Summary
Мы представляем технику для комбинационного спектроскопического анализа высокорадиоактивных образцов, совместимых с любым стандартным микро-комбинационного спектрометром, без какого-либо радиоактивного загрязнения прибора. Мы также покажем некоторые приложения с использованием соединений актинидов и облученные топливные материалы.
Abstract
Новый подход для измерения комбинационного рассеяния ядерных материалов сообщаются в настоящем документе. Он состоит из корпуса радиоактивного образца в жесткой капсуле, которая изолирует материал из атмосферы. Капсула может быть необязательно заполнена выбранным газом под давлением до 20 бара. Измерение микро-Раман осуществляется через кварцевое окошко оптического класса. Эта методика позволяет точные измерения рамановских без необходимости спектрометра быть заключен в альфа-жесткой оболочке. В связи с этим допускает использование всех вариантов спектрометра комбинационного рассеяния, как многоволновое лазерного возбуждение, различной поляризация, и одного или тройных режимы спектрометра. Некоторые примеры измерений показаны и обсуждены. Во- первых, некоторые спектральные особенности сильно радиоактивного оксида америций образца (Amo 2) представлены. Затем мы приводим спектры комбинационного рассеяния оксида нептуния (NPO 2) образцы, интерпретация которых значительно улучшаютсяс использованием три различных длинами волн возбуждения, 17 O, легирования и конфигурацией тройного режима для измерения антистоксово рассеяние света линий. Эта последняя функция также позволяет оценить температуру поверхности образца. И, наконец, данные, которые были измерены на образце из Чернобыльской лавы, где фазы определены отображения комбинационного, показаны.
Introduction
Спектроскопии комбинационного рассеяния света широко используются в качестве неразрушающего метода анализа в таких областях , как фармацевтические препараты, косметические средства , геология, минералогия, нанотехнология, экологическая наука, археология, судебно - медицинскую экспертиза и идентификация искусства 1. Он используется для анализа колебательных, вращательных и других низкочастотных мод в кристаллах или молекулах. Этот метод является чувствительным к кристаллической структуры, состава, кристаллического состояния, температуры, электронного состояния, стресс, давление, размер зерна (особенно в случае наноструктурных кристаллитов), включений и дефектов. Для одиночных молекул (газо- или матрично-изолированных молекул), комбинационный чувствителен к химическому составу, локальной координации и электронной структуре. Тот факт, что он может быть использован в качестве электронного резонансного или поверхности с повышенной спектроскопического метода делает его чрезвычайно чувствительным для обнаружения и измерения соединений при очень низких концентрациях.
Благодаря легкостииспользования, ограниченного подготовки проб, а также возможность для дистанционного измерения, спектроскопия комбинационного рассеяния представляет особый интерес в ядерной области. Он был использован в последнее время для прикладных исследований радиационных повреждений (дефекты) в отработанном ядерном топливе 2, 3, 4, 5, а также для фундаментальных исследований актинидов сложных систем 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. Основная задача для измерения Рамана ядерных материалов является неотъемлемым риском радиационного облучения и регистрации. Эти риски можно управлять: для излучения путем экранирования, ивключение путем заключения. Как правило, система удержания как акриловое стекло перчаточного бокс достаточно, чтобы ограничить щит и альфа-излучатели. Бета и гамма могут потребовать дополнительного защитный материал с высокой плотностью, как свинец или свинцово-легированного стекло. Нейтронные излучатели необходимо экранирование состоит из материала, который способен легко захватить нейтроны и богат водородом, такой как вода или парафин. До сих пор большинство измерений комбинационного рассеяния спектроскопического ядерных материалов были выполнены в экранированных клетках в удаленных конфигурациях, например, с помощью пульта дистанционной головки , соединенной со стеклянными волокнами 2, 3, 4, 5, 6, 16, 17. Этот метод даже подходит для прямого анализа отработанного ядерного топлива 2. К сожалению, этот подход имеет некоторые IMВАЖНО ограничение: первое существо , что все удаленные части комбинационного спектрометра в клетке находятся в непосредственном контакте с радиоактивным материалом быстро повреждать их 18 и превращение их в радиоактивные отходы. Дальнейшие ограничения присущи удаленной техники. Так , например, использование волоконной оптики ограничивает возможность использования различных длин волн возбуждения, confocality, поляризация и т.д.
Другой экспериментальный подход был разработан в 1990 -х годах в Национальной лаборатории Oak Ridge (ORNL - США) 12, 13, 14, 15. Радиоактивный образец был запечатан в двойном кварцевом капилляре, сам по себе помещают в третьем камере, состоящей из боросиликатного стекла трубки. Это позволило первое измерение КРС актинидов-содержащих видов. Тем не менее, измерение должно было быть проведена через несколько яйцекладкиERS искривленного кварца и боросиликатного стекла, получая слишком низкий сигнал. Таким образом, это не было возможно получить, например, качественный спектр Amo 2 12. Кроме того, Бегун и др. 12 пришлось использовать относительно высокую мощность лазера (несколько сотен мВт) , которые могли повлиять на образец путем локального нагрева.
