1、·綜 述· 核科技信息 2006年第3期NUCLEAR SCIENTIFIC & TECHNICAL INFORMATION. No.3, 2006LIBS在線分析技術(shù)的最新進(jìn)展及應(yīng)用51LIBS在線分析技術(shù)的最新進(jìn)展及應(yīng)用金立云，吳繼宗，劉峻嶺（中國原子能科學(xué)研究院 放化所，北京 102413） 摘要：文章在簡要介紹LIBS（Laser Induced Breakdown spectroscopy）分析基本原理及特點的基礎(chǔ)上，重點介紹該技術(shù)的最新進(jìn)展和應(yīng)用，由于它無需制樣，可在惡劣條件下實現(xiàn)遠(yuǎn)距離在線分析等突出優(yōu)點，已在冶金、核工藝和宇宙資源開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

2、作者建議，在中國原子能科學(xué)研究院化學(xué)分析測試中心，應(yīng)盡快創(chuàng)造條件，開展此項高新分析技術(shù)研究，以適應(yīng)我國加速發(fā)展核能和開發(fā)月球資源的迫切需要。 關(guān)鍵詞：LIBS在線分析；乏燃料后處理；高放廢液；玻璃固化；月球資源開發(fā)71 前言 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源和環(huán)境已日益成為制約因素。為貫徹科學(xué)發(fā)展觀，從“十五”后期開始，我國的核電戰(zhàn)略由“適度發(fā)展”調(diào)整為“加快發(fā)展”，據(jù)此提出的核電發(fā)展最新目標(biāo)是：2020年達(dá)到4000萬kW核電裝機總?cè)萘浚既珖娏ρb機總?cè)萘康谋壤龔默F(xiàn)在的1.6增加至4。目前我國僅有850萬kW核電機組投入運行。這就意味著，今后15年，我國要新建30多座百萬kW級核電站。眾所周知

3、，我國根據(jù)自己的國情，對乏燃料采取后處理方針，據(jù)估算到2020年，我國當(dāng)年將缷出1000t乏燃料元件（平均燃耗45000 MWd/t）進(jìn)行后處理, 隨之將產(chǎn)生6000 m3高放廢液(HLLW，放射性活度1.25×1016 Bq/L)需要進(jìn)行玻璃固化處理。目前我國正在籌建高放廢液玻璃固化工廠，用以處理上世紀(jì)六、七十年代遺留下來的大量生產(chǎn)堆乏燃料高放廢液。據(jù)德國卡爾斯魯厄核中心的運行經(jīng)驗，高放廢液玻璃固化控制分析，必須達(dá)到下列要求： 無損在線分析； 幾十種元素同時分析(濃度10-6）； 在輻射屏蔽箱內(nèi)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制分析。迄今可以滿足上述要求的只有新發(fā)展起來的LIBS。LIBS作原子發(fā)射光

4、譜分析始于1962年。它是用激光束激發(fā)樣品表面產(chǎn)生等離子體，被激發(fā)原子在退激過程中發(fā)射原子特征譜線，通過用光譜儀測量特征譜線的波長和強度進(jìn)行定性和定量分析。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)于上世紀(jì)70年代起致力于LIBS分析技術(shù)研究,在開展機理研究的同時，于1987年將其應(yīng)用于乏燃料后處理工藝中鈾濃度分析，隨后又重點應(yīng)用于宇宙資源開發(fā)現(xiàn)場分析。德國卡爾斯魯厄核中心從上世紀(jì)90年代初開始，致力于將LIBS應(yīng)用于高放廢液玻璃固化工藝控制分析，取得了很大成功，已進(jìn)行了模擬高放廢液玻璃固化體中27種元素的實時定量分析。在繼續(xù)進(jìn)行深入開發(fā)的同時，還準(zhǔn)備將其推廣應(yīng)用于中國821廠和美國漢福德高放廢液

