우리는 악기의 방사능 오염없이, 표준 마이크로 라만 분광기와 호환 높은 방사성 샘플의 라만 분광 분석을위한 기법을 제시한다. 우리는 또한 악티늄 화합물 및 조사 된 연료 재료를 사용하여 일부 응용 프로그램을 보여줍니다.
핵 물질의 라만 측정에 대한 새로운 접근 방식은이 논문에서보고됩니다. 이것은 대기로부터 물질을 분리 꽉 캡슐 방사성 샘플 인클로저로 구성된다. 캡슐은 선택적으로 20 바까지 가압 선택된 가스로 채워질 수있다. 마이크로 라만 측정은 광학 등급 석영 윈도우를 통하여 수행된다. 이 기술은 분광계는 알파 꽉 봉쇄로 묶어야 할 필요없이 정확한 라만 측정을 가능하게한다. 따라서 다 파장 레이저 여기, 서로 다른 편광 및 단일 또는 트리플 분석기 모드와 같은 라만 분광기의 모든 옵션의 사용을 할 수 있습니다. 측정의 예를 표시하고 설명합니다. 첫째, 고도의 방사성 아메리슘 산화물 샘플 AMO (2)의 일부의 스펙트럼 특성이 제시된다. 그런 다음, 우리는 크게 개선되고 해석되는의 라만 넵투늄 산화물의 스펙트럼 (NPO 2) 샘플을보고반 스톡스 라만 라인을 측정하는 세 개의 다른 여기 파장 17 O 도핑 및 삼중 모드 구성을 사용함으로써. 이 마지막 기능은 시료 표면 온도의 추정을 할 수 있습니다. 마지막 단계는 라만 맵핑에 의해 식별된다 체르노빌 용암의 샘플에서 측정 된 데이터를 나타낸다.
라만 분광법 널리 의약품, 화장품, 지질학, 광물학, 나노 기술, 환경 과학, 고고학, 법의학, 예술 식별 한 같은 분야의 비파괴 분석 방법으로 사용됩니다. 이것은 결정 또는 분자, 회전 진동 및 다른 저주파수 모드 분석을 위해 사용된다. 이 기법은 결정 구조, 조성, 결정 상태, 온도 상태, 전자, 스트레스, 압력 (특히 나노 구조화 된 결정자의 경우) 입경, 개재물 결함에 민감하다. 단일 분자 (또는 가스 절연 매트릭스 분자)를 들면, 라만 화학 조성, 로컬 조정 및 전자 구조에 민감하다. 이 전자 공진이나 표면 증강 분광 기술로서 사용될 수 있다는 사실은 매우 낮은 농도에서 화합물의 검출 및 측정이 매우 민감하게.
용이성과 함께사용 제한 샘플 준비 및 원격 측정 가능성, 라만 분광법은 원자력 분야에 특히 관심이다. 이것은 소비 핵연료의 방사선 손상의 적용 시험 (불량)을 위해 최근에 사용 된 2, 3, 4, 5,뿐만 아니라 액티 나이드 화합물 시스템 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12에 기초 연구, 13, 14, 15. 핵 물질의 라만 측정을위한 주요 과제는 방사선 노출과 통합의 고유 한 위험입니다. 차폐에 의해 방사선을 위해, 그리고에 대한 : 그 위험을 관리 할 수 있습니다감금에 의해 설립. 전형적으로, 아크릴 글라스 글로브 박스와 같은 한정 시스템은 한정 쉴드 알파 방출하기에 충분하다. 베타 및 감마는 납 또는 납 도핑 된 유리 같은 추가 고밀도 차폐 재료를 필요로 할 수있다. 중성자 방출 쉽게 중성자 포착 할 수 있으며, 물 또는 파라핀 수소 풍부 같은 재료로 이루어지는 차폐해야한다. 지금까지, 핵 물질의 대부분의 라만 분광 측정은 유리 섬유 2, 3, 4, 5, 6, 16, 17과 연결하여 원격 헤드의 도움으로, 예를 들어 원격 구성에서 차폐 셀에서 수행되었다. 이 기술은 사용 후 핵연료이 직접 분석에도 적합하다. 불행하게도,이 방법은 약간의 메신저가portant 한계 : 셀 내의 모든 원격 라만 분광기 부품 방사성 물질과 직접 접촉하는 제 존재가 빠르게 그 (18)를 손상 및 방사성 폐기물로 변환. 또한 제한은 원격 기술에 내재 있습니다. 예를 들면, 광섬유를 사용하는 등 상이한 여기 파장 confocality 편광을 이용하는 가능성을 제한