Должна быть возможность использовать все возможности комбинационного спектрометра (длина волны возбуждения, режим спектрометра, поляризации и т.д.), чтобы получить звук эталонного спектров КР актинидных соединений. В связи с этим, мы разработали новый метод локального инкапсулирования радиоактивных образцов. Это позволяет использовать стандартный незагрязненный или индивидуальные микро-комбинационный спектрометр для измерения ядерных материалов. Использование микроскопа для анализа комбинационного рассеяния (микро-спектроскопии комбинационного рассеяния, или μRS) представляет собой важное преимущество в том, что она требует только очень небольшое количества образцанеобходимо соблюдать и измерили должным образом. В основном, размер выборки в пределах от порядка нескольких десятков микрометров достаточно для μRS, благодаря несколько микрометров-пространственного разрешения микроскопа, оснащенного объективом 10Х или 50Х. Объем образца подвергая 2500 мкм 2 (размером мкм 50 & times ; 50) с микроскопом, в зависимости от формы, составляет около 0,1 мм 3, что соответствует массе около 1 мг, учитывая плотность 12 г / см 3 (типично для оксидов актинидов). А 1 мг образца высоко радиоактивных 241 Am предоставляет пользователю около 50 мкЗв / ч на расстоянии 10 см или 0,5 мкЗв / ч на 1 м 19. Эти уровни легко оставаться в пределах юридических дозы, как правило , порядка мЗв / день для рук и десятки мкЗв / день для тела 20. Кроме того, эта система также изолирует образец от атмосферной среды, в том числе высокие уровни влажности или в присутствии кислорода. висимостьдинг от потребностей измерения, из вакуума, пользователь может даже выбрать наилучшую атмосферу до 20 бара, химически активного или защитного. Это особенно важно при изучении материалов химически активными к их атмосферной среде, как оксиды актинидов, фторидные соли, металлы (окисление, восстановление, и реакция с водой). Интенсивное лазерное облучение образца, как правило, необходимый для измерения комбинационного рассеяния, улучшает кинетику этих реакций, поскольку образец может быть нагрет с помощью лазера. Эти реакции могут быть компенсированы путем выбора нужной атмосферы. Этот тип процедуры также может быть полезным для любого оптического измерения на опасных образцов, таких как химические вещества или инфекционных биологических веществ.
Альфа-излучение и атмосферный жесткий держатель образца комбинационного состоят из акрилового стекла цилиндра, 44 мм в диаметре и длиной 60 мм, по оси которого просверленный в 15 мм отверстие глубины (рисунок 1). Эта часть,капсула, закрыта с одной стороны, с 2 мм толщина, 20 мм диаметра, одной волн оптически отполированным окном плавленого кварца. 14,9 мм диаметр стержня акрилового стекла, поршень, держа образец вставляется в капсуле до такой степени, что образец приходит прямо под окном. Образцы (порошок или мелкие фрагменты диска) фиксируются с помощью вкладки двусторонний клейки на стандартном алюминиевом контактную заглушке крепления 12,7 мм в диаметре, сам по себе фиксируется на конце акриловых стеклянной палочки (плунжер). Поршень оснащен внешним стопорным кольцом, чтобы избежать риска толкая образец и его держатель слишком далеко в расплавленных окна на силикагеле, что может привести к разрыву капсулы и дисперсии радиоактивности в лаборатории. Кроме того, внешнее стопорное кольцо может быть установлено в разных положениях, в одном из пазов, сделанных для этой цели в плунжере, чтобы регулировать расстояние между образцом и окном. Плунжер также оснащен уплотнительным кольцом для плавного скольженияштока в цилиндре. Чтобы избежать сжатия газа или атмосферу в цилиндре при вставке штока, канавка на внутренней поверхности цилиндра обеспечивает эвакуацию газа во время монтажа процедуры. Винт может быть зафиксирован в потоке просверленного в нижней части плунжера, чтобы вытащить стержень из цилиндра. Образцы могут, таким образом, быть удалены после того, как, в общем неразрушающего анализа комбинационного рассеяния.
Второй держатель образца был разработан для того , чтобы выполнить анализ комбинационного рассеяния при выбранной атмосфере до 20 бара (рисунок 2). Это высокое-стойкое к давлению альфа-излучение и держатель образца комбинационного газонепроницаемым состоит из корпуса цилиндра полиэфирэфиркетона (PEEK) 44 мм в диаметре и длиной 65 мм, в котором 16-мм отверстие, просверленной в его оси. Эта часть, тело капсулы, закрыто с одной стороны, с толщиной 3 мм, 12,7 мм диаметра, одна волны оптический отполированным плавленый кварц без покрытия окна, поддерживаемого металлического фланGE фиксируется на корпусе капсулы с помощью 6 винтов. Для достижения герметичности, окно опирается на уплотнительное кольцо, помещенный в паз, выполненный в корпусе. Для того, чтобы защитить окно от прямого контакта с металлическим фланцем, фторполимер эластомер плоские сустав помещается между ними обоими. Другая сторона капсулы закрыта другой металлического фланец (плунжер фланец) также прикрепленный к корпусу с помощью винтов. Плунжера фланец снабжен поршнем, на конце которого держатель образца ввинчивается (рядом с окном). Чуть ниже держателя образца, поршень снабжен уплотнительным кольцом, помещенного в канавку, обеспечивая герметичность под высоким давлением капсулы. Поршень просверлен по всей длине с помощью капилляра, закончившегося только после того, как уплотнительного кольца, обеспечивая герметичность. Он предназначен для откачки вакуума или поместить камеру с образцом под давлением. Образец закреплен на держателе образца таким же способом, как описано выше. Плунжер фланец оснащен адаптером до 6 мм, газовой трубки из нержавеющей стали с цельюдля соединения с клапаном для впуска газа или вакуумной откачки.