5、玻璃固化工藝。近10年來，隨著高功率脈沖激光光源、寬帶Echelle型分光系統(tǒng)、增強型電荷耦合探測器(ICCD)、高時間分辨測量技術(shù)、LIES/LIMS聯(lián)用技術(shù)，以及各種譜數(shù)據(jù)處理軟件的迅速發(fā)展，LIBS分析機理研究不斷深入，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。由于LIBS很少或無需制樣，具有可在惡劣條件下實現(xiàn)遠(yuǎn)距離在線分析的突出優(yōu)點，它在高溫冶金工業(yè)、高放射性活度的核工業(yè)，以及月球資源開發(fā)現(xiàn)場分析中，正在發(fā)揮日益重要的作用。迄今國際上已于2000年，2002年和2004年召開了 3 次國際會議, 進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，有近30個國家派代表參加，會后分別出版了論文集。在各種分析化學(xué)雜志上，述評文章也不少。我國L

6、IBS研究尚處在起步階段。下面僅就LIBS分析技術(shù)的最新進(jìn)展，以及在核能、宇宙資源開發(fā)中的應(yīng)用作一簡介。并建議在中國原子能科學(xué)研究院分析化學(xué)測試中心，盡快創(chuàng)造條件，開展此項高新分析技術(shù)研究，以適應(yīng)我國加速發(fā)展核能和開發(fā)月球3He新能源的迫切需要。2 LIBS分析技術(shù)簡介2.1 LIBS（LIMS）基本原理LIBS基本原理如圖1所示。將激光器產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦于樣品表面，樣品中的原子被激發(fā)，形成高溫等離子體火花，被激發(fā)的原子和離子在退激過程中發(fā)射原子和離子的特征譜線，用光譜儀測量原子特征譜線的波長(紫外近紅外）和強度，對元素進(jìn)行定性和定量分析，稱為激光誘導(dǎo)等離子體光譜（LIBS）；用質(zhì)譜

7、儀測量離子特征譜線的質(zhì)量數(shù)和強度，進(jìn)行元素濃度和豐度分析，稱為激光誘導(dǎo)等離子質(zhì)譜分析（LIMS）。2.2 先進(jìn)LIBS分析儀器基本組成先進(jìn)LIBS分析儀器由下列部件組成： Q開關(guān)納秒脈沖Nd:YAG激光光源； 寬帶Echelle型單色器（UVNIR）； 增強型電荷耦合裝置（ICCD）； 透鏡-光纖傳輸系統(tǒng)； 高時間分辨測量電路-微機等。圖1 LIBS（LIMS）分析原理示意圖2.3 LIBS分析技術(shù)基本特點 原則上無需樣品制備就可實現(xiàn)在線或現(xiàn)場分析； 多元素同時測定，周期表上幾乎所有元素都可分析，從H、He等輕元素至超鈾元素； 可遠(yuǎn)距離（數(shù)米至數(shù)十米）分析，包括人員無法進(jìn)入但光子可以進(jìn)入的場合

8、； 可進(jìn)行深度分布分析，常用于除去表面污染后的真實或原始樣品分析； 與其他方法一般只能分析均勻樣品不同,LIBS通過不同部位分析結(jié)果取平均，還可以分析不均勻樣品，例如高放廢液玻璃固化體中的Ru，Rh，Pd；(6) 分析速度快，原則上1個激光脈沖就是一張全譜，一般數(shù)秒至數(shù)分鐘就可完成1次測定；(7) 分析濃度范圍寬（10-6含量）。當(dāng)然，與任何分析方法一樣，LIBS也有它的局限性，與常規(guī)AAS，AFS，ICP-AES，ICP-MS，XRF法相比，LIBS背景較高，因此限制了測定靈敏度的提高，探測下限為10-610-5。再者，LIBS基體影響比較嚴(yán)重，所以LIBS必須利用高時間分辨測量技術(shù)，用以降

9、低背景，提高信噪比，盡可能避免基體干擾，改進(jìn)探測靈敏度。3 近10年來LIBS分析技術(shù)主要進(jìn)展如前所述，早在1962年，激光出現(xiàn)后不久，就出現(xiàn)了LIBS，但它并沒有像LAAS，LAFS等單元素分析技術(shù)那樣得到迅速發(fā)展。只是到了上世紀(jì)90年代以來，由于高功率脈沖固體激光器、高分辨Echelle型階梯光柵、CCD探測器，以及高時間分辨測量電路和微機等高新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，才促進(jìn)了LIBS分析技術(shù)得以取得突破性進(jìn)展，并在科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。3.1 高功率脈沖固體激光器近10年來，激光光源在下列方面有很大發(fā)展： 從大體積的氣體激光器、液體染料激光器向小巧輕便的固體激光器發(fā)展，目前LI