(- 미국 ORNL) 12, 13, 14, 15 또 다른 실험 방법은 오크 리지 국립 연구소에서 1990 년대에 개발되었다. 방사성 샘플 이중 석영 모세관에 밀봉하고, 그 자체는 붕규산 유리 튜브로 이루어진 제 한정 배치. 이 액티 나이드 함유 종의 첫번째 라만 측정을 허용했다. 그러나, 측정은 몇 평신도를 통해 수행되어야했다곡선 석영, 붕규산 유리의 ERS, 너무 낮은 신호를 얻었다. 이러한 방식으로, 예를 들면, 아모 2 (12)의 품질의 스펙트럼을 얻을 수 없었다. 또한, 등 알 착수. 도 12는 로컬 가열하여 샘플에 영향을 미칠 수있는 비교적 높은 레이저 파워 (수백 Mw)이 사용했다.
이 액티 나이드 화합물 사운드 참조 라만 스펙트럼을 얻기 위해 모든 라만 분광 특성 (여기 파장 분광계 모드, 편파 등)를 이용하는 것이 가능해야한다. 이러한 관점에서, 우리는 방사성 샘플의 지역 캡슐화하는 새로운 기술을 개발했다. 그것은 핵 물질의 측정을위한 표준 비 오염 또는 사용자 정의 마이크로 라만 분광기의 사용을 허용한다. 이 샘플의 매우 작은 양을 필요로한다는 점에서 라만 분석 (마이크로 라만 분광법, 또는 μRS)에 대한 현미경의 사용은 중요한 이점을 제공한다관찰하고 적절하게 측정 할 수 있습니다. 기본적으로, 마이크로 미터 수십 정도에 이르기까지의 샘플 크기는 10 배 또는 50 배 대물 렌즈를 구비 한 현미경의 몇 마이크로 미터 공간 분해능 덕분 μRS 충분하다. 현미경으로 2,500 ㎛의 2 (50 × 50 ㎛의 크기) 노광 시료의 체적, 형상에 따라 / 12 g의 농도를 고려하여, 약 1 mg의 중량에 해당하는 약 0.1 mm 3 인 cm 3 (악티니드 산화물에 대한 일반). 높은 방사선 암 (241)의 1 mg의 샘플 1m 19에서 10cm 0.5 마이크로 시버트 / h로 약 50 마이크로 시버트 / h의 사용자에게 공개한다. 이 수준은 일반적으로 마이크로 시버트의 손과 수만 mSv를 / 일의 순서에 법적 선량한도 내에서 쉽게 유지 / 일 몸 20. 또한,이 시스템은 또한 높은 습도 또는 산소의 존재를 포함하는 대기 환경으로부터 샘플을 분리. 에 의존적땡 측정의 요구에, 진공에서, 사용자는 심지어 반응 또는 보호 20 바까지 최고의 분위기를 선택할 수 있습니다. 액티 나이드 산화물, 불화물 염, 금속 (물을 산화, 환원 반응)과 같은 자신의 대기 분위기와 화학적 반응성 물질을 연구하는 동안 특히 중요하다. 샘플을 레이저에 의해 가열 될 수 있기 때문에 일반적으로 라만 측정에 필요한 샘플의 강렬한 레이저 조사는, 그 반응의 반응 속도를 향상시킨다. 이러한 반응은 올바른 분위기를 선택하여 보상 할 수 있습니다. 절차의이 유형은 또한 화학 물질이나 감염 생물학적 물질 등의 유해 시편의 모든 광학 측정에 도움이 될 수 있습니다.
