جانب واحد مع 3 مم سميكة، 12.7 ملم القطر، موجة واحدة المصقول بصريا السيليكا تنصهر نافذة غير المصقول التي تحتفظ بها فلان المعادنثابت جنرال الكتريك على الجسم كبسولة بنسبة 6 مسامير. لتحقيق ضيق، تقع نافذة على يا الدائري وضعت في أخدود المحرز في الجسم. لحماية الإطار من الاتصال المباشر مع شفة المعدنية، ويتم وضع المفصل شقة المطاط الصناعي الفلورو بينهما. إغلاق الجانب الآخر من كبسولة من شفة معدن آخر (الغطاس شفة) ثابتة أيضا للجسم مع مسامير. وقد تم تجهيز شفة الغطاس مع الغطاس، في نهاية الذي هو مشدود لصاحب العينة (بجوار النافذة). أقل بقليل من صاحب العينة، وقد تم تجهيز المكبس مع O-حلقة توضع في الأخدود، وضمان ضيق ضغط عال من الكبسولة. وحفر الغطاس على طول كله الشعرية التي تنتهي بعد يا الدائري، وضمان ضيق. فإنه يهدف إلى ضخ الفراغ أو وضع غرفة عينة تحت الضغط. يتم إصلاح العينة على صاحب العينة بنفس الطريقة كما هو موضح سابقا. وقد تم تجهيز شفة الغطاس مع محول إلى 6 ملم، أنبوب الغاز الفولاذ المقاوم للصدأ من أجللزوجين لصمام مدخل الغاز أو ضخ فراغ.
من أجل التفاعل الجزء الخارجي من الكبسولات ونظام الحبس حيث يتم تخزين العينة دون الحاجة للخروج من الحبس، يتم استخدام راسخة تقنية حقيبة النقل. وتستخدم هذه التقنية عادة، وخصوصا في الصناعة النووية، لنقل آمن عينات بين زنازين فصل. تم تصميم حقيبة على شكل قمع المستخدمة هنا خصيصا لاستخدام هذه التقنية. على الجانب صاحب العينة، في نهاية الحقيبة قمعي الشكل، أصغر قطر المناسب مع القطر الخارجي للكبسولة. تتحقق أخدود وبرز على السطح الخارجي للاسطوانة من أجل تثبيت ضيقة O-حلقة حول الحقيبة، وابقائها في مكانها، ومنع اسطوانة من الانزلاق بعيدا في الكيس، على التوالي.
تقدم هذه الورقة تفاصيل عن المنهج التجريبي، فضلا عن ثلاثة سبيل المثال تطبيقات ممثلة للرechnique. ويتعلق أحد الأمثلة على ذلك دراسة رامان من ثاني أكسيد الأمريسيوم الإشعاعي للغاية. وهذا هو ذات أهمية خاصة في دراسة آم تحويل في الوقود النووي الخاصة التي تهدف إلى الحد من النشاط الإشعاعي من عاش فترة طويلة النفايات النووية 21، 22، 23، 24، ولكن أيضا كبديل من 238 بو في مولدات النظائر المشعة لتوفير الطاقة من أعماق -space المركبة الفضائية استكشاف 25. قياس هذه العينة مادة عالية الإشعاع يدل على قوة هذه التقنية المتقدمة. يتعامل المثال الثاني أيضا مع المواد المقررة للتحول. فإنه تقارير دراسة أكثر عمقا من الميزات رامان من الموظفين الفنيين الوطنيين 2، بما في ذلك تأثير 17 O المنشطات، وذلك باستخدام ثلاثة الإثارات مختلفة الأطوال الموجية ومختلف مستويات قوة الليزر. قدرت درجة حرارة العينة الناتجة هنا عن طريق قياسالنسبة بين ستوكس ومكافحة ستوكس شدة الخطوط، مع مساعدة من تكوين مطياف الثلاثي. هذه تجربة ناجحة يدل على المرونة مفيدة التي توفرها هذه التقنية، ويساعد على تحديد نطاقات رامان vibronic التي يمكن أن تستخدم NPO 2 بصمات الأصابع. في المثال الأخير، تم استخدام النهج الحالي لرامان تعيين العينة المأخوذة من الحمم تشيرنوبيل شكلت في عام 1986 بعد انهيار المفاعل. وهذا يهدف إلى التعرف على المراحل المختلفة الموجودة في هذه المادة.
