Herhangi bir standart mikro-Raman spektrometresi ile yüksek radyoaktif Örneklerin Raman Analizi için yeni bir teknik

Özet

Bu aletin bir radyoaktif kirlenme olmadan, herhangi bir standart mikro Raman spektrometre ile uyumlu yüksek radyoaktif örnekler Raman spektroskopik analiz için bir teknik sunar. Ayrıca aktinid bileşikleri ve ışınlanmış yakıt maddeleri kullanılarak bir uygulama göstermektedir.

Özet

Nükleer maddelerin Raman ölçümü için yeni bir yaklaşım, bu yazıda rapor edilir. Bu atmosfer malzeme izole sıkı bir kapsül içinde radyoaktif numunenin yapıdan oluşur. Kapsül, isteğe bağlı olarak 20 bar kadar basınçlı seçilen bir gaz ile doldurulabilir. Mikro-Raman ölçümü bir optik dereceli kuartz pencerenin ile gerçekleştirilir. Bu teknik spektrometre bir alfa geçirmez çevreleme içine alınması için gerek olmadan doğru Raman ölçümleri izin verir. Bu nedenle çoklu dalga boylu lazer uyarma, farklı kutuplaşmalar ve tek veya üçlü spektrometre modları gibi Raman spektrometresi tüm seçeneklerin, kullanımına izin verir. ölçümler bazı örnekleri gösterilmiş ve açıklanmıştır. İlk olarak, yüksek oranda radyoaktif bir americium oksit örneği (AmO ₂₎ bazı spektral özellikleri sunulmaktadır. Daha sonra, büyük ölçüde geliştirilir yorumlanması olan Raman neptunyum oksit spektrumlarını (Npo ₂₎ örnekleri, raporAnti-Stokes Raman hatları ölçmek için üç farklı uyarılma dalga boyunu, ¹⁷ O katkılama, ve bir üçlü mod yapılandırması kullanılarak belirlenebilir. Bu son özellik ayrıca numune yüzey sıcaklığının tahminini sağlar. Son olarak, fazlar Raman eşlemesi ile tanımlanır Çernobil lav, bir numune üzerinde ölçülmüştür veriler gösterilir.

Giriş

Raman spektroskopisi yaygın ilaç, kozmetik, jeoloji, mineraloji, nanoteknoloji, çevre bilimi, arkeoloji, adli ve sanat tanımlama ¹ gibi alanlarda bir tahribatsız analitik yöntem olarak kullanılmaktadır. Bu kristaller ya da molekül olarak, titreşim dönme ve diğer düşük frekans modları analizi için kullanılır. Bu teknik, kristal yapısı, kompozisyonu, kristal halde, sıcaklık, elektronik duruma, stres, baskı (özellikle nano-yapılı kristalitlerin durumunda), tane büyüklüğü, inklüzyonlar ve kusurlar duyarlıdır. tek moleküller (gaz veya matris izole moleküller) için, Raman kimyasal bileşimi, lokal koordinasyon ve elektronik yapıya duyarlıdır. bir elektronik rezonans ya da yüzey-artmış bir spektroskopik teknik olarak kullanılabilir olması, çok düşük konsantrasyonlarda bileşiklerin saptanması ve ölçülmesi için son derece duyarlı hale getirir.

kolaylığı ileKullanım sınırlı numune hazırlama ve uzaktan ölçüm için olasılık, Raman spektroskopisi, nükleer alanda özel ilgi konusudur. Bu nükleer yakıtın radyasyon hasarı üzerindeki çalışmalarda (kusur) için yakın zamanda ^{kullanılmıştır, 2, 3, 4, 5,} hem de aktinit bileşik sistemlerde ^{6, 7, 8, 9, 10, 11, 12} temel çalışmaları ^{için, 13, 14, 15.} Nükleer maddelerin Raman ölçümü için büyük bir sorun radyasyona maruz kalma ve esas doğasında risktir. koruyucu ile radyasyon ve için: Bu riskler yönetilebiliryalnız kalma sureti ile dahil. Tipik olarak, bir akrilik cam eldiven kutusu gibi bir tutma sisteminin sınırlandırmak ve kalkan alfa yayıcılar için yeterlidir. Beta ve gama kurşun veya kurşun-takviyeli cam gibi ek bir yüksek yoğunluklu koruyucu malzeme, gerektirebilir. Nötron yayıcılar kolayca nötron yakalama edebilir ve su ya da parafin gibi hidrojen açısından zengin bu tür bir malzemeden oluşan perdeleme gerekir. Şimdiye kadar, nükleer malzemelerin en Raman spektroskopi ölçümleri cam ^{elyafları, 2, 3, 4, 5, 6, 16, 17} ile bağlantılı bir uzaktan başlığı ile, örneğin, uzaktan yapılandırmalarında, korumalı hücrelerinde gerçekleştirilmiştir. Bu teknik nükleer yakıtın ^2. doğrudan analizi için bile uygundur. Ne yazık ki, bu yaklaşım bazı im varnem li sınırlamaları: hücredeki tüm uzaktan Raman spektrometresi parçaları radyoaktif malzeme ile doğrudan temas halinde olan birinci olmak hızlı olanağına ¹⁸ zarar ve radyoaktif atıkların dönüştürerek. Daha sınırlamalar uzak tekniğe özgü bulunmaktadır. Örneğin, fiber optik kullanımı vb farklı uyarılma dalga boyunu, confocality, polarizasyon, kullanılması olasılığını sınırlandırır

(- ABD ORNL) ^{12, 13, 14, 15} başka deneysel yaklaşım, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda 1990 yılında geliştirilmiştir. radyoaktif örnek, çift kuvars kılcal kapatıldı, kendisi de bir borosilikat cam tüp oluşan üçüncü lohusalık içine yerleştirilmiştir. Bu aktinid içeren türlerin birinci Raman ölçümü için. Ancak, ölçüm birkaç yatıyordu yoluyla gerçekleştirilecek olankavisli kuvars ve borosilikat cam ers, bir çok-düşük sinyal elde edilmiştir. Bu şekilde, örneğin, amo ₂ ¹² kaliteli bir spektrum elde etmek mümkün değildi. Ayrıca, et al Begun. ¹² yerel ısıtma ile numuneyi etkilemiş olabilir nispeten yüksek lazer gücü (birkaç yüz mW) kullanmak zorunda kaldı.

