美国洛斯阿拉莫斯国家实验室制造新的稀土传感器原型机
日期：
2021-07-23
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在美国国家能源技术实验室（NETL）的资助下，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）正在制造一个新的传感器原型机，用于在现场快速检测和表征化石燃料资源和废料中的稀土元素。稀土元素对制造医疗设备、能源系统部件、国防设备、现代电子器件以及许多其他消费产品极为重要。在许多情况下，这些稀土元素不能通过其他矿物替代，少数国家控制了全球大部分稀土元素的供应。洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员正在利用他们的专业知识，研制一种背包大小的现场便携式仪器，用于同时对稀土元素进行化学分析和矿物学分析。具体而言，洛斯阿拉莫斯国家实验室的团队正在将他们在激光诱导击穿光谱分析法（LIBS）方面的研究与拉曼光谱分析法相结合。激光诱导击穿光谱法利用一个聚焦激光束烧蚀样品表面物料，产生一个温度约为太阳表面温度两倍的等离子体。该等离子体由样品的原子和离子组成，发射特定波长的光，根据这些波长即可测定样品的化学组成。拉曼光谱法利用一个绿色激光束照射样品（在洛斯阿拉莫斯国家实验室的实验中），样品中的矿物以特定频率振动，根据这些频率即可测定稀土元素的矿物组成。了解含稀土元素物料的矿物学特征有助于确定从可能的原料提取和分离稀土元素的方法。这种集成了激光诱导击穿光谱法和拉曼光谱法的仪器允许在单个现场仪器内分析评估样品的化学组分和矿物组成，并且在分析前不需要进行样品制备。这台仪器在10秒钟内可以快速测定样品的化学组分及含量，用于勘探含高品位易提取稀土元素的资源时可以节省时间和成本。据估计，在目前的技术开发阶段，激光诱导击穿光谱分析仪的检测限低于10 ppm。稀土元素常见于磷酸盐岩中，但是该仪器也可以检测硫酸盐岩和碳酸盐岩中的稀土元素。国家能源技术实验室矿物可持续性团队的项目经理Jessica Mullen表示，“洛斯阿拉莫斯国家实验室研制的集成化、便携式激光诱导击穿光谱法+拉曼光谱法分析仪最早是该实验室与美国国家航空航天局（NASA）为在火星上使用而合作开发的。在国家能源技术实验室的资助下，研究人员正在探索该技术的更合适用途。通过以新的方式应用现有技术以及将这些技术用于新的用途，国家能源技术实验室及其在学术界、工业界和能源部国家实验室的合作伙伴正在开发传统的燃料资源的新用途，这将激励进行新的环境修复，同时也创造新的就业机会，在这一过程中，为在经济衰退中备受煎熬的煤炭开采地区注入新的活力。”目前，研究人员正在将集成化的激光诱导击穿光谱仪和拉曼光谱仪设计成为一台可装入背包的便携式现场仪器，计划在今年夏季开始实验室和现场测试。
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