10、BS普遍使用Nd:YAG晶體固體激光器，重量僅為原來氣體或液體染料激光器的幾十分之一，功率密度卻有幾個數(shù)量級的提高； 從連續(xù)波激光光源向Q開關(guān)脈沖激光光源發(fā)展，從長脈沖激光光源（s級）向短脈沖和超短脈沖（nsfs級）發(fā)展，使其更有利于實現(xiàn)高時間分辨測量； 從低功率向高功率激光光源發(fā)展，目前樣品聚焦區(qū)的功率密度達(dá)10912W/cm2，大大提高了激發(fā)能力，可以激發(fā)周期表中所有元素的原子進(jìn)入激發(fā)態(tài)和離子態(tài)。在其退激過程中用光譜儀測定元素含量，又可用質(zhì)譜儀測同位素豐度，這對核科學(xué)技術(shù)研究和核工業(yè)生產(chǎn)具有特別重要的意義。3.2 新型寬帶高分辨多道光譜儀 波長從紫外到近紅外（1801100nm），過去至少

11、要3臺光譜儀，即紫外光譜儀、可見光譜儀和紅外光譜儀進(jìn)行全譜測量。而且?guī)捄头直媛手g存在很大矛盾，照顧帶寬就得犧牲分辨率，反之，照顧分辨率就得犧牲帶寬。近10年來研制成功新型高分辨多道光譜儀很好地解決了這些矛盾，使高放廢液玻璃固化體這種組成極其復(fù)雜（共有50多種元素和核素共存）、濃度范圍變化很大（10-550）的樣品可以實現(xiàn)幾十種元素的同時測定。這種新型寬帶高分辨多道光譜儀，主要由兩大部件有機組成。3.2.1 Echelle型階梯光柵 Echelle型階梯光柵是在光柵前安裝一塊石英棱鏡進(jìn)行交叉色散，從而在聚焦面上產(chǎn)生二維光譜圖像，整個單色器沒有可動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，其分辨率（/）高達(dá)40000；

12、而常規(guī)單色器（Czerny-Turner）的分辨率僅800（于200nm處）和3180（于780nm處），前者分辨率分別比后者高50和12倍。目前國際上普遍使用德國生產(chǎn)的Echelle階梯光柵。3.2.2 ICCD探測器 電荷耦合裝置（Charge Coupled Device簡稱CCD）是一種新型半導(dǎo)體探測器，它將入射的光子轉(zhuǎn)換成電子-空穴對，由于所形成的電子-空穴對數(shù)量與入射光子能量成正比，通過測量所積聚的電荷量就可以確定入射光子能量。加之，CCD可以提供入射光子的位置信息，所以可以方便地進(jìn)行二維及三維測量。近10年來，通過不斷改進(jìn)半導(dǎo)體材料、制作工藝及幾何結(jié)構(gòu)，CCD探測器性能有了大幅度

13、提高，出現(xiàn)了多種增強（Intensified）電荷耦合裝置，簡稱ICCD。目前國際上普遍采用美國普林斯頓和日本柯達(dá)公司生產(chǎn)的ICCD產(chǎn)品。圖23為這兩種光譜儀的LIBS光譜對比。3.3 高時間分辨測量技術(shù) 脈沖激光束激發(fā)樣品產(chǎn)生高溫等離子體，被激發(fā)的原子和離子在退激過程中發(fā)射原子和離子譜線，整個過程相當(dāng)復(fù)雜，它既與激發(fā)參數(shù)（例如激光波長、能量、頻率、脈沖長短和數(shù)量等）有關(guān)，也與被激發(fā)樣品的元素組成、物理化學(xué)性質(zhì)，以及環(huán)境氣體有關(guān)。同時，電子與離子復(fù)合重組、韌致輻射產(chǎn)生連續(xù)本底等，使整個光譜瞬息萬變，這一切給LIBS光譜測量帶來很大技術(shù)難度，所以盡管早在1962年就發(fā)現(xiàn)了LIBS，但該項技術(shù)在此