Aktinid bileşiklerinin ses referans Raman spektrumları elde etmek için tüm Raman spektrometresi özellikleri (eksitasyon dalga boyu, spektrometre modu, polarizasyon, vs.) kullanmak mümkündür. Bu bakışa göre, biz radyoaktif örneklerin yerel Kapsülleme yeni bir teknik geliştirdiler. Nükleer maddelerin ölçümü için bir standart olmayan kirlenmiş veya özelleştirilmiş mikro Raman spektrometresi kullanımına izin vermektedir. Bu örnek, sadece çok küçük bir miktarda gerektirir Raman analizi (mikro-Raman spektroskopisi veya μRS) için bir mikroskop kullanımı, önemli bir avantaj sunargözlenen ve uygun ölçülecek. Temel olarak, mikrometre arasında birkaç on sırasına arasında değişen bir örnek büyüklüğü, 10X ya da 50X objektif ile donatılmış bir mikroskop birkaç mikrometre uzamsal çözünürlüğü sayesinde μRS için yeterlidir. Mikroskop için 2,500 um ² (50 x 50 um büyüklükte) ortaya koyan bir örnek hacmi, şekline bağlı olarak, / 12 g bir yoğunluğa dikkate yaklaşık 1 mg ağırlığa karşılık gelen, yaklaşık 0.1 ^{mm3 cm3} (aktinit oksitler tipik). Yüksek oranda radyoaktif ²⁴¹ Am 1 mg örnek 1 ^{M, 19,} 10 cm ya da 0.5 μSv / saat ila yaklaşık 50 μSv / saat maruz bırakır. Bu seviyeler genellikle μSv elinde ve onlarca mSv / gün mertebesinde, yasal doz sınırları içinde kolayca kalır / gün vücut ^20. Buna ek olarak, bu sistem, aynı zamanda, yüksek nem seviyeleri veya oksijen varlığında, atmosfer ortamı ile ilgili örnek, izole eder. BağılDing ölçüm ihtiyaçlarına, vakumdan, kullanıcı bile reaktif veya koruyucu 20 bar, kadar iyi bir atmosfer tercih edebilirsiniz. aktinid oksitler, florür tuzları, metaller (su ile oksidasyon, indirgeme ve reaksiyon) gibi, atmosferik bulundukları ortama karşı kimyasal tepkimeye giren malzemeler, okurken bu durum özellikle önemlidir. Örnek lazer ile ısıtılabilir, çünkü, genellikle, Raman ölçüm için gerekli örnek, yoğun lazer, bu reaksiyonların kinetiği artırır. Bu reaksiyonlar doğru atmosferi seçerek telafi edilebilir. Prosedürün Bu tür ayrıca kimyasallara veya bulaşıcı biyolojik madde gibi zararlı örneklerin, herhangi bir optik ölçüm yardımcı olabilir.

Alfa-radyasyonu ve atmosferik sıkı Raman numune tutucusu 15 mm derin bir delik (Şekil 1) açılmış olan ekseninde bir akrilik cam silindir, 44 mm çapında ve en fazla 60 mm, oluşur. Bu bölüm,kapsül, bir 2 mm kalınlığında 20 mm çaplı, tek-dalga, optik, parlak erimiş silis pencere ile bir tarafında kapatılır. örnek tutan bir 14.9 mm çapında bir akrilik cam çubuk, piston, örnek sağ pencere altında gelir noktaya kapsülün sokulur. Numuneler (bir disk toz veya küçük fragmanları) standart bir alüminyum pim parçası üzerinde bir çift taraflı yapışkan sekmesinin yardımıyla sabitlenir çapı 12.7 mm monte kendisi akrilik cam çubuk (piston) sonunda sabit. piston laboratuarda kapsül ve radyoaktivite dispersiyon yırtılmasına neden olabilir kaynaşık silika pencere, içine çok fazla numune ve tutucu itme riskini önlemek için bir dış halka segman ile donatılmıştır. Ayrıca, bir yay halkası numune ve pencere arasındaki mesafeyi ayarlamak üzere, pistonun bu amaç için yapılmış olukların biri, farklı pozisyonlarda ayarlanabilir. Piston ayrıca düzgün bir şekilde kayması için bir O-ring ile donatılmıştırsilindir çubuğun. rodun sokulması sırasında silindir içindeki gaz veya atmosfer sıkıştırarak önlemek için, silindirin iç yüzeyinde bir oluk montaj işlemi sırasında gaz tahliye sağlar. Bir vida silindirden dışarı çekme kolu için pistonun alt delinmiş bir iplik tespit edilebilir. Numuneler, böylece, genel olarak yıkıcı olmayan Raman analizinden sonra çıkarılabilir.

Ikinci bir numune tutucu 20 bar (Şekil 2) kadar seçilmiş bir atmosfer altında Raman analiz amacıyla geliştirilmiştir. Bu yüksek basınca dayanıklı alfa-radyasyon ve gaz geçirmez Raman numune tutucusu, bir polieter eter keton (PEEK), silindir gövdesinin 16 mm'lik delik onun ekseninde delinir çapı 44 mm ve uzun 65 mm, oluşur. Bu bölüm, kapsül gövde, bir metal turta tarafından tutulan bir 3 mm kalınlıkta, 12.7 mm çapında bir dalga, optik, parlak erimiş silis kaplanmamış pencere ile bir tarafında kapalıdırge 6 vida ile gövde üzerinde sabit. sıkılığını elde etmek için, pencere gövdesi içinde yapılmış bir oluk içinde yerleştirilmiş bir o-halkası üzerinde durmaktadır. metal flanş ile doğrudan temas pencerenin korumak için, bir floropolimer elastomer düz eklem her ikisi arasına yerleştirilir. Kapsülün diğer tarafında da vidalarla gövdeye sabitlenmiş bir metal flanş (piston flanş) ile kapatılır. piston flanş bir numune tutucu (pencerenin yanındaki) vidalandığı sonunda, bir piston ile donatılmıştır. Sadece örnek tutucunun altına, piston kapsül yüksek basınç sızdırmazlığı temin, bir yiv içine yerleştirilmiş bir O-ring ile donatılmıştır. Piston sızdırmazlığı sağlanması, sadece bir O-ring sonra sona eren, bir kılcal ile bütün uzunluğu boyunca delinir. Vakum pompası ya da basınç altında numune odası koymak üzere tasarlanmıştır. örnek aynı şekilde daha önce açıklandığı gibi numune tutucu üzerine sabitlenir. piston flanş amacıyla 6 mm'lik paslanmaz çelik gaz borusu bir adaptör ile donatılmışgaz girişi ya da vakum pompalama için bir valf bağlanması için.

