利用中红外TEA CO?激光将氢注入金属的可能性：使用LIBS技术检测钛中的氢

《Applied Surface Science》：The possibility of hydrogen injection into metal by mid-IR TEA CO 2 laser: hydrogen detection in titanium using LIBS

本研究探讨了利用中红外CO2激光将氕注入钛金属的可行性，并验证了LIBS检测注入氢的效果。实验表明：中红外激光可有效注入氢，通常需要几十次脉冲，且注入量在55-200 mbar范围内几乎与初始氢压无关。LIBS方法快速可靠，适用于金属中氢监测。

　　

Milan S. Trtica | Miroslav Kuzmanovi? | Jelena Savovi? | Dragan Rankovi?

VINCA核科学研究所 - 塞尔维亚共和国国家研究所，贝尔格莱德大学，邮政信箱522，11001贝尔格莱德，塞尔维亚

摘要

本研究探讨了是否可以使用中红外TEA CO₂（横向激发大气二氧化碳）激光将最轻的氢同位素——质子注入钛中，并使用相同的激光通过LIBS（激光诱导击穿光谱）技术检测注入的氢含量。研究结果表明：(i) 中红外CO₂激光辐射可用于将氢插入钛中；(ii) 注入过程通常需要数十次激光照射；(iii) 注入钛中的氢量在55至200毫巴的压力范围内几乎不受初始氢压的影响。评估的等离子体参数表明等离子体物种得到了有效激发。LIBS方法快速且可靠，是监测金属中氢含量的有效手段。

引言

钛具有出色的性能，包括高熔点、高强度重量比以及优异的耐腐蚀性和抗侵蚀性[1]。由于这些特性，钛被广泛应用于医学、海洋环境以及核能和航空航天技术领域。特别是在核能应用中，钛还具有残余放射性衰减快和对氢有较高亲和力的优点[2]。

将氢引入某些金属（如本研究中使用的钛）在当代技术中具有重要意义。必须同时考虑氢存在的正面和负面影响。例如，钛及其合金可以作为氢储存介质[3]、[4]、[5]、[6]。然而，金属中的氢（如钛）可能会导致表面变化，包括开裂和脆化[2]、[7]、[8]，从而缩短金属的使用寿命。因此，在核技术中监测质子（及其他氢同位素）在聚变反应堆材料中的含量非常重要。

在考虑用于聚变反应堆的结构材料中，钛及其合金仍然备受关注[2]、[7]、[8]、[9]。通常，可以通过多种方法将氢引入金属中，如加热[10]、嬗变反应[2]、离子注入[11]、气体放电（例如辉光放电[12]）和电化学方法[13]。金属在生产过程中也可能微量吸收氢。

利用中红外激光将氢（尤其是最轻的同位素质子）注入金属（如钛）的可能性在文献中尚未得到充分研究。这一知识空白是本研究的主要动机。Schwickert等人的先前工作[14]描述了使用XeCl准分子激光（发出紫外光）将氢注入钛的过程。实验表明，准分子激光比此处使用的脉冲中红外TEA CO₂激光更适合该过程。准分子激光在钛靶上产生的等离子体被认为比CO₂激光产生的等离子体“更热”。这两种激光的光子能量分别约为4电子伏特和约0.1电子伏特。

本研究通过中红外激光辐照探索了将氢引入金属的方法，并考察了LIBS技术用于检测氢（质子）含量的潜力。目前有多种基于激光和非激光的方法可用于检测金属中的氢[8]、[15]。然而，基于核技术的方法通常复杂、昂贵且耗时较长，因此LIBS成为更优的选择。过去五年中，利用LIBS检测金属中氢同位素的研究有所增加，尤其是在核技术应用领域[4]、[7]、[8]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。大多数研究使用短脉冲（纳秒级）和超短脉冲（皮秒/飞秒级）激光来检测质子（¹H）、氘（²H）或氚（³H）。

本研究的目标有两个：(a) 确定是否可以使用中红外激光将轻氢（质子）注入金属（钛）；(b) 确定是否可以使用LIBS检测金属/钛中的注入质子。两项实验均使用了相同的中红外激光，即脉冲TEA CO₂激光。该激光首先用于将氢（质子）注入金属，随后用于LIBS检测。

实验部分

实验过程

实验分为两个阶段：(i) 将氢注入钛；(ii) 检测注入的氢。两个阶段均使用了脉冲中红外TEA CO₂激光。首先，它作为热源；其次，它作为LIBS诊断方法的一部分。

实验装置的相关信息已在其他文献中报道[7]、[8]、[22]。此处简要说明如下：实验装置包括脉冲TEA CO₂激光器、聚焦和收集光学系统，以及与CCD探测器相连的光谱仪。

氢气氛中的激光-钛相互作用

图1显示了在氢气氛中，经过60次、120次和300次激光照射后钛样品的改性情况。氢气压约为200毫巴，其他条件与实验部分所述相同。钛表面的形态变化总结如下：(i) 在60次照射后首次观察到损伤，见图1 B1、B2；(ii) 在120次照射后表面出现裂纹。

结论

本研究考察了利用激光辐射将氢引入金属（特别是钛）的可行性，以及激光诱导击穿光谱（LIBS）技术在检测金属中氢含量方面的潜力。两项研究均使用了脉冲中红外TEA CO₂激光。研究结果表明：

(a)

CO₂

激光的中红外辐射成功用于将氢（质子）注入钛中；

(b)

与其他用于金属氢注入的方法相比，

作者贡献声明

Milan S. Trtica：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验设计、方法学研究、数据分析、概念构建。Miroslav Kuzmanovi?：撰写——审稿与编辑、方法学研究、数据分析。Jelena Savovi?：撰写——审稿与编辑、数据可视化、方法学研究、数据分析。Dragan Rankovi?：撰写——审稿与编辑、数据可视化、方法学研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了以下机构的资助：(i) 国际原子能机构（IAEA），维也纳，合同编号24076，“当代和新型IF结构第一壁材料：高热流和电磁流条件”，属于CRP代码F13020项目“惯性聚变能量路径：材料研究和技术开发”（2020–2024年）；(ii) 塞尔维亚共和国教育、科学和技术发展部，根据合同编号。