加强聚变和裂变应用中光学仪器的开发

在《核材料杂志》上发表的一篇论文中，研究人员分析了同步辐射和热退火对在伽马辐射下集成二氧化硅和蓝宝石的光吸收的影响。

同步热退火法研究熔融二氧化硅和蓝宝石在中子和伽马辐射下的光吸收。图片来源: RHJPhtos/Shutterstock.com

采用同步辐照和辐照后热退火的方法研究了二氧化硅和蓝宝石复合材料的辐照诱导衰减(RIA)。研究人员发现了同步辐照热退火和辐照后热退火在二氧化硅和蓝宝石的光学行为上的重要区别。

该研究在选择和放置光学材料以开发诸如聚变或裂变反应堆等光学仪器应用方面具有很大的潜力。这也有助于研究人员了解辐射对这种光学材料的影响。

熔融二氧化硅和蓝宝石等光学材料的辐射衰减

通过减少核反应堆仪器检查而关闭的频率，可以大大提高核反应堆的辐射安全性和经济性能，从而允许对关键反应堆部件进行在线监测。

激光诱导击穿光谱(LIBS)可以通过在反应堆运行期间对反应堆冷却剂的化学组成进行光谱调查来识别核反应堆组件的降解。

在适当的工作环境下，了解光纤和透镜等光学材料中的辐射效应至关重要，因为基于LIBS的仪器需要通过此类光学材料传输等离子体和高能激光脉冲。

普通光学材料如二氧化硅和蓝宝石具有光学特性，包括衰减和折射率，当暴露于核反应堆中的离子辐射效应时，这些特性会发生变化。

研究人员在中子和伽马射线辐照和热退火的条件下，对集成二氧化硅和蓝宝石的辐射诱导衰减(RIA)和辐射效应进行了一些研究。然而，由于在照射、检测和热退火之间有相当长的时间延迟，没有关于光学材料在高温和辐射同时作用下的原位行为的数据存在。

本研究中的研究人员使用高 OH 含量的贺利氏 Spectrosil 2000 集成二氧化硅 （S2000）、低 OH 含量的贺利氏 Infrasil 302 集成二氧化硅 （I302） 和光学类别蓝宝石，在220nm至1100nm之间进行了 RIA 测量。将这些光学材料暴露于中子和伽马辐照下，在辐照后和同步辐照8000°C热退火条件下观察其辐照效应。

二氧化硅和蓝宝石光学吸收的实验装置

第一个测量吸收的实验装置包括覆盖220-1100 nm光谱范围的Ocean Insight HR4000光谱仪和Ocean Insight卤素/氘光源。

第二个实验装置包括安装在60Co池干管上方的退火炉，用于光学材料的并发和后热退火。

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目前的研究在俄亥俄州立大学核反应堆实验室的核反应堆和60Co 辐照池中进行辐照。在一个包含60Coγ源的圆柱形固定装置的帮助下，一个I302样本在宾夕法尼亚州立大学辐射科学与工程中心接受了10mrad 的辐照。

使用特制的硅铝绝缘碳化硅盘管炉对样品进行干燥和空气退火。

加热炉建造在60Co池和核反应堆的干管内，以便同时对样品进行热退火和辐照。

在辐照后退火实验中，样品在每次辐照剂量后加热到指定温度。

相反，在同步退火的情况下，样品在照射过程中连续加热到指定温度，直到达到列出的剂量。

光学仪器在裂变和聚变应用中的发展潜力巨大

这项研究得到了同时辐照和热退火的结果以及对蓝宝石 I302和 S2000的辐照效应。

研究小组观察到这些光学材料在同时和辐照后热退火条件下的行为的关键区别。

S2000在600 ⁰C的条件下对n-1剂量和n-2剂量进行热退火，使材料恢复到其未辐照形式。在800 ⁰C时，具有相同剂量的同时辐照热退火样品在紫外范围内保留了辐射诱导的衰减。

在n-1和n-2同时辐照热退火下，I302还显示出220 nm至900 nm之间的平衡辐射诱导衰减光谱，与辐照后热退火方案相反，I302在退火至800 ⁰C后恢复到未辐照状态。

蓝宝石在辐照后热退火时，样品加热至800 °C 后几乎退火至未辐照状态，与此相比，在同步辐照热退火条件下，n 剂量1和2的辐照诱导衰减范围可能达到平衡。对于该光谱，在260nm 处获得了残余吸收峰，而在300nm 处获得了增加的吸收峰。

目前的研究是以支持基于LIBS的仪器设备在高放射性和高热环境中承受重大辐射影响的原始目标进行的。

对样品中光学材料的吸收光谱进行对比表明，S2000是实现基于LIBS的仪器的最理想的材料，退火温度高达800 ⁰C，中子通量为1.7×10¹⁷n.cm^-2。

在LIBS波长为532 nm和1064 nm时，S2000仅显示出边际辐射诱导衰减。在同时照射热退火下，I302产生了相当大的辐射诱导衰减，最高可达900 nm，这可能会限制LIBS激光器在532 nm处的辐射诱导衰减。

与S2000的报告相比，蓝宝石在532 nm或1064 nm处没有表现出同时照射热退火的辐射诱导衰减。紫外线范围内残留的辐射诱导衰减峰可能会干扰LIBS等离子体光谱。

参考文献

B.W. Morgan, M.P. Van Zile, C.M. Petrie, P. Sabharwall, M. Burger, I. Jovanovic, Optical Absorption of Fused Silica and Sapphire Exposed to Neutron and Gamma Radiation with Simultaneous Thermal Annealing. 2022. Journal of Nuclear Materials. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311522004317