kapsüller ve örnek hapsi kırmak zorunda kalmadan depolanır tutma sistemi dış kısmı arayüzü için, iyi bilinen bir transfer torbası tekniği kullanılmaktadır. Bu teknik genel olarak güvenli bir şekilde ayrılmış iki confinements arasında örnekleri aktarmak için, özellikle de bir nükleer endüstrisinde kullanılır. Burada kullanılan huni şeklinde torba özel olarak bu tekniğin kullanılması için tasarlanmıştır. Numune tutucu tarafında, torba ucu, kapsülün dış çapa sahip uygun en küçük çapı, huni şeklinde olan. Bir oluk ve bir çıkıntı, torbanın etrafında sıkı bir O-ring yükleme yerinde tutmak ve sırasıyla torba içine çok kaymasını silindir önlemek amacıyla silindirin dış yüzeyi üzerinde gerçekleştirilmektedir.

Bu çalışma deneysel yaklaşım ilgili ayrıntıları aynı zamanda t üç temsili bir örneği, uygulamaları sağlarechnique. Bir örnek yüksek derecede radyoaktif amerikyum dioksit Raman çalışması ile ilgilidir. Bu, radyoaktivite azaltılmasını amaçlayan özel nükleer yakıtların Am Dönüşümün çalışmada özel ilgi uzun ömürlü nükleer atık ^{21, 22, 23, 24,} aynı zamanda derin bir güç vermek için radyoizotop jeneratörleri içinde ²³⁸ Pu bir yedek olarak keşif uzay aracı ²⁵ ile uzay. Bu son derece radyoaktif madde numunenin ölçümü geliştirilen tekniğin gücünü göstermektedir. İkinci örnek de transmutation için planlanan bir malzeme ile ilgilenir. Üç farklı uyarılmaları dalga boylarını ve çeşitli lazer güç seviyeleri kullanılarak, ¹⁷ Ey doping etkisi de dahil olmak üzere NPO _2'nin Raman özellikler, bir daha temel çalışması sunuldu. Elde edilen numune bir sıcaklık ölçüm burada tahmin edilmiştirÜçlü spektrometre yapılandırma yardımıyla Stokes ve anti-stoke hattı yoğunlukları arasındaki oran. Bu başarılı test Bu teknikle tarafından sunulan ve NPO ₂ parmak izleri olarak kullanılabilir vibronic Raman bantları belirlemeye yardımcı olur edilir enstrümantal esneklik gösterir. Son örnekte, konu olan bir yaklaşım reaktör çekirdeği erime sonrasında 1986 yılında oluşturulan Çernobil lav alınan bir örnek, Raman-eşlemek için kullanıldı. Bu malzemede bulunan farklı aşamalarında tanımlanması amaçlanmaktadır.

Protokol

1. Deney Planlama

1. kullanılacak Raman spektrometresi merkezi bir açıklık çapı en az 60 mm, slayt tutucunun altına bir XY aşaması ile donatılmış olduğundan emin olun.
2. kapsül tanıtmak aşamanın altında serbest oda en az 150 mm olması emin olun ve bu oda (yukarıdan veya aşağıdan) kolayca erişilebilir olduğu.
3. Raman spektrometresi en az 10 mm'lik bir çalışma mesafesi ile objektif ile donatılmış olduğundan emin olun.
4. analiz etmek için örnek uygun bir ortamda, kapsülün (eldiven kutusu örnekleri aktarmak için yerel prosedüre bakınız) depolanır ve devredilecek olduğundan emin olun.
5. Numune kapsüle örnek yüklemek için gereken cımbız, küçük kimyasal kaşık veya spatula ile işlenebilir olduğundan emin olun.
6. Yüksek basınç (HP) seçeneği: hapsi sistemi pompa ve yüksek basınçlı kapsülü doldurmak için bir sistem ile donatılmış olduğundan emin olun.
7. Yerel radiopro sorradyasyondan önlemleri tam prosedür için uygulamak için Protection görevlisi.