يعتمد المنهج التجريبي الحالي على الكبسولة الأصلية، والتي يمكن أن تكون مصممة بسهولة وتصنيعها في ورشة عمل مجهزة آلة تحول جيدة. باستثناء القطر الخارجي، التي يجب أن تتوافق مع حقيبة على شكل قمع المتاحة تجاريا، وأبعاد أخرى من الكبسولة ليست ضرورية تماما. ومع ذلك، من أجل كبسولة ذات الضغط العالي، وينبغي التقليل من السطح المعرض للضغوط عالية، وخصوصا سطح عمودي على محور كبسولة. هنا، على سبيل المثال، والحد الأقصى السطح هو 5 ملم دائرة نصف قطرها (ص) النافذة، والتي تتطابق مع مساحة ألف من حوالي 127 مم ² (A = πr²). وضغط P من 20 الحانات تتعرض لهذا السطح تطور قوة F 254 N على نافذة (P = F * A)، P في السلطة الفلسطينية، F في N، وألف في متر مربع. هذه القوة، موزعة على 6 مسامير، والنتائج في حوالي 42 N / المسمار. ينبغي أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عند تصميم الكبسولة والجانب الغطاس. وينبغي اتخاذ النقطة الثانية في الاعتبار ما يلي: ضيقنيس من المكبس، فضلا عن حجم الغاز تحت ضغط عال. كما يتم وضع المكبس داخل كيس الحبس، ويوسع الغاز داخل كيس الحبس في حالة حدوث تسرب، وربما المساس ضيق من الحبس. يجب تصميم التأكد من أن حجم الغاز التوسع في حالة وجود تسرب لا يكاد يذكر بالمقارنة مع قدرة كيس. يجب تصميم أيضا التأكد من أن الأسطح في اتصال مع O-حلقة يتم تصنيعها بشكل جيد، وضمان مستوى مناسب من ضيق. وكذلك يا الدائري، يجب أن تتم مراقبة جودة تلك السطوح، خارج. علما بأن قد ينتهي عينات مشعة جدا تصل إتلاف المواد كبسولة مع مرور الوقت. ولذلك، لا ينبغي أن تستخدم كبسولات لتخزين العينات المشعة لفترات طويلة. لاحظ أيضا أن هذا النظام هو نظام الحبس المواد النووية وقد تتطلب موافقة سلطات السلامة المحلية.
مزايا هذه التقنية عديدة بالمقارنة مع جزئية أو شركاتوليته مطياف رامان الحبس 2، 3، 4، 5، 6، 16، 17. لا يلزم الحبس خاص (علبة القفازات والخلايا الساخنة)، وبالتالي، يتم إنشاء أية مواد الإضافية التي يجب أن تعامل على أنها نفايات نووية في نهاية الحياة. لا يوجد التخصيص من مطياف رامان (اللازمة في حالة الحبس). ليس هناك قيود على إمكانيات القياس من حيث الطول الموجي، والاستقطاب، وطريقة القياس، أو الإعداد السهل من الجو الذي يتم القياس.
وبالمقارنة مع الطريقة المستخدمة في ORNL – الولايات المتحدة الأمريكية 12، 13، 14، 15، ويمكن تطبيقها في ظروف المجهر البصرية المناسبة (قإنجل نافذة البصرية بدلا من أنابيب)، مما يقلل من كمية العينة المطلوبة، فضلا عن الاحتياجات اللازمة لقوة الليزر.
وينبغي الإشارة بعض القيود على النظام للخروج. المسافة بين العينة والهدف المجهر بسبب وجود نافذة كبسولة تفرض استخدام الهدف البؤري الطويل، الذي قد يقلل من حساسية واسعة الفتحة مطياف رامان. قد ادراج غير المغلفة نافذة السيليكا تنصهر بين العينة والهدف أيضا أن يقلل من جودة التصوير. وعلاوة على ذلك، فإن النظام الحالي التغليف هي أيضا ليست قابلة لإعادة الاستخدام يرجع ذلك إلى حقيقة أن الحقيبة على شكل قمع ويحدد نهائيا على الكبسولة. ومع ذلك، وهذا يمكن أن تحل إذا كانت مجهزة جانب صغير من الكيس على شكل قمع مع O-حلقة متكاملة، مما يتيح إمكانية تطبيق تقنية حقيبة نقل إلى كبسولة كذلك. وهذا من شأنه جعل استخدام كبسولة أكثر تعقيدا ممكن. على سبيل المثال، وهي آلية للسماح تدفق الغاز. الشركة المصرية للاتصالاتجهاز mperature-القياس؛ أو مرحلة التي تسيطر عليها الضغط الميكانيكية لتحليل المواد الصلبة وكذلك السوائل، أو لفي قياس الموقع من آثار الحركية، سيكون ممكنا. وهناك نقطة إلى الاهتمام هو أن أطياف رامان من العينات المشعة عالية مثل الأمريسيوم يجب أن تقاس بسرعة كبيرة (أحيانا في أقل من أسبوع) بسبب وجود إشارة مضان الإضافية التي تضيف إلى طيف رامان مع مرور الوقت. قد تكون هذه الظاهرة نتيجة لتدهور علامة التبويب لاصقة مزدوجة من جانب وبعد بضعة أيام من التعرض للإشعاع، مما أدى إلى إنتاج جزيئات العضوية المتطايرة التي تتكثف على سطح العينة.
