張瑩瑩， 海 然， 張家良， 魏 來， 王曉娜

（大連理工大學物理學院三束材料改性教育部重點實驗室，遼寧大連116023）

0 引 言

聚變核能是公認的可替代傳統(tǒng)化石能源（煤炭、石油、天然氣等）的一項人類偉大科技成就。由包括中國、歐盟、美國、俄羅斯等7方共同組織參與的國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目，是當今世界規(guī)模最大的國際科技合作計劃之一。隨后，世界首臺全超導托卡馬克裝置（EAST）由我國自主設計建造完成，該裝置屬于目前世界上最先進的磁約束聚變實驗裝置之一。與此同時，多項國家重大研究計劃項目相繼展開。我校作為ITER項目和EAST裝置的主要參與者之一，在數(shù)值模擬和實驗研究方面都做出了重要貢獻［1-2］。然而，如何將國家重大研究計劃和相關(guān)的科研成果轉(zhuǎn)化為本科實驗教學，拉近國家重大戰(zhàn)略需求和重大科學前沿與本科生所學理論知識的距離，增強學生的愛國精神，并激發(fā)學生奉獻祖國科研事業(yè)的決心和信心，是實驗教學改革需要關(guān)注的問題之一［3-4］。

在托卡馬克國家大實驗裝置中，如何在極端環(huán)境條件下進行實時、快速、精準地檢測裝置壁材料表面成分的細微變化，屬于磁約束聚變研究的瓶頸問題。激光誘導擊穿光譜技術(shù)（LIBS）［6-7］，具有其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)點：使用簡便、原位分析、在線檢測等，同時被廣泛應用于礦業(yè)探測、軍事爆炸物檢測、太空檢測等多種環(huán)境下的諸多領(lǐng)域［8-10］。

在物理學教學實驗中，基于國家重大研究計劃項目，將有關(guān)LIBS技術(shù)的成熟科研成果轉(zhuǎn)化為本科實驗教學項目，通過自主設計組裝實驗儀器設備，使實驗教學更具可行性，內(nèi)容更具科學性和前沿性，不但可培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、科學精神，更能結(jié)合高校的課程思政建設，培養(yǎng)學生的家國情懷，增強民族自信。

1 實驗設計

1.1 實驗原理

LIBS技術(shù)是一類光譜分析技術(shù)，其基本依據(jù)在于原子和分子光譜具備一定的指紋特征，即不同原子或分子的特有能級決定了其發(fā)出不同的光譜譜線，通過譜線波長的識別和關(guān)聯(lián)分析，從而實現(xiàn)樣品成分的定性和定量檢測［11］。

要使樣品的原子或分子成分發(fā)生光譜過程，必須對其進行激發(fā)，產(chǎn)生原子或分子的諸多激發(fā)態(tài)。傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)中，火焰燃燒、感性耦合等離子體炬、微波等離子體炬等［12-14］為常用的激發(fā)手段。隨著激光器技術(shù)的高速發(fā)展，利用高功率脈沖激光加熱樣品，可以實現(xiàn)樣品的快速高溫激發(fā)，形成高溫高密度的瞬態(tài)等離子體，同時產(chǎn)生大量處于激發(fā)態(tài)的離子。這些激發(fā)態(tài)的離子極其不穩(wěn)定，躍遷的同時發(fā)射出具有特定波長的光。光輻射分為兩個階段進行：①形成等離子體的初始階段，主要發(fā)射連續(xù)譜輻射；②等離子體冷卻和空間膨脹階段，連續(xù)輻射迅速減弱，發(fā)射特征譜線的輻射，即特征輻射［15］。連續(xù)輻射和特征輻射經(jīng)透鏡收集后由光纖導入高靈敏度的光譜儀，光譜儀將光譜強度分布經(jīng)光電轉(zhuǎn)化形成電信號并記錄。由于光譜輻射分階段進行，為了得到原子分子的特征輻射，需要引入時序控制系統(tǒng)，控制光譜儀快門時間與激光器觸發(fā)脈沖之間的相對延遲，提高譜線信噪比。最后，對照原子分子光譜標準數(shù)據(jù)庫，對光譜儀記錄的譜線進行識別和分析，得出被測樣品的成分、含量等信息。