Örnek sahibi 2. Hazırlık

1. kapsül ya da, isteğe bağlı olarak, yüksek basınçlı bir kapsül oluşturan parçaların toplayın.
2. Gövde üzerinde pencere Tespit
   1. Eşit, doğrudan pencere montaj oluğun dış kısmı üzerinde yapışkan aplikatörü epoksi reçinenin küçük bir miktar uygulanır. Epoksi reçinelerinin farklı denenmiştir unutmayın. Malzeme Listesi belirtilen yapıştırıcı, özgül viskozitesi en Bu uygulama için uyarlanmıştır.
   2. Yüklü pencere optik temiz olduğundan emin olmak temiz eldiven takın ve orijinal ambalajında ​​pencereyi açmak için. pencere ve yiv arasında tutkal dağıtmak için bir parmak ile hareket akrilik cam kapsül oluğa yerleştirin.
   3. tutkal eşit ap ise dikkatlice görmek için pencereden kontrolpencere ve akrilik cam arasında katlanmış.
   4. tutkal sürece tutkal bilgi broşüründe belirtilen tedavi edelim.
   5. Pencere ve akrilik cam düzgün yapıştırılmış olup olmadığını görmek için Camdan tekrar kontrol edin; hava kabarcığı görünür olmalıdır.
3. HP seçeneği: Yüksek basınçlı kapsül gövdesi üzerinde pencere Tespit
   1. iyi bir şekilde sıkılığını garanti kapsül O-ring ile temas eden yüzeylerin, temiz ve eşit bir şekilde işlenmiş olup olmadığını, bir büyüteç ile kontrol edin.
   2. Yüksek basınç, kapsül gövdesinin pencere tarafında özel bir Grove bir kapsül O-ring yerleştirin.
   3. Kapsül O-ring üzerine yüksek basınç gövde üzerinde, yüksek basınçlı bir kapsül pencere yerleştirin.
   4. Yüksek basınçlı kapsül pencere üzerinde polioksimetilen düz halka yerleştirin.
   5. Yüksek basınçlı kapsül pencerenin pencere tarafının üst kapatma flanşı yerleştirin ve 6 üst lavabo vidalarla tutturmak.
4. Kapsül üzerindeki torba Tespit
   1. Silindir için çıkıntının daha kaymayacak noktaya kadar sona eren, huni şeklindeki torbanın dar kısmına huni şekilli torbanın geniş taraftan, birinci pencere kapsül yerleştirin.
   2. Gerekirse, torba konumunu ayarlamak için, yaklaşık 1.5 cm ile huni şeklindeki torbanın üzerinden silindir yapışır.
   3. silindirin oluğunda yastığının üzerine sıkma O-ring yerleştirin.
   4. Bant için silindirin üzerine esnek elektrik bandı ile torba ortaya silindirin üst kısmı yaklaşık 8 mm bırakmak. Bu bölüm, Raman mikroskop silindiri düzeltmek için kullanılır.
5. Kapsül montaj sıkılık testi
   1. Bu durumda, nükleer tesisler genellikle mevcut eldiven kutusu eldiven ve keseler, sıkılığı test adanmış yükleme kapsül (mekanizmasıyla) ile donatılmış huni şeklinde torba (getirin, bir Ar-H _{2) bir H2 detektör cihazı basınçlı aşırı.}
   2. Test flanşındaki torba takımını sabitleyin.
   3. Elektrik bandı kullanarak flanşa bunu kaydet.
   4. Bir Ar +,% 5 _H2 gaz karışımı ile 500 mbar'a kadar doldurun.
   5. Penceresi yapıştırılmış alan etrafında özel özen her kapsül ve torba üstünde taşınabilir _H2 detektör hareket ettirin.
   6. _H2 tespit edilirse torbası düzeneği yeterince sıkı değildir şekilde, aşama 2.5.2 prosedürü tekrarlayın.
6. Pistonun hazırlanması
   1. piston oluk içinde kayan O-halkası takın.
   2. pim saplama piston üzerine takın.
   3. dışa doğru yüzeyinde koruyucu bir tabaka tutarak, montaj pimi koçana çift taraflı yapışkan sekmesini kalın.
   4. pistonun diğer tarafına çekme vidası.
   5. örnek toz ya da 1 mm 'den daha küçük bir parça varsa, bir yay halkası yüklemek(Vida doğru) pistonun son gergi rondelası pense ile. 1 mm 'den daha büyük bir numune için, numunenin kalınlığına piston yiv üzerinde bir yay halkası konumunu ayarlamak.
7. Yüksek basınçlı piston hazırlanması
   1. Kapsül O-ring ile temas halindeki her iki yüzey, iyi sızdırmazlık sağlanması, temizlenmiş ve eşit işlenmiş olup olmadığını büyüteç ile kontrol edin.
   2. Örnek tarafında özel bir piston oluk içinde bir kapsül O-halkası takın.
   3. pistonun üst numune Tutucuyu.
   4. dışarıya doğru yüzeyi üzerinde koruyucu bir tabaka tutma, numune tutucu ile, numune tutucu karşılık gelen bir boyutu, bir çift taraflı yapışkan şeridinin bir parçasını yapıştırın.
   5. giriş O-ring ile temas halindeki her iki yüzey, iyi sızdırmazlık sağlanması, temizlenmiş ve eşit işlenmiş olup olmadığını büyüteç ile kontrol edin.
   6. th özel oluk içinde giriş O-halkası takınPistonun E gaz giriş tarafında.
   7. piston adaptörü vidalayın.
   8. onun kurulum prosedürünü göre adaptör üzerinde küresel vana monte edin.

Numune Tutucu Numune 3. Kurulum

1. Yerel prosedüre göre sınırlama sistemine numune tutucu yükleme ve aynı zamanda, tutma sistemi, pistonu gerekmektedir. (HP opsiyon): yanı 6 alt lavabo vidalarını takın.
2. çift ​​taraflı yapışkan sekmesinden koruyucu tabakayı çıkarın.
3. pistonu tutun ve yapışkan sekmesinde numuneyi yerleştirin. Numune tek bir parça ise, cımbız veya kimyasal kaşık, mümkünse numune üzerinde biraz bastırın. örnek toz ise, numune tutucu ait yavaşça yayılabilir. HP seçeneği: yüksek basınçlı örneği üzerindeki yüksekliği 1 mm'den küçük bir örnek küçük bir yer.
4. kapsülünde: (piston flanş HP opsiyon) pistonu takın. o ca kadar içeri itinözen dikey konumda kapsülü tutmaya ederken nnot, ayrıca herhangi gidin. Bu noktadan sonra, kapsül düşey konumda mümkün olduğu kadar tutulur emin olun.
5. HP seçeneği: yüksek basınçlı kapsül gövdesi düzeneğinin alt piston flanş düzeltmek için 6 taban-plakası vidalarını sıkıştırın.
6. HP seçeneği: yüksek basınçlı kapsülün Basınçlandırma.
   1. hapsi vakum / gaz besleme hattına küresel vana bağlayın.
   2. vanasını açın ve kapsül tahliye.
   3. gaz kapsül malzemesi ile ilgili olarak atıl olduğu 20 bar fazla değildir ve bakımı, seçilen bir gaz ile kapsül basınç verin.
   4. vanasını kapatın.
7. Yerel prosedür uyarınca hapsinden kapsül ayrılır, ve valf plastik torba zarar vermez dikkat edin. Mikroskop aşamasında altına uyması için, birlikte bantlayarak torbanın hacmi azaltır (adım 4.4). bu t Noto prosedür ilk katın üzerine ikinci torbayı bantlama gerektirebilir.

