High spectral resolution of diode laser absorption spectroscopy for isotope analysis using a supersonic plasma jet

超音速プラズマジェットを用いた同位体分析における半導体レーザー吸収分光の高感度化

桑原 彬   ; 相羽 祇亮*; 山崎 信哉*; 南川 卓也 ; 松井 信*

Kuwahara, Akira; Aiba, Yasuaki*; Yamasaki, Shinya*; Nankawa, Takuya; Matsui, Makoto*

放射性廃棄物等の分析において、試料の化学的な前処理を省略できる手法として、レーザーアブレーション等の高温プラズマを用いる手法が開発されてきた。しかしながら、高温プラズマ中では各同位体のドップラー広がりにより、スペクトルが干渉し、微量同位体を検出することができない。本研究においては、超音速プラズマ風洞の断熱膨張を用いてプラズマを低温まで冷却することにより、スペクトル分解能を向上する手法を開発した。結果として、キセノン安定同位体のデモンストレーションにおいて、180Kまで冷却できることを明らかにし、従来の分解能に比して10分の1程度まで向上できる手法を開発した。

Although high-temperature plasma sources have been used for direct isotope analysis of solid samples, the spectral resolution of diode laser absorption spectroscopy in high-temperature plasma is limited by the Doppler broadening of atomic absorption lines. Thus, a decrease in translational temperature is necessary to enhance the spectral resolution and distinguish isotope shifts due to mass number. In this study, a supersonic plasma wind tunnel, also called an arc-jet plasma wind tunnel, was used to enhance spectral resolution drastically, and a demonstration was carried out using natural stable xenon isotopes. As a result, the temperature was found to be about 180 K and the spectral resolution was about one order of magnitude higher than that of the conventional high-temperature source. Additionally, the method proposed herein was verified by using two xenon isotopes.