알파 방사선 대기 꽉 라만 샘플 홀더를 15 ㎜의 깊이 구멍 (도 1)을 천공하는 축선에 아크릴 유리 실린더 직경 44mm 및 길이 60mm로 구성. 이 부분의캡슐은, 두께 2 ㎜, 직경 20mm, 한 파장 광학 연마 용융 실리카 창으로 한쪽에 폐쇄된다. 샘플을 잡고 14.9 mm 직경 아크릴 글라스로드 플런저는 시료 바로 아래에 오는 윈도우 지점 캡슐까지 삽입된다. 샘플 (디스크의 분말 또는 작은 단편) 표준 알루미늄 핀 스텁 양면 접착 탭의 도움으로 고정하여 직경 12.7 mm 마운트 자체는 아크릴 유리로드 (플런저)의 단부에 고정. 플런저는 실험실에서 캡슐 방사능의 분산액의 파괴로 이어질 수있는 용융 실리카 창으로 너무 멀리 샘플 홀더 추진의 위험을 방지하기 위해 외부 원형 클립 장착된다. 또한, 상기 외부 원형 클립은 시료와 창 사이의 거리를 조정하기 위해서, 상기 플런저에 그 목적을 위해 만들어진 홈의 하나에, 다른 위치에 설정 될 수있다. 플런저는 매끄러운 슬라이딩하는 O 링이 장착되고실린더의로드. 로드를 삽입 할 때 실린더 내의 가스 분위기를 피하기 위해 압축 실린더의 내면에 홈이 설치 과정 동안 가스의 배출을 허용한다. 나사 실린더 밖으로 당겨로드하기 위해 상기 플런저의 하단 루 스레드에 고정 될 수있다. 샘플은 따라서 일반적으로 비파괴 라만 분석 후에 제거 될 수있다.
두번째 샘플 홀더 (20)는 바 (도 2)까지의 선택된 분위기에서 라만 분석을 수행하기 위해 개발되었다. 이 고 내압 알파 방사선 기밀 라만 샘플 홀더는 폴리 에테르 에테르 케톤 (PEEK), 실린더 몸체의 16 mm 구멍의 축으로 천공 된 직경 44 mm 및 길이 65mm를 이루어져있다. 이 제품은 캡슐 체는 금속 플랜에 의해 유지되는 3 mm, 두께 12.7 mm 직경의 한 파장 광학 연마 용융 실리카 코팅 창의 일측 폐쇄GE는 6 개의 나사에 의해 캡슐 바디에 고정. 기밀성을 달성하기 위해, 윈도우는 본문에 만들어진 홈에 배치 된 O 링에 달려있다. 금속 플랜지에 직접 접촉로부터 윈도우를 보호하기 위해, 불소 탄성체 플랫 조인트 양자 사이에 배치된다. 캡슐의 다른쪽에는 나사 본체에 고정 된 다른 금속 플랜지 (플런저 플랜지)에 의해 폐쇄된다. 플런저 플랜지는 샘플 홀더 (창 옆에) 나사 결합되는 끝에서 플런저를 구비한다. 다만 시료 홀더 이하, 상기 플런저는 캡슐의 고압 기밀성을 보장하는 홈에 배치 된 O 링이 장착되어있다. 플런저는 기밀성을 보장 단지 O 링 종료 후 모세관으로 전체 길이에 걸쳐 천공된다. 진공 펌프 또는 압력하에 샘플 챔버 넣어 의도된다. 샘플을 동일한 방법으로 앞서 설명한 샘플 홀더에 고정된다. 플런저 플랜지 위해 6 mm, 스테인레스 가스 튜브 어댑터에 장착되어가스 입구 또는 진공 펌핑 밸브에 결합한다.