Raman Mikroskop altında Capsule 4. Kurulum

1. Bir bloke edici vida ile metal halka slayt saptamak kapsülün bant serbest üst kısmı üzerine (bakınız Şekil 3). bunu engellemek için yan vidasını.
2. üst veya mikroskop aşamasının altına ya da kapsülün yerleştirin.
3. Aşama slayt tutucu üzerine metal halka slayt monte (bakınız Şekil 3). slayt tutucu yaylar ile sabitleyin.
4. sahnede altında torba serbestçe herhangi gerekli X, Y içinde taşımak ve sahne Z hareketleri sağlayıp sağlamadığını kontrol edin. Değilse, onun hacmini düşürmek için bir araya torbayı bantlayın.

5. Raman spektrumları ölçüm

1. Raman spektrometresi sıklığı kalibrasyonu.
   1. kapsülün pencere üzerinde tek bir silikon kristal yerleştirin.
   2. objektif t seço kullanımı ve mikroskop odaklanır.
   3. Ölçümü için lazer dalga boyu seçin ve referans bandı 520,5 cm ^{-1 26'da} olduğu tek bir silikon kristal, T _2g uyarma belirler. yazılımı kullanarak, buna uygun olarak frekans ölçeği ayarlayın.
2. Raman spektrometresi yoğunluğunun kalibrasyonu.
   1. optik yol, lazer, giriş yarıklar, polarizasyon konfigürasyonu, confocality uzamsal filtre ve maksimal yoğunluğu azaltmadan mümkün olduğu kapalı şekilde yarıklar tutarken tepe şiddetine en üst düzeye çıkarmak amacıyla güçlü Si kristal tepe kullanılarak CCD açıklığı ayarlayın. aynı koşullar altında "Fabrika" hizalama sonra elde edilen bir değer, bu yoğunluk Karşılaştırması.
   2. sırasıyla gerekli spektral ve z-ekseni uzaysal çözünürlüğü ulaşmak için yarıklar ve uzamsal filtre kapatın.
3. Örnek ölçümü.
   1. kapsüllenmemiş örnekleri olarak, benzer bir şekilde örnek ölçün. Bu adım, hem de ölçüm türüne kullanılan Raman spektrometresi türüne şiddetle bağlı olduğunu unutmayın. Raman spektrometresi kılavuzuna bakın. Çok küçük numuneler için (örneğin, lazer spot büyüklüğü, bir tane ölçüm zaman), floresans sinyali esas olarak çift yapışkan sekme aydınlatıcı Raman spektrumunda görüntülenebilir. Bu durumda, küçük bir numune yüzeyinin en fazla aydınlatmak ve sadece ışıklı bir nokta merkezi kısmını analiz spektrometrenin giriş yarık açıklığı azaltmak için mikroskop yönlendirmesi emin olun. lazerle doğrudan çift taraflı yapışkan aydınlatmak değil de emin olun. lazer gücü yapışkanın yakmak ve ölçülen spektrumunda floresan ilave uçucu organik molekülleri serbest bırakabilir.
   2. Erimiş silis ²⁷ spektral çizgileri ^<, ölçülen spektrumunda, kontrol edin/ Sup> görünmüyor pencerenin. fakir confocality bir Raman spektrometresi kullanılarak ortaya çıkabilir.

Sonuçlar

Bu sistemin potansiyelini gösteren üç benzersiz ve temsili sonuçlar bu bölümde raporlanır.

Bu ölçümler ile donatılmış bir Raman spektrometre ile kaydedilmiştir 1.800 oluk başına mm ızgara; düşük dalga sayısı erişim sağlar (üç modunda), düşük gürültü, LN ₂ Soğutulmuş Symphony CCD detektörü, bir eksiltici ön monokromatör (en fazla 10 ^cm-1); ve anti-stoke çizgiler ya da (tek modunda) kenar filtreler, örnekten gelen elastik lazer saçılması bloke eder. Gelen ışık, bir 5x10 ⁴ büyütme faktörü ile 0.5 sayısal açıklık sunan uzun bir çalışma mesafesi (10.6 mm) amacı, kullanılarak odaklanmıştır. mikroskop sistemi hızlı odaklama ve uzun süreli stabilite sağlarken bir Z-motor, piezo-esaslı konumlandırıcı ile donatılmıştır. paralel ve çapraz-polarizasyon konfigürasyonları arasında geçiş kullanılarak yapılabilirarka ışık üretmek için λ / 4 ve 90 ° polarizörlerin bir kombinasyonu ile ışık demeti için bir λ / 2 plaka,. Geri saçılan ışık konfokal koşullarında çalışmak için izin veren ayarlanabilir bir uzaysal filtreden geçer. aşama otomatik alan haritalama olanak sağlamak amacıyla, X ve Y ekseni hem de motorizedir. Uyarma kaynağı Ar ⁺ sürekli dalga (CW) 488 nm ve 514.5 nm, ya da 647 nm ve 752 nm 'de, ana dalga boylarına sahip Kr ⁺ CW lazerler ana dalga boylarına sahip lazerlerdir. Her iki lazerler nominal çıkış gücü dijital dalga boyuna bağlı olarak, bir kaç W kadar birkaç mW arasında ayarlanabilir. Bir monokromatör ya da bant-geçişli filtreler arka plan plazma ve ikincil emisyon çizgilerini engellemek için kullanılır. Numune yüzeyi çarpan güç uyumlu bir güç ölçer kullanılarak mikroskop objektif çıkışında ölçülmüştür. Independen iyi spektral çözünürlük (± 1 ^cm-1) uzun odak 50X objektif kullanarak tek spektrometre modu sağlarNumune yüzeyi üzerinde 2 mm x 2 um'lik bir uzamsal çözünürlükle yüzey şeklinin t,.

