飞秒激光诱导烧蚀-四极杆质谱联用技术实现核聚变材料中氢同位素和氦的高灵敏度深度分辨检测

研究人员开发了一种新型的fs-LIA-QMS（飞秒激光诱导烧蚀-四极杆质谱联用）技术，用于检测钨等金属基体中捕获的氢同位素和氦。该技术采用400 fs、343 nm的超短脉冲激光，实现了15 nm/脉冲的深度分辨率和30 μm的高横向分辨率，对氘(D)和氦(He)的检测灵敏度低至0.005 at.%。研究验证了该技术在聚变装置等离子体 facing 组件中氢同位素滞留研究中的应用潜力，并与3-He核反应分析(NRA)和SDTrimSP模拟结果吻合。

　　

在核聚变研究领域，等离子体 facing 组件中氢同位素和氦的滞留行为是影响材料性能的关键因素。传统检测方法如核反应分析(NRA)虽能提供定量数据，但存在探测深度有限、破坏性大等局限。为解决这一难题，国外研究机构Max-Planck-Institut für Plasmaphysik的研究团队创新性地将飞秒激光烧蚀(fs-LIA)与四极杆质谱(QMS)联用，开发出具有纳米级深度分辨能力的检测技术。相关成果发表在《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》上，为聚变堆材料中轻元素分布研究提供了新范式。

研究团队采用三项核心技术：1）400 fs超短脉冲紫外激光(343 nm)实现热影响区<10 nm的精确烧蚀；2）多位置扫描策略（256-1024点/周期）结合共聚焦激光显微镜(CLSM)三维重构建立烧蚀贡献矩阵；3）基于贝叶斯反卷积算法解析深度分布。通过校准泄漏瓶(D₂)定量，结合3-He NRA和SDTrimSP模拟进行交叉验证。

在"Au-implanted W"样本实验中，系统以31 nm/脉冲的烧蚀速率成功重建了1-2 at.%的D深度分布，与NRA结果高度一致。通过优化激光能量(0.39-44 μJ)，证明最低可实现15 nm/脉冲的烧蚀分辨率。极限检测实验表明，单点检测限达5 at.%，而通过多位置累积(93,500脉冲/周期)理论上可提升至10^-5 at.%。

"He-implanted W"样本研究揭示了技术区分D和He的能力：热处理(1000 K)后，质量数3(HD)信号显著降低而质量数4(He)保持稳定，证实He信号占比达94%。SDTrimSP模拟的He分布与实验数据吻合(校准因子2.4×10^-11 counts/He)，同时D分布与NRA匹配需引入0.0294的校正系数，反映D在真空系统中的更高损失率。

讨论部分指出，该技术的系统误差主要来自：1)烧蚀物质在防护窗等部位的沉积损失；2)D与残余H的同位素交换导致HD信号主导；3)激光脉冲展宽(估计420 fs)仍低于晶格弛豫时间(1-10 ps)。相比传统ns-LIA-QMS，fs激光将热渗透深度从97 nm降至10 nm，与光学穿透深度(7 nm)相当，显著提升深度分辨率。未来通过加热防护窗、优化光束整形(top-hat)等措施，可进一步降低检测限。

这项研究标志着超快激光质谱技术在核材料分析领域的重大突破，为ITER等聚变装置中等离子体与壁材料相互作用研究提供了不可替代的原位检测手段。其纳米级空间分辨和ppm级灵敏度相结合的特性，在核燃料循环、辐照损伤评估等方向也具有广阔应用前景。