含铀材料的准确表征在核燃料循环中发挥着关键作用，包括铀处理、燃料制造、保障验证、环境监测和核取证分析 [1], [2], [3]。特别是，235U 和 238U 的同位素丰度是区分用于和平能源生产的材料与可能表明潜在武器化途径的材料的基础 [4]。因此，铀同位素分析是各种条件下所需的，包括对环境样品、过程残留物、污染材料以及核保障和安全中遇到的其他复杂基质的快速筛查。
传统上，铀同位素一直使用质谱法和辐射检测技术进行分析 [5], [6], [7], [8], [9]。质谱法提供了卓越的灵敏度、精密度和同位素分辨率，基于辐射的测量提供了估计铀富集度的非破坏性手段。尽管这些技术性能很高，但它们用于快速、直接和原位分析的应用往往受到繁琐的样品制备、漫长的采集时间以及对专用实验室仪器的依赖的限制。这些实际瓶颈凸显了对互补分析方法的需求，这些方法能够以最小的样品处理进行快速筛查，以在确认性分析前提供可操作的数据。
在这种情况下，激光诱导击穿光谱（LIBS）提供了一种有吸引力的替代方案，因为它能够实现直接元素分析，几乎不需要样品制备 [10]。该过程涉及聚焦脉冲激光烧蚀微量材料，在样品表面产生激光诱导等离子体 [11]。在这种等离子体羽流中，受激原子和离子释放其特征发射，从而实现直接元素分析，而无需耗时的制备 [12]。此外，由于激发激光和发射光都可以远距离传输，LIBS 可以配置为远程检测，从而大大降低与直接处理放射性或污染材料相关的风险 [12]。因此，LIBS 已在各种基质中的铀检测方面得到了广泛探索，包括土壤、玻璃和燃料相关材料 [13], [14], [15], [16]。
虽然 LIBS 已证明在这些元素分析方面有效，但进一步增强其检测灵敏度，特别是对于痕量铀，通常需要更大的能量沉积 [17]。为此，双脉冲（DP）LIBS 已被广泛研究作为一种提高发射强度和降低检测限的策略 [17], [18], [19]。在典型的 DP 配置中，以精确控制的时间延迟交付两个激光脉冲 [18]。第一个脉冲引发烧蚀以形成初始等离子体羽流，而第二个脉冲将额外能量沉积到这个演变的羽流中 [19]。这种后续的能量注入使等离子体重新加热并进一步激发烧蚀物种，从而产生更强烈和更持久的发射。因此，与传统的单脉冲（SP）LIBS 相比，DP 配置可以显著改善信背比，并将元素检测限降低几个数量级 [20]。
虽然这些优势显著受益于元素检测，但由于对同位素选择性的担忧，DP-LIBS 在铀同位素的定量分析中的应用有限。与元素识别不同，同位素分析需要在单一光谱特征内精确区分 235U 和 238U 的贡献。这项任务本身就很难，因为同位素差异仅引起发射波长的微小位移（即，同位素位移），对于铀而言通常只有几皮米 [13]。由于这种位移通常与光谱仪分辨率相当或更小，235U 和 238U 的发射通常会合并成单一的重叠光谱剖面。
为了从此类未分辨剖面中提取同位素特异性信息，已采用光谱分解 [15]。在这种方法中，观察到的特征被建模为两个线形函数的总和，最常见的是洛伦兹线型，同位素组成根据它们的相对面积估计 [16]。然而，这种分解的可靠性取决于两个竞争因素之间的微妙平衡：发射强度（灵敏度）和光谱线宽（选择性）。虽然 DP-LIBS 大幅提升了强度，但相关等离子体温度和电子密度的增加可能会触发增强的光谱线展宽 [17]。鉴于铀同位素位移非常微小，即使是适度的展宽也会显著增加同位素之间的光谱重叠。这造成了一个基本的张力，即 DP-LIBS 提供优越的灵敏度但较差的选择性，而 SP-LIBS 保留了更狭窄的剖面但牺牲了信号强度。
为了解决这种灵敏度 - 选择性权衡，我们引入了一种联合光谱分解框架，将 SP 和 DP-LIBS 观测作为铀同位素分析的互补数据集进行耦合。而不是独立分析光谱，所提出的方法对配对的 SP 和 DP 光谱进行同时拟合，在优化过程中通过强制共享同位素比率将它们联系起来。在这种集成方法中，狭窄的 SP 光谱提供了必要的同位素判别以约束光谱结构，而 DP 光谱增强的信号强度稳定了痕量浓度下的定量。通过将这些互补数据集耦合到单一物理约束解中，所提出的方法有效地缓解了灵敏度 - 选择性冲突。该策略为快速铀同位素筛查提供了稳健和实用的基础，为核保障、环境监测和核安全提供了强大的分析能力。