14、后很長時間并未引起人們重視。后來逐步發(fā)展了時間分辨測量技術(shù)，特別是近10年來，各種門電路及高時間分辨測量度技術(shù)(nsfs）日臻完善，極大地促進(jìn)了LIBS動力圖2 所選波段（298303 nm）Zerny-Turner光譜儀(a)與Echelle光譜儀(b)對比圖3 模擬高放廢液玻璃固化體LIBS光譜學(xué)、熱力學(xué)等機理研究，同時帶動了日益廣泛的應(yīng)用研究。3.4 LIBS/LIMS聯(lián)用技術(shù)為遠(yuǎn)距離 (數(shù)十米)同時測定月球、火星等星體的元素和同位素組成，美國LANL和歐空局（ESA）都大力開展LIBS/LIMS聯(lián)用技術(shù)研究，這項研究開始面臨幾大技術(shù)難題： 激光激發(fā)產(chǎn)生的初始離子能量分散，很難達(dá)到高分辨

15、率要求； 產(chǎn)生一定量多電荷離子會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，例如56Fe+對28Si+； 同質(zhì)異位素干擾，例如質(zhì)量數(shù)為18的H2O對18O/16O豐度比測定的干擾。D.J.McComas等人提出的質(zhì)譜儀設(shè)計方案巧妙地解決了這些難題，為此申請了專利。其基本設(shè)計思想是將分子從原子組分中分離，然后測定單電荷離子。儀器中線性電場扇形體及時間飛行測量，產(chǎn)生高分辨質(zhì)譜，離子起始能量沒有影響。預(yù)先研究表明，在25m距離之內(nèi)，可實現(xiàn)主元素和某些痕量元素的現(xiàn)場分析，探測下限為10-510-4。該儀器質(zhì)譜計重5kg、功率5 W，飛行積分光探測系統(tǒng)1 kg，Nd:YAG激光器1 kg、功率1 W。歐空局研制成微型LIMS儀樣機總

16、重280 g、體積84 cm3、功率3 W、分辨率（m/m）超過180、動力學(xué)范圍超過5個數(shù)量級。3.5 譜數(shù)據(jù)獲取和處理軟件由于LIBS單位時間獲取的信息量非常大，每幾個納秒1次發(fā)射（one shot）就可以獲取1張從低原子序數(shù)至高原子序數(shù)元素的全譜，且要作隨機處理，對所分析樣品中的元素及豐度作定性定量分析，隨著LIBS分析技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一系列優(yōu)秀的譜數(shù)據(jù)獲取和處理軟件。澳大利亞D.Body等人以石膏和煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對褐煤成分的LIBS譜數(shù)據(jù)處理作了系統(tǒng)研究，每次分析固定發(fā)射250個激光脈沖，然后對獲取的譜數(shù)據(jù)按 常規(guī)峰面積分析； 舍去離群數(shù)據(jù)點（±10）； 峰面積對總等離子體發(fā)射

17、強度歸一化； 解重峰處理。方法準(zhǔn)確度為±10，將分析結(jié)果與ICP-AES分析進(jìn)行對比，結(jié)果很好符合，但前者無需溶樣處理，分析時間僅30秒鐘。4 LIBS在線分析技術(shù)在核能及宇宙資源開發(fā)中的應(yīng)用 由于LIBS分析所固有的無需制樣，可在惡劣條件下實現(xiàn)在線或現(xiàn)場分析、可多元素同時分析、所有元素包括C、H、O、N和超鈾元素都可以分析、分析速度快等優(yōu)點，特別是隨著高功率脈沖激光器、高分辨寬帶光譜儀，及高時間分辨測量技術(shù)的迅速發(fā)展，LIBS分析已在科學(xué)研究、礦產(chǎn)開采、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、核能利用、宇宙資源開發(fā)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。下面根據(jù)核工業(yè)的特點，著重介紹LIBS（LIMS）在核能利用和

