论文标题：Optimization of the LIBS Technique in Air, He, and Ar at Atmospheric Pressure for Hydrogen Isotope Detection on Tungsten Coatings

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-4362/6/3/22

期刊名： Journal of Nuclear Engineering

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jne

在聚变反应堆中，钨（W）等离子体 facing 材料（PFCs）表面氢同位素（尤其是氚和氘）的滞留监测，直接关系到装置运行安全与燃料循环效率。然而，激光诱导击穿光谱（LIBS）技术在常压环境下对氢同位素发射线（Hα与Dα，波长仅差0.18 nm）的分辨能力有限，且信号噪声比（SNR）受背景气体影响显著。针对这一挑战，意大利国家新技术、能源与可持续经济发展署（ENEA）弗拉斯卡蒂研究中心的Salvatore Almaviva，Lidia Baiamonte和Marco Pistilli在Journal of Nuclear Engineering发表最新成果，系统比较了空气、He和Ar三种常压背景气体下LIBS检测钨涂层中氢同位素的性能，并提出了优化策略。

研究过程与结果

研究团队采用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）制备了5 μm厚的钨涂层样品（钼基底），其中共沉积氘（D）以模拟聚变燃料滞留。LIBS系统使用双脉冲Nd:YAG激光（1064 nm，单脉冲能量50 mJ），并通过高分辨光谱仪（分辨率约为0.013 nm，在656 nm波长处）采集Dα与Hα发射线。通过优化门延迟与门宽，对比了三种背景气体下的光谱表现。

关键发现如下：

• 光谱分辨率显著提升：在氦气（He）气氛下，最佳门延迟为2–4 µs时，Dα与Hα峰的分辨率Rs可达1.52，远高于空气环境；在氩气（Ar）气氛下，最佳门延迟为12–14 µs时，Rs可达1.31。空气环境中两峰始终严重重叠，无法分辨。

• 深度剖析能力强：基于Ar背景下的高SNR，团队实现了约500 nm/激光脉冲的平均烧蚀率，可精确分析燃料滞留的纵向分布。光学轮廓仪验证了该结果。

• 无标样定量分析：在Ar气氛中满足局部热力学平衡（LTE）与光学薄条件，应用校准自由（CF）方法获得H+D相对W的原子浓度约为0.5–3.5%，与定性趋势一致。

• T-D模拟预测：即使当前系统无法完全分辨模拟的Tα（656.045 nm）与Dα，通过高斯拟合仍可分离信号。

不同背景气体与门延迟条件下，W-D样品在巴尔末阿尔法（Balmer alpha）区域的LIBS光谱

研究总结

该研究明确指出：

• He气氛最适合高分辨率分离Hα与Dα（Rs最高达1.52），适用于需要精准区分两种同位素的场景；

• Ar气氛兼具较高分辨率（Rs≈1.3）与最优SNR，且不会干扰聚变产物He的检测，同时允许使用更低脉冲能量以提高深度剖析精度，是综合性能最优的背景气体选择。

研究团队下一步计划将优化后的LIBS技术集成至托卡马克装置（如ITER、DTT）的远程操控机械臂中，实现高真空环境下的原位、实时燃料滞留监测。此外，将探索双脉冲与时间分辨门控进一步压低环境氢背景，以期达到对氚的直接分辨能力。这项工作为聚变堆PFCs的在线诊断提供了关键的实验依据与技术路线。

期刊介绍

主编：Dan Gabriel Cacuci, University of South Carolina, USA

期刊创刊于2020年, 最新Impact Factor 1.2，CiteScore 2.6，是一个国际开放获取期刊，发表同行评审的论文。期刊涵盖了与核和辐射过程的科学和应用相关的原创研究、想法和进展。发文类型包括original research papers, reviews, communications, brief reports, opinions, technical notes, editorials等。

截至目前，Journal of Nuclear Engineering期刊已被Scopus, ESCI (Web of Science), EBSCO等数据库收录。