Amo ₂ Raman spektrumu

Saf americium dioksit Raman spektrumu, önceki araştırmalar ²⁸ kıyasla daha düşük bir enerji uyarım kaynağı ile ölçülmüştür. Atmosferik hava kapsül içinde ölçülmüştür. Hatasız florit yapı ile amo ₂ için, grup teorisi kübik bir ortamda sekiz oksijen anyonları ile çevrili bir Am katyon AmO bağının titreşim tekabül eden sadece bir Raman aktif modu (T _{2 g)} ^28, tahmin eder. UO ₂ T _2g pozisyonu da yaklaşık 445 ^cm-1 (yazarlar arasındaki küçük değişikliklere rağmen), olduğu bilinmektedir, ancak AmO _2'nin açıkça tespit edilmemiştir. Şekil 4, 2 tipik bir Raman spektrumunu gösterir. Aynı spektrum Naji et al tarafından kaydedildi. ²⁸ ve Horlait ve diğ. Americium oksitlerin daha önceki çalışmalarda ^29. Bu ~ 380 cm merkezli bir geniş, asimetrik bant hakimdir ^-1 ve geçici olarak florit yapıda bir oksijen germe hareketi atfedilen.

Bu mod diğer aktinit dioksit ile karşılaştırıldığında oldukça düşük frekanslarda görülmektedir nedeni hala tartışma konusudur. Yakın zamanda Naji et al tarafından önerilen uyarım lazer Fononlarla ₂ O _{3 + z,} Am amo ₂ foto azalmaya bu değişim olması mümkündür. ^27. Bu tür bir etki amo ₂ çok yüksek oksijen potansiyeli ile tutarlı olacaktır. Bu noktayı açıklığa kavuşturmak amacıyla, ayrıca Raman ölçümlerdeŞekil 2'de gösterilen modifiye edilmiş kurulumunda yüksek oksijen basıncı altında hazırlanmaktadır.

Npo Raman spektrumu _2.

Mevcut teknik, aynı zamanda 647 nm, 514 nm ve sırasıyla ^30, 488 nm, olayı foton enerjileri ile, üç farklı uyarılmaları kaynaklarını kullanarak neptunyum dioksit Raman özellikleri (Npo ₂₎ araştırmak için kullanıldı. Npo ₂ T _2g bandının asimetrik profil problanmış edilmiştir. Buna ek olarak, bir ¹⁷ O-zenginleştirilmiş Npo ₂ örnek (% 30 zenginleştirme) Raman spektrumu ³⁰ titreşim ve elektronik katılım ayırmak için analiz edilmiştir. Numune yüzeyindeki sıcaklık Stokes gütmeyen _2'nin anti-stoke T _2g hattı yoğunluk oranı Bose-Einstein st kullanılarak ölçülerek tespit edilmiştiratistics (Şekil 6, üst ve orta). Sonuçlarımız açıkça ilk kez göstermektedir, ~ 431 cm 'de bir ikinci mod varlığı ^{1 -} (Şekiller 5b, 5d ve Şekil 6, alt) T _2g tepe (Şekil 5c)' de düşük dalga sayısı asimetri indükleyen hangi NPO ₂ kafes bir imzadır. Raman yoğunluğunun (Şekil 6, alt) izotopik kayması (Şekil 5d), lazer enerjisi bağımlılığı ve sıcaklık davranışı, biz bu mod, bir elektronik kökenli bir bant ortaya çıkar gösterdi. Bunun teorik bağlı devlet tarafından tahmin edilen çıplak ayrılmış kristal alan seviyesine karşılık gelen düşündürmektedir.

Çernobil lav Raman Analizi

t sırasındaÇernobil kazası, yüksek sıcaklık, yakıt arasındaki etkileşim, reaktör içine düştü, tahrip yakıt kaplama, ve silikat malzeme (beton, kum ve, serpantin) (en fazla 2.600 ° C) olarak adlandırılan bir lav tür oluşumu ile sonuçlanmıştır corium. Sıvı altderi boşaltma koridorlarda bitkinin bodrum uçtu. Bu lav ilk örnekleri çünkü yüksek aktivite ve corium güçlü mekanik özelliklerinin bir AK47 makineli tüfek yardımıyla 1987 yılında toplanmıştır. 1990 yılında, lav alterasyon ve dağılma uranil benzeri ikincil fazların oluşumu gözlenmiştir. Bu Çernobil lav örneklerinin bazıları birden fazla analiz için Khlopin Radyum Enstitüsü tarafından OAM-Karlsruhe sağlandı. Çeşitli Raman ölçümleri Çernobil altderi örneklerinin çeşitli kesme ve cilalı yüzeyler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Tüm bu ölçümler, element bileşiminin tespit etmek SEM-EDX bilgisi ile birleştirilmiş ve fazlar üzerinde mevcutyüzey. Şekil 7, Raman spektroskopisi kullanılarak analiz edilmiştir, farklı faz "noktalar" sahip olan temsili bir numunenin bir optik resmini göstermektedir.

Şekil 8, Raman spektrumları noktalar 1, 2'den elde edilen gösterir ve 3, Şekil 7'de. (U, Zr) SiO _4, USiO _x ve sırasıyla (U, Zr) _x,,: spektrumları ₂ bardak SiO karşılık gelmektedir. Bu fazlar, ya nükleer yakıt kaplama doğrudan karşılıklı etkileşiminden meydana gelen ve daha sonra eriyik içinde xenocrysts olarak taşınan veya taşıma ve soğutma sırasında silikat eriyikten kristalize edilmiştir edildi.