Для того, чтобы взаимодействовать с внешней частью капсулы и системы локализации, где образец хранятся без того, чтобы разорвать заключение, используется хорошо отработанная технология передачи мешка. Этот метод обычно используется, особенно в ядерной промышленности, для безопасной передачи образцов между двумя разделенными стойлами. Мешок воронкообразный используются здесь специально разработан для использования этой техники. На стороне держателя образца, конец мешок воронкообразной, наименьший диаметр фитинг с наружным диаметром капсулы. Паз и выступ реализуются на внешней поверхности цилиндра, чтобы установить плотное уплотнительное кольцо вокруг мешка, держа его на месте, а также, чтобы предотвратить цилиндр от скольжения слишком далеко в сумке, соответственно.
Этот документ содержит сведения об экспериментальном подходе, а также три репрезентативные примеры применения в тechnique. Одним из примеров относятся к изучению Раманы высокорадиоактивных диоксида америция. Это представляет особый интерес в изучении Am трансмутации в специальных ядерного топлива , направленных на снижение радиоактивности долгоживущих радиоактивных отходов 21, 22, 23, 24, а также в качестве замены 238 Pu в радиоизотопных генераторов для запитки глубокой -пространство разведки космического корабля 25. Измерение этого высоко радиоактивных материалов образца демонстрирует силу разработанной методики. Второй пример также имеет дело с материалом, запланированным на трансмутацию. Он сообщает более фундаментальное исследование особенностей комбинационного рассеяния NpO 2, в том числе влияния 17 вывода легирования, с использованием трех различных длинами волн возбуждения и различных уровней мощности лазера. В результате чего температура образца была оценена здесь путем измеренияСоотношение между Стоксом и антистоксовыми интенсивностями линий, с помощью тройной конфигурации спектрометра. Этот успешный тест демонстрирует инструментальную гибкость, которая предлагается с помощью этого метода и помогает определить вибронные полос комбинационного рассеяния , которые могут быть использованы в качестве NpO 2 отпечатков пальцев. В последнем примере, данный подход был использован для комбинационной карты образца, взятый из Чернобыльской лавы, образованной в 1986 году после активной зоны реактора расплавления. Это имеет целью идентификации различных фаз, присутствующих в материале.
Protocol
1. Планирование эксперимента
- Убедитесь, что Раман-спектрометр для использования оснащен стадии XY ниже держателя слайдов, с центральным отверстием по меньшей мере, 60 мм в диаметре.
- Убедитесь в том, чтобы иметь по крайней мере, 150 мм свободной комнаты ниже сцены, чтобы ввести капсулу и что этот номер легко доступен (сверху или снизу).
- Убедитесь, что спектрометр комбинационного оснащен объективом с, по меньшей мере, на рабочем расстоянии 10 мм.
- Обеспечить, чтобы образец для анализа хранятся и передаваемый к капсуле в надлежащей атмосфере (см локальной процедуры для передачи образцов из перчаточных боксов).
- Убедитесь, что образец может быть обработан с помощью пинцета, небольших химических ложек, или шпателей, необходимого для загрузки образца в капсулу.
- Опция высокого давления (HP): Убедитесь, что система удержания оснащена системой накачать и заполнить капсулу высокого давления.
- Спросите местного radioproСотрудник tection для мер радиационной защиты для реализации в полном порядке.
2. Подготовка образца держатель
- Собрать все части, входящих в состав капсулы или, по желанию, капсулу высокого давления.
- Закрепление окна на корпусе капсулы
- Равномерно нанесите небольшое количество эпоксидной смолы непосредственно с клеем аппликатором на внешней части канавки фитинга окна. Обратите внимание, что различные типы эпоксидных смол были опробованы. Клей, указанный в Перечне материалов был наиболее приспособленными для этого применения из-за его удельную вязкость.
- Для того, чтобы убедиться, что установленное окно оптический чистое, носить чистые перчатки и распаковывать окно с его оригинальной упаковки. Поместите его в паз на акриловой стеклянной капсулы, перемещая его пальцем, чтобы разогнать клей между окном и канавки.
- Тщательно проверьте через окно, чтобы увидеть, если клей равномерно аркурсировал между окном и акриловым стеклом.
- Пусть клей лечения до тех пор, как указано в инструкции, клей.
- Проверьте снова через стекло, чтобы увидеть, правильно ли приклеены окно и акриловое стекло; никаких пузырей не должно быть видно.
- Опция HP: Закрепление окна на капсулы тела высокого давления
- Проверка с помощью увеличительного стекла ли поверхности в контакте с капсулой уплотнительного кольца являются чистыми и равномерно механической обработке, что обеспечивает хорошую герметичность.
- Поместите капсулу уплотнительное кольцо в выделенном роще на стороне окна капсулы тела высокого давления.
- Поместите окно капсулы высокого давления на капсулу тела высокого давления над капсулой уплотнительного кольцом.
- Поместите полиоксиметилен плоского кольца над окном капсулы высокого давления.
- Поместите закрывающий фланец в верхней части окна стороны окна капсулы высокого давления и прикрепить его с 6 топа-поглотителями винтов.
- Вставьте капсулу, окна во-первых, от широкой стороны воронкообразного мешка в узкую часть воронкообразного мешка, в конечном итоге до точки, где цилиндр не может скользить дальше из-за выступ.
- При необходимости отрегулировать положение мешка таким образом, что цилиндр выступает из воронкообразного мешка примерно на 1,5 см.
- Поместите зажимное уплотнительное кольцо на мешок в канавке цилиндра.
- Лента сумка с гибкой изоляционной лентой на цилиндр, с тем чтобы оставить примерно на 8 мм верхней части цилиндра непокрытой. Эта часть будет использоваться для фиксации цилиндра в микроскоп комбинационного рассеяния.