18、宇宙資源開發(fā)中的應(yīng)用及前景。4.1 在鈾礦選冶中的應(yīng)用美國能源部下屬先進(jìn)能源技術(shù)公司（AETI）與國家礦物協(xié)會（NMA）合作，研制成TRACERTM礦物成分現(xiàn)場分析儀，可在采礦現(xiàn)場作實時分析，給出感興趣元素（例如P、U、Th等）含量及礦物等級（例如“低級”、“高級”或者“優(yōu)級”）。按設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)對礦物自動進(jìn)行取舍，這樣可以大大節(jié)省礦物處理的工作量和能源消耗。該儀器已商品化，是一項專利產(chǎn)品。對礦物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測定結(jié)果及其與ICP-AES法測定結(jié)果進(jìn)行比較，其準(zhǔn)確度優(yōu)于8 ,比較結(jié)果滿意。TRACERTM儀采用壓片法（13mm×(13)mm）制樣，可在采礦現(xiàn)場完成分析，每個樣品所需分析時間小于

19、5分鐘，大多數(shù)元素的精密度（RSD）為24，而ICP-AES法需用化學(xué)法溶樣，只能在實驗室進(jìn)行分析，每個樣品所需分析時間要長得多。4.2 在高放廢液玻璃固化體在線分析中的應(yīng)用 高放廢液玻璃固化體組成極其復(fù)雜（16高放廢液干渣84玻璃配方工藝管道腐蝕產(chǎn)物，共50多種元素和核素），放射性活度極高(2×1013Bq/kg玻璃產(chǎn)品），加之高屏蔽熔爐中玻璃產(chǎn)品的溫度高達(dá)1200，所以要實現(xiàn)多元素同時在線分析具有很大的技術(shù)難度，德國卡爾斯魯厄核中心于上世紀(jì)90年代初開始研究將LIBS應(yīng)用于高放廢液玻璃固化體在線分析，通過不懈努力，現(xiàn)已成功地攻克了這一世界性技術(shù)難題。具體表現(xiàn)在下列幾個方面：(1)

20、 建立了一套現(xiàn)代先進(jìn) LIBS 實驗裝置（圖4）。它由高功率脈沖激光光源、寬帶Echelle單色器、增強型CCD探測器、透鏡-光纖傳輸系統(tǒng)，以及高時間分辨測量電路-微機等部件組成；圖4 現(xiàn)代先進(jìn)LIBS實驗裝置組成示意圖 (2) 結(jié)合高放廢液玻璃固化體基體組成，進(jìn)行了深入細(xì)致的條件試驗，確定了最佳實驗參數(shù)，包括激光器激發(fā)參數(shù)和光譜儀測量參數(shù)； (3) 配制了一套共17個玻璃標(biāo)準(zhǔn)，含有27種已知濃度的元素，并建立相應(yīng)的校正曲線，LIBS強度對濃度在較寬范圍內(nèi)呈線性關(guān)系； (4) 對玻璃基礎(chǔ)配方，建立了XRF和ICP-AES法, 與LIBS進(jìn)行比較，結(jié)果滿意。對模擬高放廢液玻璃固化體建立了XRF法

21、，用以進(jìn)行比對；(5) 用所建立的LIBS在線分析方法，對5個高放廢液模擬固化體樣品進(jìn)行了試分析，取得了一系列重要結(jié)果。正如所預(yù)期的那樣，硼矽基礎(chǔ)玻璃成分（Mg、Al、Si、Ti）均勻地分布于樣品中，LIBS測得的均勻度為95.91.7。工藝腐蝕產(chǎn)物（Cr、Fe、Ni）元素的分布，不如硼矽基礎(chǔ)玻璃成分那樣均勻，其均勻度為85.56.5。高放廢液玻璃固化體中的裂變產(chǎn)物(Sr、Ba、La、Nd)分布比較均勻，均勻度為94.01.0，這表明它們在玻璃中有很好的溶解親和力。但是，另外一些裂變產(chǎn)物（Zr、Mo、Ru、Pd）則不然，樣品與樣品之間濃度差別很大，這是由于它們在玻璃中的溶解親和力較差，針形Ru