캡슐 샘플은 한정을 중단 할 필요없이 저장되어있는 한정 시스템의 외측부를 인터페이스하기 위해, 잘 확립 된 전송 봉지 기술이 사용된다. 이 기술은 일반적으로 두 개의 분리 안전하게 confinements 샘플 사이를 전송하는, 특히 원자력 산업에서 사용된다. 여기에 사용되는 깔때기 모양의 가방은 특별히이 기술의 사용을 위해 설계되었습니다. 샘플 홀더 측에서, 백 엔드는, 캡슐의 외부 직경 피팅 작은 직경 깔때기 형이다. 그루브 및 돌기는 백 주위에 단단한 O 링을 설치 위치에 유지하고, 각각 백에 너무 멀리 슬라이딩 실린더를 방지하기 위해 실린더의 외면에 실현된다.
본 논문은 실험 방법에 대한 자세한 내용뿐만 아니라 t의 세 가지 대표적인 예 응용 프로그램을 제공합니다echnique. 한 가지 예는 매우 방사성 아메리슘 이산화탄소의 라만 연구에 관한 것이다. 이의 방사능 감소를 목표로 특별 원자력 연료에서 암의 변성의 연구에서 특히 관심의 수명이 긴 핵 폐기물 21, 22, 23, 24,뿐만 아니라 깊이의 전력 공급을위한 방사성 동위 원소 발생기에서 238 푸의 교체로 탐사 우주선 25 – 공간. 이 높은 방사성 물질 시료의 측정은 개발 된 기술의 힘을 보여줍니다. 두 번째 예는 변성 계획 물질 다룬다. 이는 세 개의 다른 파장을 가진에 각종 레이저 파워 레벨을 사용하여, 17 O 도핑의 영향을 포함 NPO 2의 라만 기능의 더욱 기본적인 연구를보고한다. 얻어진 시료의 온도를 측정하여 평가 하였다 여기트리플 분광계 구성의 도움으로 스톡스 안티 스토크 선 강도 간의 비율. 이 성공적인 테스트는이 기술에 의해 제공 및 NPO이 지문으로 사용될 수 vibronic 라만 밴드를 식별하는 데 도움이되는 도구 적 유연성을 보여줍니다. 마지막 예에서, 본 방법은 노심 붕괴 후 1986 년에 형성 체르노빌 용암로부터 취한 샘플을 라만 매핑하는 데 사용 하였다. 이 물질에 존재하는 다른 단계의 식별 목표로합니다.
본 실험 방법은 쉽게 설계 좋은 회전 기계를 구비 한 공장에서 제조 될 수있는 원래의 캡슐에 의존한다. 시판되는 깔때기 모양 가방 맞아야 외경을 제외 캡슐의 다른 차원은 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나, 고압 캡슐을위한 고압에 노출 된 표면은 캡슐 축에 수직, 특히 표면을 최소화해야한다. 여기서, 예를 들면, 최대 표면은 약 127 mm² 인 (A = πr²)의 영역 (A)에 대응하는 5 ㎜의 반경 (R) 윈도우이다. 이 표면에 노출 된 20 바의 압력 P가 창 (P = F * A)에 254 N의 힘 F를 개발, 펜실베이니아 F N, 그리고 평방 미터에서의 P. 6 개의 나사에 분산이 힘은 약 42 N / 나사 초래한다. 캡슐 플런저면을 설계 할 때 고려해야한다. 두 번째 포인트는 계정에주의가 필요합니다 : 꽉를플런저뿐만 아니라, 고압 가스의 부피 다움. 플런저가 한정 가방 안에 배치 될 때, 상기 가스는 가능하게는 협착의 기밀성을 손상, 누설의 경우에 한정 가방 안에 확장한다. 설계는 가방의 용량에 비해 누설의 경우에 팽창 가스의 양이 무시할 수 있도록한다. 설계는 또한 기밀성의 적절한 수준을 확보 상기 O 링과 접촉하는 표면을 잘 제작되도록한다. 그 표면의 품질 관리뿐만 아니라, O 링 등의 수행 될 것이다. 매우 방사성 샘플은 시간이 지남에 캡슐 재료에 손상을 끝낼 수도 있습니다. 따라서, 캡슐 제는 장기간 방사성 샘플들을 저장하는 데 사용되어서는 안된다. 또한이 시스템은 핵 물질 제한 시스템이며, 지역의 안전 당국의 승인을 필요로 할 수 있습니다.