- Капсула испытание на герметичность в сборе
- Доведите воронкообразный мешок, оборудованные капсулы (мешок узел) к установке, посвященной тестированию герметичности коробки перчатки перчаток и мешков, как правило, доступны в ядерных объектах (в данном случае, Ar-H
- Закрепите узел мешка в исследуемом фланце.
- Лента его к фланцу с помощью изоленты.
- Заполните до 500 мбар с Аг + 5% Н 2 газовой смеси.
- Переместить портативный детектор H 2 все вокруг капсулы и мешка, обращая особое внимание вокруг области , где приклеено окно.
- Если H 2 обнаружен, повторите процедуру с шага 2.5.2, так как сборка мешка не является достаточно жесткой.
- Доведите воронкообразный мешок, оборудованные капсулы (мешок узел) к установке, посвященной тестированию герметичности коробки перчатки перчаток и мешков, как правило, доступны в ядерных объектах (в данном случае, Ar-H
- Подготовка плунжера
- Установите скользящее уплотнительное кольцо в канавке плунжера.
- Установите штифт заглушки крепления на поршне.
- Палка вкладку двусторонней клейкой на контактном заглушке крепление, сохраняя защитный слой на поверхности в направлении наружу.
- Винт тянущий винт на другой стороне поршня.
- Если образец порошок или имеет части меньше, чем 1 мм, установите внешнее стопорное кольцос Щипцами в последней канавке плунжера (по направлению к винту). Для образцов размером более 1 мм, отрегулировать положение внешнего стопорного кольца на поршень канавки к толщине образца.
- Приготовление плунжера высокого давления
- Проверка с помощью увеличительного стекла ли обе поверхности, находящиеся в контакте с капсулой уплотнительного кольца очищаются и равномерно подвергли механической обработке, что обеспечивает хорошую герметичность.
- Установка капсулы уплотнительное кольцо в специальный паз плунжера на стороне образца.
- Винт держателя образца в верхней части плунжера.
- Палка часть вкладки двусторонней клейкой, имеет размер, соответствующий держатель образца, на держателе образца, сохраняя защитный слой на поверхности в направлении наружу.
- Проверка с помощью увеличительного стекла ли обе поверхности, находящиеся в контакте с впускным уплотнительным кольцом очищаются и равномерно подвергли механической обработке, что обеспечивает хорошую герметичность.
- Установить впускной уплотнительное кольцо в канавку на выделенном йе входное отверстие для газа со стороны плунжера.
- Вкрутите переходник в плунжер.
- Установите шаровой клапан на переходнике согласно порядку его установки.
3. Установка образца в Sample Holder
- Установите на держатель образца системы удержания в соответствии с местной процедурой и в то же время, установить поршень в системе удержания. (Опция HP): Установите 6 снизу поглотителями винтов, а также.
- Удалите защитный слой из вкладки двусторонней клейкой.
- Удерживая поршень и поместите образец на клеевой. Если образец представляет собой один кусок, нажмите немного на образце с помощью пинцета или химической ложки, если это возможно. Если образец порошка, распространение его очень аккуратно на держателе образца. Опция HP: Поместите образец меньше, чем 1 мм в высоту на держателе образца под высоким давлением.
- Вставьте плунжер (HP варианта: плунжер фланец) в капсуле. Нажимать на нее, пока она чаNnot идти дальше в, принимая при этом осторожность, чтобы держать капсулу в вертикальном положении. С этого момента, убедитесь, что капсула проходит как можно больше в вертикальном положении.
- Опция HP: Затянуть 6 снизу поглотители винтов, чтобы зафиксировать фланец плунжера в нижней части узла капсулы тела высокого давления.
- Опция HP: Герметизация капсулы высокого давления.
- Присоедините шаровой клапан в линии подачи вакуума / газа в камере.
- Открыть кран и эвакуировать капсулу.
- Давление в капсуле с выбранным газом, следя за тем, чтобы она не превышала 20 баров и что газ является инертным по отношению к капсуле материала.
- Закройте клапан.
- Отдельные капсулы из заключения в соответствии с местной процедурой, и заботиться о том, что клапан не повредить пластиковый пакет. Уменьшение объема мешка ленты вместе, чтобы соответствовать его ниже столику микроскопа (см шага 4.4). Заметим, что тон процедура может потребовать записи на пленку второго мешка над первым.
4. Установка Capsule под микроскопом комбинационного рассеяния
- Закрепить металлическое кольцо слайд с блокирующим винтом (см рисунок 3) на магнитной ленте , свободной от верхней части капсулы. Затянуть боковой винт, чтобы заблокировать его.
- Вставьте капсулу из верхней или нижней части столик микроскопа.
- Установить металлическое кольцо слайд на держателе этапа слайд (см рисунок 3). Закрепите его с помощью слайд-держатель пружины.
- Проверьте, если мешок ниже стадии может свободно перемещаться в пределах любого необходимого X, Y, Z и движение на сцене. Если нет, то лента мешок вместе, чтобы уменьшить его объем.
Измерение 5. Спектры комбинационного рассеяния
- Калибровка частоты спектрометра комбинационного рассеяния.
- Поместите монокристалл кремния в окне капсулы.
- Выберите объективную то использовании и фокус микроскопа.
- Выбор длины волны лазерного излучения для измерения и определить Т 2g возбуждение монокристалла кремния, для которых ссылки полоса на 520,5 см -1 26. Используя программное обеспечение, изменить масштаб частоты соответственно.
- Калибровка интенсивности спектрометра комбинационного рассеяния.