22、O2微粒與球形的PdRhxTey微粒結(jié)塊，由于密度比玻璃基體大2倍，從而形成富貴金屬區(qū)沉入熔爐底部，嚴(yán)重的溫度梯度將造成電路斷路，使玻璃排泄通道阻塞。為避免這種現(xiàn)象出現(xiàn)，需要在線控制分析方法，用以控制玻璃體排放，LIBS滿足了這種要求。LIBS和XRF法測得各批高放廢液玻璃固化體中RuO2/Pd6比分別為1.46±0.36和1.54±0.07。此外由于模擬高放廢液中Zr和Mo以懸浮膠體存在，它們在玻璃固化體中的分布也不均勻，用LIBS和XRF法測得各批高放廢液玻璃固化體中ZrO2/MoO3比分別為0.70±0.09和0.69±0.12；這些數(shù)據(jù)表明，Zr

23、和Mo一起以懸浮膠體存在。預(yù)期Pu（IV）會有同樣的化學(xué)行為，因此在玻璃固化體中將不均勻分布。與此相反，3價錒系元素（例如Am（）、La（）和Nd（）一樣在玻璃固化體中將均勻分布。總之，LIBS在線分析足可以滿足高放廢液玻璃固化體工藝和質(zhì)量控制分析的要求。4.3 乏燃料后處理工藝中鈾的控制分析由于LIBS無需或很少制樣，分析速度快，特別是可在強放射性環(huán)境下實現(xiàn)在線分析，美國LANL早在1987年就對后處理工藝溶液中鈾的在線分析開展了預(yù)研，建立了如圖5所示的實驗裝置。所得主要實驗結(jié)果如下：在4mol/L HNO3中，1.脈沖激光器(Pulsed Laser); 2.反射鏡(Mirror); 3.

24、透鏡 (Lens);4.溶液小瓶(Solution Vial); 5.透鏡(Lens); 6.光譜儀(Spectrograph)圖5 LIBS分析鈾溶液實驗裝置示意圖 鈾的探測下限（MDL）為0.1gu/L，校正曲線濃度范圍為0.1300gu/L，當(dāng)激光脈沖為1600次時，對4.2gu/L的精密度（RSD）為12。 實驗結(jié)果表明，當(dāng)溶液表面對整個溶液具有代表性，以及溶液表面位置相對穩(wěn)定時，通過表面激發(fā)，用LIBS測定工藝溶液中的鈾濃度是可行的，方法的測定范圍及精密度完全滿足工藝控制分析要求。但是，在將本方法成功地應(yīng)用于乏燃料后處理工藝控制分析以前，還需要進(jìn)行共存元素的可能干擾、工藝環(huán)境對分析性

25、能的影響，以及現(xiàn)場分析的校正方法等實驗。由于美國后來對乏燃料元件采取“一次通過”方針，未見在這方面繼續(xù)開展研究。4.4 核動力堆材料遠(yuǎn)距離分析英國先進(jìn)氣冷堆（AGR）內(nèi)有大量雙叉式蒸汽發(fā)生器管（512×42048個），管子內(nèi)部充CO2氣體作冷卻劑，管子外管是二回路水，用以產(chǎn)生高溫水蒸氣去推動氣輪機發(fā)電，雙叉式蒸汽發(fā)生器管的材料是奧氏體不銹鋼（316HSS）。由于水中含有痕量氯離子等，對316HSS有一定的腐蝕作用，所以反應(yīng)堆運行一定時間后，每年都要停堆檢修，其中一項重要檢修內(nèi)容，就是檢查所有雙叉式蒸汽發(fā)生器管壁腐蝕情況。歷史上采用取其腐蝕產(chǎn)物去實驗室進(jìn)行XRF分析，從腐蝕產(chǎn)物中的Cu