總結(jié)以上原理，LIBS技術(shù)包括3個過程：①樣品激發(fā)過程——脈沖激光燒蝕樣品，在其表面瞬間產(chǎn)生高溫高密度等離子體，同時輻射發(fā)光；②光譜記錄過程——經(jīng)光纖和光譜儀完成光輻射的數(shù)據(jù)采集與記錄；③元素識別過程——比照原子分子光譜標準數(shù)據(jù)庫，對樣品元素進行定性分析。

1.2 實驗裝置

實驗裝置包括脈沖激光器、激光導光臂、光纖、光譜儀、計算機和時序控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 LIBS實驗裝置示意圖

（1）脈沖激光器。采用調(diào)Q方式的Nd：YAG（釔鋁石榴石晶體）納秒脈沖激光器（TINY-H800型），1 064 nm的輸出波長，單脈沖能量100～800 mJ連續(xù)可調(diào)，頻率1～10 Hz，脈寬小于10 ns。

（2）導光臂。經(jīng)多組反射鏡引導激光光束，最后經(jīng)平凸透鏡聚焦到樣品表面，如圖2所示。

圖2 光束傳輸系統(tǒng)示意圖

（3）光纖。由三條光纖拼接，組合采集的光譜范圍為200～950 nm。光纖探頭由收集透鏡組成，保證全部光譜波段被收集并聚焦耦合到光纖內(nèi)。

（4）光譜儀。利用分光元件將等離子體發(fā)出的“復合光”分開為“單色光”。本實驗采用的光譜儀為美國海洋光學公司LIBS2500-3型。

（5）時序控制系統(tǒng)。采用單脈沖外觸發(fā)方式，激光器的觸發(fā)脈沖作為主脈沖，光譜儀接受此脈沖后，延遲一定時間產(chǎn)生快門脈沖。通過改變延遲時間改變兩個脈沖信號之間的相對延遲。

2 教學內(nèi)容與實踐

托卡馬克裝置中的壁材料問題屬于磁約束聚變的瓶頸問題。要滿足聚變反應中腔室內(nèi)2.5×108℃的極端高溫環(huán)境，并能承受高能離子的轟擊，科學工作者對大量材料展開了研究，先后更換了摻雜石墨、鈦鋯鉬合金、全鎢材料等。2017年7月，我國EAST裝置成功獲得電子溫度高達5×107℃、目前放電時間最長的等離子體，再次創(chuàng)造了磁約束核聚變領(lǐng)域新的世界紀錄。

在實驗教學環(huán)節(jié)中，首先結(jié)合“人造太陽”大科學工程背景［16］，將思政教育有機融合進來，向?qū)W生介紹我國在聚變核能研究領(lǐng)域內(nèi)的重大成果和地位，激發(fā)學生學習和科研興趣。其次，針對托卡馬克實驗裝置中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，展開分析討論，提出本實驗的實驗目的、實驗原理及實驗手段。最后，實驗內(nèi)容圍繞7種材料進行LIBS技術(shù)檢測，根據(jù)材料導電性能由優(yōu)到差，依次為：銅（Cu）、鎢（W）、鋁（Al）、石墨、摻雜硅、剛玉陶瓷（Al2O3）、聚四氟乙烯，如圖3所示。