- Регулировка оптического пути, лазер, впускные щели, конфигурации поляризации, confocality пространственный фильтр, и открытие CCD с использованием сильного Si кристаллический пик, чтобы максимизировать интенсивность пика, сохраняя при этом щели как закрытые, насколько это возможно без уменьшения максимальной интенсивности. Сравните эту интенсивность к значению, полученному после того, как «фабрика» выравнивание в тех же условиях.
- Закройте щели и пространственный фильтр для достижения требуемого спектрального и осей пространственного разрешения, соответственно.
- Измерение образца.
- Проверьте , что в измеренном спектре, спектральные линии плавленого кварца 27 </ SUP> окна не появляются. Это может произойти при использовании комбинационного спектрометра с плохим confocality.
Representative Results
Три уникальные и репрезентативные результаты, демонстрирующие потенциал этой системы представлены в этом разделе.
Эти измерения были сделаны с помощью спектрометра комбинационного рассеяния, оснащенный 1800 канавки-в-мм дифракционной решетки; малошумящий, Л.Н. 2 -cooled детектора симфонического ПЗСА, вычитательный предварительно монохроматор (в тройном режиме), что позволяет получить доступ к низким волновым числам (до 10 см -1); и антистоксова линии или краевые фильтры (в одиночном режиме), блокирование упругого рассеяния лазерного излучения, поступающего из образца. Падающий свет фокусируется с помощью длинного рабочего расстояния (10,6 мм) объективного, который предлагает 0,5 числовой апертуры с коэффициентом увеличения 5x10 4. Система микроскопа оснащена Z-двигатель, пьезо на основе позиционным, обеспечивающие быстрый фокус и стабильность долгого времени. Переключение между параллельными и кросс-поляризационных конфигураций может быть сделано с использованиемλ / 2 пластины для падающего пучка, с комбинацией Л / 4 и 90 ° поляризаторов для рассеянного назад света. Рассеянный назад свет проходит через регулируемый пространственный фильтр, позволяя ему работать в конфокальных условиях. Этап моторизованных в обоих X и Y оси для того, чтобы обеспечить автоматическое отображение области. Источники возбуждения являются лазеры с длиной волны основными при длине волны 488 нм и 514,5 нм, или Kr + CW лазеров с длинами волн основных при 647 нм и 752 нм Аг + непрерывной волны (CW). Номинальная мощность обоих лазеров может быть скорректирована в цифровом виде от нескольких мВт до нескольких Вт, в зависимости от длины волны. Монохроматор или полосовые фильтры используются для блокирования фоновой плазмы и вторичные линий излучения. Мощности падающего на поверхность образца измеряется на выходе объектива микроскопа с использованием когерентной измеритель мощности. С помощью длинной фокусной цели 50X и режим одного спектрометра позволяет хорошее спектральное разрешение (± 1 см -1), independenт формы поверхности с пространственным разрешением 2 мкм х 2 мкм на поверхности образца.
Спектр комбинационного рассеяния Amo 2
Спектр комбинационного рассеяния чистого диоксида америция измеряли с помощью источника возбуждения с более низкой энергией по сравнению с предыдущим исследованием 28. Она была измерена в капсуле в атмосферном воздухе. Для Amo 2 с бездефектной структурой флюорита, теория групп предсказывает только один активный режим комбинационного рассеяния (Т 2 г) 28, что соответствует вибрации Amo связи катиона Am в окружении восьми анионов кислорода в кубическом среде. Хотя положение T 2g в UO 2 точно известно, что около 445 см -1 (несмотря на малые вариации между авторами), что из Amo 2 никогда не была четко определена. Рисунок 4 2 приобретенную с длиной волны возбуждения 647 нм. Же спектр был записан Наджи и соавт. 28 и Horlait и др. 29 в предыдущих исследованиях оксидов америция. В нем преобладает широкая асимметричная полоса с центром в ~ 380 см -1 и условно отнести к кислородно-растяжению движения в структуре флюорита.
Причина, почему этот режим наблюдаются при достаточно низкие частоты по сравнению с другими актинидами диоксидов все еще является предметом дискуссий. Вполне возможно , что этот сдвиг происходит из - за фото-сокращения Amo 2 к Am 2 O 3 + г лазерными фононов возбуждения, как недавно предложенный Наджи и соавт. 27. Такой эффект будет согласовываться с очень высоким потенциалом кислорода Amo 2. Для того, чтобы уточнить этот момент, дальнейших измерений комбинационного рассеянияготовятся под высоким давлением кислорода в модифицированной установке , показанной на фиг.2.
Спектр комбинационного рассеяния NpO 2
Тока методика была также использована для исследования комбинационного особенности диоксида нептуний (НСС 2) с использованием трех различных источников возбуждения, с падающей энергией фотонов 647 нм, 514 нм и 488 нм, соответственно 30. Асимметричный профиль 2g полосы T в NPO 2 был зондировали. Кроме того, 17 О-обогащенный NpO 2 образца (30% обогащение) было проанализировано, чтобы отличить колебательные и электронные вклады в спектре комбинационного рассеяния 30. Температура на поверхности образца определяли путем измерения Стокса и антистоксова отношение интенсивности линии Т 2 г NpO 2 с использованием Бозе-Эйнштейна улatistics (рисунок 6, верхний и средний). Наши результаты ясно показывают, в первый раз, существование вторичного режиме при ~ 431 см - 1 (фиг 5b, 5d и рисунок 6, внизу), индуцирующих низкое волновое число асимметрии в Т 2g пика (фиг.5се), что подпись решетки NpO 2. Из изотопического сдвига (рис 5d), лазерная энергии, а также зависимости температурного поведения интенсивности комбинационного рассеяния (рис 6, внизу), мы показали , что этот режим возникает из полосы с электронным происхождением. Мы полагаем, что оно соответствует голому, развязке уровня кристаллического поля, предсказанному теоретическому связанному состояние.