Şekil 1: Standart kapsülün şeması. Kapsül, esasen kapalı akrilik glas oluşmaktadır karşı tarafında bir kaynaşık silika bir tarafında pencere ve ile kapsülü gövdesi, pim saplama üzerinde Numune, yapışkan sekmesinin yardımıyla sabitlenir monte tutma pistonu. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Şekil 2, yüksek basınçlı kapsülün şeması. kapsül esas vidalı bir flanş yardımıyla erimiş silis pencere ile bir tarafı kapalı bir PEEK, kapsül gövdesinin oluşur. Diğer taraftan, piston flanş Numune, yapışkan bant yardımı ile tespit edilmiş olduğu numunesi tutucu, destekler. Bu kapsül tahliye veya gaz ile kapsülü doldurmak için, bir bilyeli supap ile donatılmıştır.et = "_ blank"> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: mikroskop kademesine yerleştirildi Kademe, kapsülün Resim. Kapsül, bir metal halka adaptör yardımı ile aşamasında sabitlenir. Bu örnekte, bir 647-nm (kırmızı) lazer ışını ₂ numune (bazı parçaları kapsül boyunca görülebilir düşük aktivitenin ölçülmesi (U, Np) O bir 50X uzun odak mesafeli amacı ile uyarım kaynağı olarak kullanılır pencere). Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Şekil 4: Standart c ölçülen amo ₂ Raman spektrumlarıapsule. Amo ₂ Raman spektrumları sırasıyla standart ve yüksek basınç, atmosfer basıncında _N2 altında kapsül ve O ₂ ile 15 bar olarak ölçülen. Raman spektrumu, AmO ₂ indirgenmiş bir imza ~ 380 ^cm-1, de yoğun modu gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Şekil 5: Farklı enerjilerde ölçüldü ve pik ters evrişim analizine tabi Npo ₂ Raman spektrumu. Farklı enerjilerde Np ¹⁶ _O2 a) Raman spektrumuna sahiptir. b) Np ¹⁶ _O2 T _2g bandı 2.41 eV ölçülen. Tepe uyum ve dekonvolüsyon bir a varlığını göstermektedir441 ^cm-1 de tepe size ilave. farklı enerjilere ölçülen Np ¹⁶ _O2 T _2g c) karşılaştırılması. O ₂ Np ¹⁶ T _2g d) karşılaştırması ve NP ¹⁷ _O2 2.41 eV ölçülen. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Şekil 6: Npo ₂ sıcaklık ölçümleri ve sonuçlarının özeti. En: Np ¹⁶ _O2 Stokes ve anti-stoke spektrumları farklı lazer ışınlama güç seviyelerinde ölçülen. Orta: Lazer irrad bir fonksiyonu olarak Stokes / anti-stoke T _2g tepe oranları Bose-Einstein istatistikleri uygulanarak belirlenir Örnek yüzey sıcaklığı iation gücü. Alt: 431 cm doruk şiddeti ^-1 hesaplanan sıcaklığın bir fonksiyonu olarak göstermektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Şekil 7: Raman ölçüm noktalarının konumları ile Çernobil lav örnek Resim. Numune yaklaşık olarak 10 mm bir lav parça üzerinde yer x 5 mm'lik bir 1 mm-kalınlıkta sürgünün oluşur. Camın karanlık kütlesinin Farklı kalıntılar görülebilir; Üçü örnekler olarak seçilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

es / ftp_upload / 54889 / 54889fig8.jpg"/>
Şekil 8: Şekil 7'de tanımlanan farklı fazların Raman spektrumuna sahiptir. Raman spektrumları Şekil 7'nin noktaları 1, 2 elde edilir ve 3 vardır. (U, Zr) SiO _4, USiO _x ve sırasıyla (U, Zr) _x,,: Bu gözlük silikat karşılık gelmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Tartışma

Bu deneysel yaklaşım kolayca tasarlanmış ve iyi bir torna makinesi ile donatılmış bir atölyede imal edilebilir özgün bir kapsül, dayanır. Bir ticari olarak temin edilebilen huni şeklinde bir torba ile uygun olmalıdır dış çapı, hariç olmak üzere, kapsülün diğer boyutları kesin olarak gerekli değildir. Bununla birlikte, yüksek basınçlı kapsül için, yüksek basınca maruz kalan yüzeyin kapsül eksenine dik, özellikle yüzey en aza düşürülmesi gerekmektedir. Burada, örneğin, en yüksek yüzey yaklaşık 127 mm²'lik (A = πr²) bir alan A'ya karşılık 5 mm çapı (r) penceresi vardır. Bu yüzeye maruz 20 bar bir basınç P penceresi (p = F * A) 254 N'luk bir kuvvet F geliştirir, Pa, F, N, veya metrekare A'da p. 6 vida dağıtılan Bu kuvvet, yaklaşık 42 N / vida ile sonuçlanır. kapsül ve piston tarafı tasarlanırken bu dikkate alınmalıdır. İkinci nokta hesabında alınmalıdır: sıkıpiston, hem de yüksek basınçta gaz hacminin lık. Piston sarılma torba içine yerleştirilir, gaz, muhtemelen tecrit sızdırmazlığını tehlikeye, bir sızıntı olması durumunda sınırlayıcı torba içinde genişler. tasarım çanta kapasitesine göre bir sızıntı durumunda genişleyen gazın hacmi ihmal edilebilir olduğundan emin olmalıdır. tasarımı da sıkılık uygun düzeyde güvence O-ring ile temas eden yüzeylerin de imal edilmesini sağlamalıdır. Bu yüzeylerin kalite kontrolü, hem de O-ring olarak, gerçekleştirilmelidir. Çok radyoaktif numuneler, zaman içinde kapsül malzemeleri zarar sonunda gerekebilir. Bu nedenle, kapsüller, uzun süreler için radyoaktif örnekleri saklamak için kullanılmamalıdır. Ayrıca bu sistem, bir nükleer malzeme hapsi sistemidir ve yerel güvenlik yetkililerinin onaylanması gerekebilir unutmayın.

