丽贝卡·奥顿，太平洋西北国家实验室 超高速激光产生等离子体羽流，可用于确定材料及其化学性质
信用:太平洋西北国家实验室 山
集装箱
火星表面
有时候，把一个样本带到实验室去测试它的成分是复杂的或者是不可能的
当涉及到探测含有核材料的爆炸时，尤其如此
可以快速完成或现场完成的检测可最大限度地减少危险收集或实验室分析期间的人类暴露
然而，核化学的本质——特别是氧化作用，在核爆炸中铀与氧相互作用的方式——在很大程度上是未知的，这给我们准确识别核活动的能力留下了空白
由PNNL物理学家西瓦南丹领导的研究小组
哈里拉尔正在使用一种令人惊讶的工具:激光来拓展我们对铀化学的理解
《原子光谱分析杂志》最近的一篇论文详细介绍了这种方法，它展示了如何通过测量激光等离子体中产生的光来理解核火球中铀的氧化
这种能力让人们对核爆炸期间铀的气相氧化有了前所未有的了解
这些见解进一步推动了铀元素和同位素远程检测的可靠、非接触方法的发展，并对防扩散保障、爆炸监测和条约核查产生了影响
防扩散等离子体 一束脉冲的、快速的激光射进固体材料，激发原子，使它们蒸发成一束微小的、颜色明亮的等离子体
当原子跳跃到这个超高温等离子体羽流中时，反应会发出光，研究人员可以利用光学光谱学来捕捉和研究这些光
氧对铀激光产生等离子体的影响
当更多的氧气存在时，可以看到与一氧化铀有关的更强烈的闪光
然而，氧气越多，等离子体持续的时间就越短
信用:太平洋西北国家实验室 由不同元素在不同温度下制成的等离子体发出不同波长的光，每种光产生不同的颜色
因此，蜡烛火焰中等离子体的颜色不同于霓虹灯中的等离子体，或者哈里拉尔和他的团队为研究铀而产生的微观等离子体羽
不管有多少物质变成等离子体，等离子体发出的不同颜色的光是相同的
哈里拉尔的铀激光产生的等离子体(LPP)是由如此少量的核材料制成的，这种方法可以被认为是非破坏性的
即便如此，研究人员从LPP获得的光测量值类似于核爆炸中产生的火球中的反应
“这是一个规模的问题，”哈里拉尔说
“激光产生的火球化学物质与核爆炸中产生的化学物质相同，因此我们可以研究这种化学物质及其对不同环境条件的反应
它很小，但是光线很好
我们可以毫无问题地收集它
" 在LPP看到光明 虽然来自等离子体的光很容易收集，但特定分子发出的光的波长差异更难解释
铀与爆炸火球中的氧气反应如此强烈，以至于产生了许多不同的氧化铀组合
这些分子组合可以是一个铀原子与一个氧原子配对，也可以是多个铀原子与多达八个氧原子结合
多种铀物种立即使光谱学如何解读简单的光收集变得复杂
这些铀物种发出的光具有如此紧密的色谱，波长差异如此之小，以至于每个波长才开始与其各自的氧化铀跃迁相匹配
研究人员使用该团队先前开发的窄带滤光片放大了波长的窄光谱
这些窄带滤光片通过隔离特定波长发出的光来工作，以便只收集和分析与特定物种相关的波长
在激光产生等离子体的生命周期的最初5到50百万分之一秒内，铀和氧化铀的位置
灰色矩形框代表目标位置
信用:太平洋西北国家实验室 一个过滤器只测量原子铀，另一个在激光脉冲期间测量等离子体中的氧化铀
研究小组随后测量了等离子体增加环境中氧气时发出的光，观察在更多氧气存在的情况下，化学物质是如何变化的
哈里拉尔和他的团队使用精确定时的等离子体快照(称为快门控成像)，直接观察了一氧化铀和铀原子如何随时间和地点在LPP移动
这让他们看到了物种是如何形成的，在哪里形成的，以及它们是如何随着等离子体羽流的扩张和消散而持续存在的
防扩散波长 研究小组发现，铀氧化物是在离目标更远的地方形成的，那里较低的温度有利于分子重组
铀氧化物也在等离子体寿命的后期形成
当更多的氧气存在时，等离子体不会持续太久
理解铀原子从一氧化铀到更高级氧化物的演变对于爆炸事件的预测建模至关重要
精确的、经过实验验证的模型意味着更有效的核不扩散监测和对铀化学更全面的理解
除了帮助研究人员更好地理解铀等离子体化学，这项工作中使用的激光技术也正在开发中，用于现场、远程不扩散监测
由于激光烧蚀结合光发射光谱学测量从等离子体发射的光，因此数据收集可以在不需要样品处理的安全的间隔距离内完成
这项技术对核法医和保障监督有影响
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