Комбинационное Анализ Чернобыльской Lava
Во время тон аварии на Чернобыльской АЭС, взаимодействие между высокой температурой топлива (до 2600 ° С), разрушенной оболочки топлива и силикатных материалов (бетона, песка и серпентините) упала в реактор приводит к образованию своего рода лавы под названием дермы. Жидкость дерма влетела в подвал завода по газоразрядным коридорам. Первые образцы этой лавы были собраны в 1987 году с помощью АК47 с пулемета из-за высокой активности и сильных механических свойств дермы. В 1990 г. наблюдались гидротермальные изменения и распад лавы с образованием уранила-подобный вторичных фаз. Некоторые из этих образцов лавы на Чернобыльской АЭС были предоставлены JRC-Карлсруэ в Радиевом институте нескольких анализов. Несколько комбинационного рассеяния Измерения проводились на различных срезанных и полированных поверхностей образцов на Чернобыльской АЭС кориума. Все эти измерения были соединены с данными SEM-EDX для идентификации элементного состава и фазы, присутствующие наповерхность. На фиг.7 показана оптической картина типичного образца , имеющим разные-фаза «пятно» , которые были проанализированы с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния.
На рисунке 8 показаны спектры комбинационного рассеяния получены из точек 1, 2 и 3 на рисунке 7. Спектры соответствуют SiO 2 стакана: (U, Zr) SiO 4, USiO х, и (U, Zr) O х, соответственно. Эти фазы были либо образованны из прямого взаимодействия оболочки с ядерным топливом, а затем транспортируются в ксенокристах в расплаве или кристаллизовались из силикатного расплава во время транспортировки и охлаждения.
Рисунок 1: Схема стандартной капсулы. Капсулы в основном состоит из закрытых акриловых Glas ы капсула тело с плавленым кремнеземом окном на одной стороне и на противоположной стороне, поршень держит штифт заглушка крепления на котором образец фиксируется с помощью клеевого. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Схема капсулы высокого давления. Капсула по существу состоит из ПЭЭК капсулы тела закрыта с одной стороны, с плавленого оксида кремния окна с помощью резьбового фланца. С другой стороны, поршень фланец поддерживает держатель образца, на котором образец фиксируется с помощью клейкой ленты. Эта капсула снабжена шаровым клапаном для того, чтобы эвакуировать или заполнить капсулу с газом.и др = «_blank»> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Фото капсулы , размещенной на столике микроскопа. Капсула фиксируется на этапе с помощью металлического кольца адаптера. В этом примере, 647 нм (красный) лазерный луч используется в качестве источника возбуждения через длинные цели фокусного расстояния в 50X для измерения низкой активности (U, Np) O 2 пробы (некоторые фрагменты можно увидеть через капсулу окно). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: Рамановские спектры Amo 2 , измеренные в стандартном сapsule. В рамановских спектрах Amo 2 измеряются в стандартных и высоком давлении капсул в атмосфере N2 при атмосферном давлении 15 бара и О 2, соответственно. Спектр комбинационного рассеяния показывает интенсивный режим при ~ 380 см -1, которая является подпись уменьшена AmO 2. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5: Спектр комбинационного рассеяния NpO 2 измеряют при различных энергий и представлен анализ пика деконволюции. а) Спектр комбинационного рассеяния Np 16 O 2 при различных энергиях. б) Т 2g группа Np 16 O 2 измеряют при 2,41 эВ. Пик подходят и деконволюции показывают наличие аий лни тельный пик при 441 см -1. в) Сравнение T 2 г Np 16 O 2 измеряют при различных энергий. г) Сравнение Т 2 г Np 16 O 2 , и Np 17 O 2 , измеренная при 2,41 эВ. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6: Краткое изложение результатов измерений и температуры NPO 2. Вверху: Стокс и анти-Стокс спектры Np 16 O 2 измеряет при различных уровнях мощности лазерного облучения. Температура поверхности образца определяется путем применения статистики Бозе-Эйнштейна к пиковым коэффициентов Стокса / антистоксова Т 2g как функция лазерного IRRAD: Средний тельная власть. Внизу: Интенсивность пика при 431 см -1 в зависимости от расчетной температуры. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 7: Изображение лавы образца Чернобыльской с позициями точек измерения комбинационного рассеяния. Образец состоит из 1 мм толщины слайда приблизительно 10 мм х 5 мм, вырезанная в куске лавы. Различные включения в темной массе стекла можно увидеть; три из них были выбраны в качестве примеров. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
эс / ftp_upload / 54889 / 54889fig8.jpg»/>
Рисунок 8: Спектр комбинационного рассеяния различных фаз , указанных на рисунке 7. Спектры комбинационного рассеяния получается из точек 1, 2 и 3 на фиг.7. Они соответствуют силикатных стекол: (U, Zr) SiO 4, USiO х, и (U, Zr) O х, соответственно. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Discussion
Настоящий экспериментальный подход основан на оригинальной капсуле, которая может быть легко разработаны и изготовлены в мастерской, оснащенной хорошей токарном станке. для внешнего диаметра, который должен соответствовать с коммерчески доступным воронкообразным мешком За исключение, другие размерами капсулы не являются строго необходимыми. Тем не менее, для капсулы под высоким давлением, поверхность подвергается воздействию высокого давления должна быть сведена к минимуму, в частности, к поверхности, перпендикулярной к оси капсулы. Здесь, например, максимальная поверхность стекло 5 мм радиус (г), что соответствует площади А около 127 мм² (А = πr²). Давление Р 20 бар, подверженных этой поверхности развивает усилие F 254 N на окне (Р = Р * А), Р в Па, F в N, и А в кв. Эта сила, распределенная на 6 винтов, приводит к примерно 42 Н / винта. Это следует учитывать при проектировании капсулы и стороны плунжера. Второй пункт должен быть приняты во внимание: плотныйНесс плунжера, а также объема газа при высоком давлении. Когда плунжер находится внутри мешка удержания, газ расширяется внутри удержания мешка в случае утечки, возможно, ставя под угрозу герметичность удержания. Дизайн должен гарантировать, что объем газа при расширении в случае утечки ничтожно мал по сравнению с мощностью мешка. Конструкция должна также обеспечивать, чтобы поверхности, находящиеся в контакте с уплотнительным кольцом хорошо изготовлены, обеспечивая надлежащий уровень герметичности. Контроль качества этих поверхностей, а также уплотнительное кольцо, должен быть выполнен. Следует отметить, что очень радиоактивные образцы могут в конечном итоге повреждения капсулы материалов с течением времени. Таким образом, капсулы не должны использоваться для хранения радиоактивных образцов в течение длительных периодов времени. Также обратите внимание, что эта система представляет собой систему ядерного удержания материала и может потребовать одобрения местных властей безопасности.