이 기술의 이점은 부분 또는 샘플 콘텐츠에 비해 많다LETE 라만 분광계 한정 2, 3, 4, 5, 6, 16, 17. 특별한 제한 (글러브 박스 및 핫셀)는 필요하지 않습니다, 따라서 여분의 재료는 수명이 다한 핵 폐기물로 처리해야한다는 생성되지 않습니다. (감금의 경우 필요) 라만 분광기의 어떤 정의가 없습니다. 파장, 편광, 측정 모드, 또는 측정이 수행되는 분위기의 쉬운 설정의 측면에서 측정 가능성에는 제한이 없다.
ORNL에서 사용 된 방법과 비교하여 – USA 12, 13, 14, 15, 현미경은 적절한 광 조건에 적용 할 수있다 (S화롯불 대신 튜브 광학 창), 필요한 샘플 량뿐만 아니라, 레이저 파워에 대한 요구를 감소시킨다.
시스템에 일부 제한 사항이 지적되어야한다. 인해 캡슐 창의 존재 샘플과 현미경 대물 렌즈 사이의 거리가 넓은 개구 라만 분광 감도를 줄일 수있는 긴 초점 목적의 사용을 부과한다. 시료와 대물 렌즈 사이에 비 피복 용융 실리카 윈도우의 삽입은 이미징 품질을 감소시킬 수있다. 또한, 현재의 밀봉 시스템으로 인해 깔때기 모양 가방 확실히 캡슐에 고정된다는 사실에도 재사용 가능하지 않다. 깔때기 모양의 작은 봉지 측뿐만 아니라 캡슐 이송 봉지 기술을 적용 가능성을 허용하는, 통합 된 O 링을 장착 한 경우,이 해결 될 수있다. 이것은 더 복잡한 캡슐의 사용을 가능하게하는 것입니다. 예를 들어,기구는 가스 유동을 허용하는 단계; 먹었다mperature-측정 장치; 또는 고체뿐 아니라 유체의 분석 또는 운동 효과의 현장 측정에 대한 기계적 압력 제어 단계는 가능하다. 주의해야 할 점은 아메리슘 같은 높은 방사성 샘플의 라만 스펙트럼 때문에 시간 라만 스펙트럼에 추가 추가 형광 신호의 (이하 주보다 때때로에서) 매우 신속하게 측정해야한다는 것이다. 그 현상은 샘플 표면상에서 응축 휘발성 유기 분자의 생산을 초래 방사선 노출 며칠 후 양면 접착 탭의 분해에 기인 할 수있다.
본 시스템은 특히 방사성 핵 물질의 연구에 적용된다. 또한 사용자가 (위험 샘플) 또는 대기 환경으로부터 보호되어야 샘플로 보호되어야한다 재료의 다른 종류의 연구에 적용 할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 디자인과 라만 분석을위한 방사성 샘플 홀더의 제조에 JRC – 카를 스루에에서 설계 사무실과 작업장에서 안드레아스 헤셀슈베르트 및 Jouni Rautio에게 감사의 말씀을 전합니다. 패트릭 Lajarge, 다니엘 프라이스 (JRC – 카를 스루에), 마크 사르 스 필드 (NNL, 영국) 본 기술로 조사한 AMO이 개 샘플을 제공하기 위해 인정된다. 저자는 또한 샘플 준비를위한 체르노빌 용암 필립 Pöml 랄프 Gretter (모두 JRC-ITU에서)의 샘플을 제공 보리스 부라코브 (Khlopin 라듐 연구소) 감사의 말씀을 전합니다.
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