26、含量判斷所取樣的雙叉式蒸汽發(fā)生器管是否已失效或行將失效，這既費時又費事。這些雙叉式蒸汽發(fā)生器管的位置處在堆芯周圍的壓力容器內(nèi)，停堆時壓力容器的溫度約60，放射性劑量為2mSv/h，里面還有各種工藝管道，大一點的檢測設(shè)備無法進(jìn)去。上世紀(jì)90年代以來，英國開始研制長光纖（75 m）LIBS現(xiàn)場檢 測系統(tǒng)，用以在堆內(nèi)現(xiàn)場檢測雙叉式蒸汽發(fā)生器表面腐蝕產(chǎn)物（簇合物）中Cu含量（0.04 Cu 0.6)。1999年夏季，英國采用新建立的LIBS遠(yuǎn)距離分析技術(shù)，對Hunter“B”和HinklegPoint“B”先進(jìn)氣冷堆進(jìn)行實地檢修，并對其中已失效的雙叉式蒸汽發(fā)生器管, 與XRF在實驗室檢測作了對比，結(jié)果

27、互相符合，證明LIBS現(xiàn)場分析技術(shù)是完全可靠的。圖6為LIBS現(xiàn)場分析系統(tǒng)。圖6 LIBS現(xiàn)場分析系統(tǒng)4.5 在火星現(xiàn)場勘探中的應(yīng)用（ChemCam） 美國計劃于2009年用火星車登陸火星對其進(jìn)行現(xiàn)場勘探，尋找生命現(xiàn)象。在名為火星科學(xué)實驗室（Mars Science Laboratory簡稱MSL）中裝備了8套儀器，其中有1套關(guān)健設(shè)備稱為ChemCam，就是LIBS遠(yuǎn)距離分析儀。該儀器的脈沖激光器向數(shù)米至數(shù)十米的目標(biāo)發(fā)射激光束，目標(biāo)微區(qū)被激發(fā)產(chǎn)生等離子體火花，然后用光譜儀記錄被激發(fā)原子退激產(chǎn)生的特征光譜線，對火星析。此外，在ChemCam中還安裝了1臺望遠(yuǎn)鏡，可同時對產(chǎn)生等離子的微區(qū)進(jìn)行高分辨

28、成像，其分辨率為以前使用的Mar,s Pancan的510倍。ChemCam的另一個突出優(yōu)點是可以用脈沖激光束清除樣品表面的灰塵或風(fēng)化層，然后對底層真實或原始樣品進(jìn)行LIBS分析，這是目前其他任何的方法無法做到的。圖7為MSL漫游者（Rover）使用ChemCam分析火星巖石成分及高分辨微區(qū)成像。巖石或土壤,特別是含水礦物進(jìn)行元素組成分圖7 LIBS（ChemCam）分析火星巖石成分及微區(qū)成像4.6 在月球資源3He等揮發(fā)性成分開發(fā)中的應(yīng)用美國Wisconsin大學(xué)核聚變技術(shù)研究所，根據(jù)阿波羅月樣的反復(fù)分析測試，以及上世紀(jì)90年代發(fā)射的多顆月球衛(wèi)星資料，確證月球上含有數(shù)百萬噸3He。如果加以利

29、用，可供地球上人類使用上萬年。特別是3He聚變能具有清潔、安全、高效的優(yōu)點。所以月球上3He資源的開發(fā)是解決地球上能源和環(huán)境危機的惟一出路。為開發(fā)利用3He資源,必須在月球上進(jìn)行現(xiàn)場分析，找出具體在那個地區(qū)富含3He，以便首先進(jìn)行開發(fā)。為此，美國宇航局早在1993年就著手設(shè)計月球登陸艙(Rover)。該登陸艙的主要功能就是對月球中太陽風(fēng)成分（H+ 90，He 45，3He / 4He比約為480×10-6，少量其他輕離子）作現(xiàn)場分析，登陸艙中的核心儀器是1臺微型激光質(zhì)譜儀，它可以同時測定揮發(fā)性氣體成分（H2，He，N2，CO2，CO，SO2）和月壤成分（0 60，Si1617，Al 4.510，Ca和Mg各為5，F(xiàn)e 2.56，Ti和Na各為 1）。由于3He主要存在鈦鐵礦（FeTiO3）中，所以除直接測He外，也可以通過測定Ti含量間接尋找富He區(qū)，登陸艙基本設(shè)計如圖8所示。登陸艙