Преимущества этого метода многочисленны по сравнению с частичным или компомLete Раман - спектрометр удержания 2, 3, 4, 5, 6, 16, 17. Никакое специальное удержания (бардачок и горячие камеры) не требуется, и, таким образом, никакие дополнительные материалы не генерируются, что должно рассматриваться как ядерные отходы в конце жизни. Там нет настройки спектрометра комбинационного рассеяния (необходимо в случае удержания). Там нет ограничений на возможности измерений с точки зрения длины волны, поляризации, режим измерения, или легкой установки атмосферы, в которой делается измерение.
По сравнению с методом , используемым в ОРНЛ - США 12, 13, 14, 15, микроскопия может быть применена в соответствующих оптических условиях (ыIngle оптического окна вместо трубок), уменьшение количества пробы, необходимое, а также требование к мощности лазера.
Некоторые ограничения системы следует отметить. Расстояние между образцом и объективом микроскопа из-за присутствие окна капсулы требует использования длинного фокусного объектива, который может снизить чувствительность спектрометра комбинационного рассеяния широкоапертурного. Вставка непокрытых окон плавленого кварца между образцом и целью также может привести к снижению качества изображения. Кроме того, в настоящее время системы инкапсуляции также не подлежит повторное использования в связи с тем, что воронкообразным мешок окончательно закреплен на капсуле. Тем не менее, это может быть решено, если небольшая часть воронкообразного мешка была снабжена встроенным уплотнительным кольцом, допуская возможность применения метода переноса мешка к капсуле, а также. Это делает использование более сложной капсулы возможно. Так, например, механизм, чтобы позволить потоку газа; елУстройство mperature-измерения; или механическое давление контролируемой стадии для анализа твердых веществ, а также жидкостей, или для измерения на месте кинетических эффектов в, было бы невозможно. Точка обратить внимание на то, что спектры комбинационного рассеяния высоко радиоактивные образцы, такие как америций должны быть измерены очень быстро (иногда менее чем за неделю) из-за дополнительный сигнал флуоресценции, который добавляет к спектру комбинационного рассеяния со временем. Это явление может быть связано с деградацией двусторонней клейкой двойной вкладки после нескольких дней облучения, в результате к образованию летучих органических молекул, которые конденсируются на поверхности образца.
Настоящая система особенно хорошо приспособлена к изучению радиоактивных ядерных материалов. Он также может быть применен к изучению любого другого вида материала, который пользователь должен быть защищен от опасных (образцов) или образцов, которые должны быть защищены от атмосферной среды.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Андреас Хесселшвердт и Джоуни Раутио от дизайна офиса и мастерского на JRC-Карлсруэ для проектирования и изготовления радиоактивного держателя образца для анализа комбинационного рассеяния. Патрик Lajarge, Дэниел Фреис (ОИЦ-Карлсруэ), и Марк Сарсфилд (NNL, Великобритания) признаны за предоставление Amo 2 исследованных образцов с настоящей техникой. Авторы также хотели бы поблагодарить Бориса Бураков (Радиевый институт) за предоставление образца чернобыльской лавы и Philipp Pöml и Ральф Греттер (как на JRC-МСЭ) для подготовки образца.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| (standard) acrylic glass capsule body | home made | ||
| (standard) UV fused silicate Window 20 mm x 2 mm | Edmund Optics GmbH, Karlsruhe (Germany) | 45464 | |
| (standard) acrylic glass 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 30 mm | |||
| (standard) aluminum 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) polyether ether ketone high pressure capsule body | home made | ||
| (High pressure) High pressure capsule window: Ø12.7 x 3 mm 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 |
References
- Das, R. S., Agrawal, Y. K. Raman spectroscopy: Recent advancements, techniques and applications. Vib. Spectrosc. 57 (2), 163-176 (2011).
- Guimbretière, G. Characterization of nuclear materials in extreme conditions: Raman spectroscopy approach. IEEE Trans. Nucl. Sci. 61 (4), 2045-2051 (2014).