Bu tekniğin avantajları kısmen veya comp ile karşılaştırıldığında çokturlete Raman spektrometresi sınırlandırıcı ^{2, 3, 4, 5, 6, 16, 17.} Özel bir hapsetme (eldiven kutusu ve sıcak hücreleri) gereklidir ve bu nedenle, herhangi bir ilave madde ömrü sonunda nükleer atık olarak tedavi edilmelidir oluşturulur. (Hapsi durumunda gerekli) Raman spektrometresi hiçbir özelleştirme yoktur. dalga boyu, kutuplaşma, ölçüm modu, veya ölçüm yapılır edildiği atmosferin kolayca ayarlanması açısından ölçüm olanakları üzerinde hiçbir sınırlama yoktur.

ORNL de kullanılan yöntem ile karşılaştırıldığında - ABD ^{12, 13, 14, 15,} mikroskopi, uygun optik koşullarda uygulanabilir (leringle yerine tüplerin optik pencere), gerekli numune miktarını, hem de lazer gücü gereksinimlerini azaltır.

sisteme Bazı sınırlamalar işaret edilmelidir. durum, kapsülün pencerenin varlığı için numune ve mikroskop objektif arasındaki mesafe geniş açıklık Raman spektrometresi duyarlılığını azaltabilecek bir uzun odak hedefi kullanımını getirir. örnek ve hedef arasındaki kaplanmamış erimiş silis penceresinin ekleme ayrıca, görüntüleme kalitesini düşürebilir. Ayrıca, mevcut kaplama sistemi, bağlı huni şeklinde torba kesin kapsül sabit olduğu gerçeği de yeniden kullanılabilir değildir. huni şekilli torbanın küçük yan da kapsüle transfer torbası tekniği uygulayarak olasılığını sağlayan entegre O-ring ile donatılmıştır, ancak bu çözülebilir. Bu, daha karmaşık kapsül kullanılması mümkün hale getirecektir. Örneğin, bir mekanizma gaz akışına izin vermek için; yemek yedimperature-ölçüm cihazı; ya da katı olarak, sıvıların analizi için, ya da kinetik etkileri, in situ ölçümü için bir mekanik basınç kontrollü aşamada mümkün olacaktır. dikkat bir nokta Amerikyum'un gibi yüksek radyoaktif örnekler Raman spektrumları nedeniyle zamanla Raman spektrumuna ekleyen bir ek floresans sinyalinin (daha az bir haftadan daha fazla zaman olarak) çok çabuk bir şekilde ölçülebilen gerektiğidir. Bu olgu, numune yüzeyi üzerinde yoğunlaşmasına uçucu organik moleküllerin üretimi için elde edilen, radyasyona maruz kalma, bir birkaç gün sonra çift taraflı yapışkan sekme bozunmasına bağlı olabilir.

bu sistem, özellikle de radyoaktif çekirdek malzemenin araştırılmasına şekilde uyarlanmıştır. Ayrıca, kullanıcı (tehlikeli örnekleri) ya da çevre ortamdan korunması gereken numunelerin korunması gereken malzeme başka türlü çalışma uygulanabilir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
(standart) akrilik cam kapsül gövde< / güçlü >	ev yapımı
(standart) UV erimiş silikat Pencere< / güçlü> 20 mm x 2 mm	Edmund Optics GmbH, Karlsruhe (Almanya)	45464
(standart) akrilik cam piston< / güçlü >	ev yapımı
(standart) floropolimer elastomer kayar O halkası< / güçlü> 10 x 2 mm
(standart) Epoxi reçinesi: < / güçlü> uhu schnellfest 2k epoxit kleber	UHU (almanya)	45725
(standart) Dış segman DIN 471 40 mm
(standart) altıgen soket başlı kapak çekme vidası< / güçlü> DIN 912 M4 x 30 mm
(standart) alüminyum SEM pin saplama montajı< / güçlü >	Plano GmbH, Wetzlar (Almanya)	G301
(Standart + Yüksek Basınç) 1.4301 paslanmaz çelik metal halka sürgü< / güçlü> engelleme vidası ile	Ev yapımı
(standart + yüksek basınç) Elektrikçi bandı< / güçlü>
(standart + yüksek basınç) floropolimer elastomer sıkma O halkası< / güçlü> 40 x 4 mm
(standart + yüksek basınç) çift taraflı yapıştırıcı sekmeleri< / güçlü>	Plano GmbH, Wetzlar (Almanya)	G3347
(standart + yüksek basınç) huni şeklinde çanta< / güçlü>; Sac PVC 300 & TA Diam 40/185 x 540 mm Tronc conique	Plastunion, Bondy (Fransa)	4.123
(Yüksek basınç) polieter eter keton yüksek basınçlı kapsül gövdesi	ev yapımı
(Yüksek basınçlı) Yüksek basınçlı kapsül penceresi: Ø 12,7 x 3 mm UVFS Geniş Bant Hassas Pencere, Kaplamasız	THORLABS GMBH, Dachau (Almanya)	WG40530
(Yüksek basınç) Yüksek basınçlı küresel vana: Kü kenhahn, Edelstahl, 6 mm Rohrverschraubung, Cv 1,6	Swagelok, Forst (Almanya)	SS-6P4T-MM
(Yüksek basınç) 1.4301 paslanmaz çelik numune tutucu< / güçlü >	ev yapımı
(Yüksek basınç) 1.4301 paslanmaz çelik yüksek basınçlı piston< / güçlü >	ev yapımı
(Yüksek basınç) 1.4301 paslanmaz çelik adaptör< / güçlü >	ev yapımı
(Yüksek basınç) 1.4301 paslanmaz çelik kapanış flanşı< / güçlü >	ev yapımı
(Yüksek basınç) 2 x floropolimer elastomer kapsül O halkası< / güçlü> 10 * 1 mm
(Yüksek basınç) floropolimer elastomer giriş O Halkası< / güçlü> 6 * 1 mm
(Yüksek basınç) 6 x DIN 7991 M4 * 25 mm alt lavabo vidası< / güçlü>
(Yüksek basınç) 6 x DIN 7991 M4 * 18 mm üst lavabo vidası< / güçlü>
(Yüksek basınç) Polioksimetilen düz halka< / güçlü> 13/10 * 1 mm	ev yapımı