圖3 實驗樣品

樣品材料經(jīng)能量為200 mJ（閃光燈電壓為700 V）的脈沖激光燒蝕，延遲時間為4.6μs的情況下，得到的各個實驗樣品的LIBS光譜分析數(shù)據(jù)如圖4所示，其中譜線強度單位為原子單位（1 a.u.＝1 Hartree＝2.6 MJ/mol）。對照美國標準與技術(shù)研究院NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫（www.nist.gov），分析得出每種材料的原子（分子）譜線。以Cu材料為例，如圖4中黑線所示，學生通過仔細觀察圖形并查閱數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在波長324 nm和326 nm附近，有兩個明顯的峰值，對應Cu原子的特征輻射。另外，由于實驗是在大氣中進行，因此還得到了碳、氫、氧、氮等元素的原子譜線，學生可依次標出。540～700 nm之間還出現(xiàn)了較復雜的連續(xù)譜輻射，由激光產(chǎn)生等離子體時的高能電子引發(fā)，學生對此可做簡單了解。對照NIST數(shù)據(jù)庫，學生可標出所有7種樣品材料中主要的原子（分子）輻射譜線。通過觀察分析譜線，學生可發(fā)現(xiàn)導電性能好的金屬，和聚四氟乙烯之間存在明顯差別：金屬材料很容易激發(fā)產(chǎn)生特征輻射，而聚四氟乙烯則性能較穩(wěn)定，成分也較復雜。因此，聚四氟乙烯常用來作為實驗中的絕緣材料，但缺點是不耐高溫。需要說明的是，學生從圖4中W的輻射譜線，發(fā)現(xiàn)W材料被激發(fā)后的產(chǎn)生率（即濺射率）相對較低。可能是由于使用的光譜儀受條件限制未采集到，也可能是W材料本身具有的優(yōu)點：較高的熱導率和熔點等，因此在托卡馬克裝置中的極端環(huán)境條件下，純鎢材料是重要的壁材料之一。

圖4 實驗樣品光譜

3 教學效果與反思

近年來，在國家重大研究項目的支持下，高校取得了令人矚目的科研成果，而這些科研成果成為實驗教學寶貴的潛在資源。該實驗教學項目基于托卡馬克裝置中壁材料的在線分析診斷技術(shù)——LIBS技術(shù)，在應用物理專業(yè)實驗室經(jīng)過了4學年的實踐教學，取得了良好的教學效果。該項目具有以下特點：

（1）國家重大研究計劃和實驗教學相結(jié)合。國家重大研究計劃項目面向國家重大戰(zhàn)略需求和重大科學前沿，其科研成果為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展提供重要保障。而這些重大研究計劃項目對于本科生來說，往往是高深莫測、難以企及的。將相關(guān)的成熟科研成果引入本科實驗教學，拉近國家重大研究計劃和本科生所學理論知識的距離，不僅加深了學生對基礎(chǔ)理論知識的實踐運用能力，更能激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和科學精神，促進高校的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

（2）課程思政建設和實驗教學相結(jié)合。課程思政建設是高校在構(gòu)建“三全育人”大格局過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。我校應用物理專業(yè)實驗以培養(yǎng)很強科學實踐能力和創(chuàng)新能力的應用物理研究型人才為目標。結(jié)合專業(yè)實驗人才培養(yǎng)特點，將我國在國際重大科學技術(shù)領(lǐng)域的地位和貢獻有機融入實驗教學過程當中，培養(yǎng)學生奉獻祖國科研事業(yè)的決心和信心，并形成實驗教學和思想政治教學同向同行的育人格局。

4 結(jié) 語

針對國家重大研究計劃——磁約束核聚變研究項目，探索了將相關(guān)的成熟科研成果轉(zhuǎn)化為本科教學實驗項目，拉近了國家重大戰(zhàn)略需求和重大科學前沿與本科生所學理論知識的距離，激發(fā)了學生學習和繼續(xù)鉆研的興趣。通過自主搭建實驗教學設備，采用聚變裝置中托卡馬克壁材料在線分析診斷技術(shù)——LIBS技術(shù)，學生分別對7種不同的實驗樣品進行脈沖激光燒蝕、光譜采集與分析。結(jié)果表明，不同材料之間的特征譜線存在明顯差異。其中鎢材料由于具有較多優(yōu)點，成為托卡馬克裝置中重要的壁材料。該教學項目經(jīng)過4學年的實踐證明，將國家重大研究計劃項目相關(guān)科研成果轉(zhuǎn)化為本科教學項目，同時將我國在國際重大科學技術(shù)領(lǐng)域的地位和貢獻融入教學過程當中，不但能鍛煉學生的創(chuàng)新實踐能力和探索研究能力，更能培養(yǎng)學生的家國情懷，增強民族自信。