- Guimbretière, G. In-Situ Raman Observation of the First Step of Uranium Dioxide Weathering Exposed to Water Radiolysis. Spectrosc. Lett. 44, 570-573 (2011).
- Jégou, C. Oxidizing dissolution of spent MOX47 fuel subjected to water radiolysis: Solution chemistry and surface characterization by Raman spectroscopy. J. Nucl. Mater. 399 (1), 68-80 (2010).
- Jégou, C. Raman spectroscopy characterization of actinide oxides (U1−yPuy)O2: Resistance to oxidation by the laser beam and examination of defects. J. Nucl. Mater. 405 (3), 235-243 (2010).
- Sarsfield, M. J., Taylor, R. J., Puxley, C., Steele, H. M. Raman spectroscopy of plutonium dioxide and related materials. J. Nucl. Mater. 427 (1-3), 333-342 (2012).
- Talip, Z. Raman and X-ray Studies of Uranium-Lanthanum-Mixed Oxides Before and After Air Oxidation. J. Am. Ceram. Soc. 98 (7), 2278-2285 (2015).
- Desgranges, L. Miscibility Gap in the U-Nd-O Phase Diagram: a New Approach of Nuclear Oxides in the Environment. Inorg. Chem. 51 (17), 9147-9149 (2012).
- Böhler, R. High temperature phase transition of mixed (PuO2 + ThO2) investigated by laser melting. J. Chem. Thermodyn. 81, 245-252 (2015).
- Böhler, R. The solidification behaviour of the UO2-ThO2 system in a laser heating study. J. Alloys Compd. 616, 5-13 (2014).
- Böhler, R. Recent advances in the study of the UO2-PuO2 phase diagram at high temperatures. J. Nucl. Mater. 448 (1-3), 330-339 (2014).
- Begun, G. M., Haire, R. G., Wilmarth, W. R., Peterson, J. R. Raman spectra of some actinide dioxides and of EuF2. J. Less-Common MET. 162 (1), 129-133 (1990).
- Hobart, D. E., Begun, G. M., Haire, R. G., Hellwege, H. E. Characterization of transplutonium orthophosphates and trimetaphosphates by Raman spectrophotometry. J. Less-Common MET. 93, 359 (1983).
- Hobart, D. E., Begun, G. M., Haire, R. G., Hellwege, H. E. Raman spectra of the transplutonium orthophosphates and trimetaphosphates. J. Raman Spectrosc. 14 (1), 59-62 (1983).
- Nguyen Trung, C., Begun, G. M., Palmer, D. A. Aqueous uranium complexes. 2. Raman spectroscopic study of the complex formation of the dioxouranium(VI) ion with a variety of inorganic and organic ligands. Inorg. Chem. 31 (25), 5280-5287 (1992).
- Guimbretière, G. In situ Raman monitoring of He2+ irradiation induced damage in a UO2 ceramic. Appl. Phys. Lett. 103 (4), (2013).
- Canizarès, A. In situ Raman monitoring of materials under irradiation: study of uranium dioxide alteration by water radiolysis. J. Raman Spectrosc. 43 (10), 1492-1497 (2012).
- Johnston, A. H. Radiation Damage of Electronic and Optoelectronic Devices in Space. Proceedings of the 4th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application. 2000 Oct 11-13, Tsukuba, Japan, , (2000).
- Nucleonica Nuclear Science Portal v.3.0.49. , Nucleonica GmbH. Karlsruhe, Germany. Available from: www.nucleonica.com (2014).
- Strahlenschutzverordnung. Bundesministerium für & Naturschutz und Reaktorsicherheit Umwelt. , 54-55 (2013).
- Prieur, D., et al. Accommodation of multivalent cations in fluorite-type solid solutions: Case of Am-bearing UO2. J. Nucl. Mater. 434 (1-3), 7-16 (2013).
- Lebreton, F., Belin, R. C., Prieur, D., Delahaye, T., Blanchart, P. In Situ Study of the Solid-State Formation of U1-xAmxO2±δ Solid Solution. Inorg. Chem. 51 (17), 9369-9375 (2012).
- Prieur, D. Local Structure and Charge Distribution in Mixed Uranium-Americium Oxides: Effects of Oxygen Potential and Am Content. Inorg. Chem. 50 (24), 12437-12445 (2011).
- Prieur, D. Self-irradiation effects in dense and tailored porosity U1−yAmyO2−x (y = 0.10; 0.15) compounds. J. Nucl. Mater. 411 (1-3), 15-19 (2011).
- Wiss, T. TEM study of alpha-damaged plutonium and americium dioxides. Journal of Materials Research. 30 (9), 1544-1554 (2015).
- Parker, J. H., Feldman, D. W., Ashkin, M. Raman Scattering by Silicon and Germanium. Phys. Rev. 155, 712-714 (1967).
- Hass, M. Raman spectra of vitreous silica, germania and sodium silicate glasses. J. Phys. Chem. Solids. 31 (3), 415-422 (1970).
- Naji, M. An original approach for Raman spectroscopy analysis of radioactive materials and its application to americium-containing samples. J. Raman Spectrosc. 46 (9), 750-756 (2015).
- Horlait, D. Self-irradiation and oxidation effects on americium sesquioxide and Raman spectroscopy studies of americium oxides. J. Solid State Chem. 217, 159-168 (2014).
- Naji, M. Raman Scattering from Decoupled Phonon and Electron States in NpO2. J Phys Chem C. 120 (9), 4799-4805 (2016).