والمتكيفة النظام الحالي بشكل جيد لدراسة المواد النووية المشعة. ويمكن أيضا أن تطبق على دراسة أي نوع آخر من المواد التي يجب على المستخدم أن تكون محمية من (عينات الخطرة) أو من العينات التي يجب أن تكون محمية من بيئة الغلاف الجوي.
The authors have nothing to disclose.
فإن الكتاب أود أن أشكر أندريس هيسيلشوردت وجوني راوتيو من مكتب تصميم ورشة عمل في مركز البحوث المشتركة، كارلسروه لتصميم وتصنيع صاحب العينة المشعة لتحليل رامان. واعترف باتريك Lajarge، دانيال فريس (JRC-كارلسروه)، ومارك سارسفيلد (NNL، UK) لتوفير عمو 2 عينات التحقيق مع تقنية الحالية. والكتاب كما أود أن أشكر بوريس بوراكوف (معهد الراديوم Khlopin) لتقديم عينة من الحمم تشيرنوبيل وفيليب Pöml ورالف غريتر (سواء في JRC-ITU) لإعداد العينة.
(standard) acrylglas capsule body | home made | ||
(standard) UV fused silicat Window 20mm x 2mm | Edmund Optics GmbH, Karlsruhe (Germany) | 45464 | |
(standard) acrylglas Plunger | home made | ||
(standard) fluoropolymer elastomer sliding O ring 10 x 2 mm | |||
(standard) Epoxi resin: uhu schnellfest 2k epoxit kleber | UHU (germany) | 45725 | |
(standard) External circlip DIN 471 40 mm | |||
(standard) hexagon socket head cap pull screw DIN 912 M4 x 30mm | |||
(standard) aluminium SEM pin stub mount | Plano GmbH, Wetzlar (Germany) | G301 | |
(standard + high pressure) 1.4301 stainless steal metal ring slide with blocking screw | home made | ||
(standard + high pressure) Electrician tape | |||
(standard + high pressure) fluoropolymer elastomer tightening O ring 40 x 4 mm | |||
(standard + high pressure) double sided adhesives tabs | Plano GmbH, Wetzlar (Germany) | G3347 | |
(standard + high pressure) Funnel-shaped bag; Sac PVC 300 µ TA Diam 40/185 x 540 mm Tronc conique | Plastunion, Bondy (France) | 4.123 | |
(High pressure) Polyetheretherketon high pressure capsule body | home made | ||
(High pressure) High pressure capsule window: Ø12,7 x 3mm UVFS Broadband Precision Window, Uncoated | THORLABS GMBH, Dachau (Germany) | WG40530 | |
(High pressure) High pressure ball valve: Kükenhahn, Edelstahl, 6 mm Rohrverschraubung, Cv 1,6 | Swagelok, Forst(Germany) | SS-6P4T-MM | |
(High pressure) 1.4301 stainless steel sample holder | home made | ||
(High pressure) 1.4301 stainless steel high pressure plunger | home made | ||
(High pressure) 1.4301 stainless steel adapter | home made | ||
(High pressure) 1.4301 stainless steel closing flange | home made | ||
(High pressure) 2 x fluoropolymer elastomer capsule O ring 10*1 mm | |||
(High pressure) fluoropolymer elastomer inlet O Ring 6*1 mm | |||
(High pressure) 6 x DIN 7991 M4 * 25 mm bottom sink screw | |||
(High pressure) 6 x DIN 7991 M4 * 18 mm top sink screw | |||
(High pressure) Polyoxymethylen flat ring 13/10*1 mm | home made |