铀氧化物核取证新方法：基于实验室硬/软X射线光电子能谱(HAXPES/XPS)的深度剖析技术

针对核材料溯源分析中传统X射线光电子能谱(XPS)采样深度不足的局限，英国研究人员创新性结合硬X射线光电子能谱(HAXPES)与XPS技术，首次实现铀氧化物(UO2.127 )表面至体相(25nm)的非破坏性深度剖析，发现氧化层梯度分布特征并首次报道铀MNN俄歇谱，为核取证(NF)建立关键数据库。

　　

核材料的安全管控是国际社会面临的重大挑战，当核材料脱离监管时，快速准确的溯源分析成为执法关键。传统核取证(NF)技术如X射线衍射(XRD)对样品结晶度有严格要求，而常规X射线光电子能谱(XPS)仅能探测表面3-5纳米信息，难以反映体相真实成分。更棘手的是，铀氧化物表面易形成复杂氧化层，其化学态梯度变化可能隐藏关键溯源线索。

英国核能实验室的Stuart A. Dunn团队在《Applied Surface Science Advances》发表突破性研究，首次将实验室级硬X射线光电子能谱(HAXPES)与XPS联用，建立铀氧化物的三维化学成像方法。研究人员采用9.25 keV Ga Kα和1.486 keV Al Kα双光源，通过能量分析器(EW-4000)获取铀3d-6p共20个能级跃迁，结合QUASES-Tougaard软件进行非弹性背景分析，并创新性开发俄歇谱解析算法。

3.1 HAXPES与XPS全谱分析
通过对比两种能量光源的全谱发现，HAXPES可检测铀3d至6p能级（横跨5600 eV结合能），而XPS中铀4f信号强度高出10倍。定量分析显示表面O/U比达4±3，而体相降至2.7±0.1，揭示显著氧化梯度（图3）。

3.2 高分辨谱与峰拟合
U 4f精细谱拟合发现表面U(V)占比76%（XPS），体相降至47%（HAXPES），与UO_2.127
理论值25%的差异表明表面氧化更剧烈（图6）。首次在U 3d谱中观察到15 eV高能卫星峰，可能源于O 2p→6d跃迁。

3.3 QUASES深度建模
采用指数衰减模型（衰减长度2nm）成功重建氧化层三维分布，证明XPS信号完全来自表面污染层，而HAXPES穿透深度达28nm（3λ）。

3.4 俄歇谱解析突破
首创背景扣除法解析铀MNN俄歇区（7300-6100 eV），识别出M₅
N_6,7
N_6,7
等7个跃迁（表1），为构建Wagner化学态图奠定基础。

该研究创建了核取证的全新方法论：通过HAXPES/XPS联用实现从埃米级表面到数十纳米体相的无损检测，解决了传统技术无法区分体/表化学态的难题。首次建立的铀俄歇数据库将显著提升核材料溯源准确性，而发现的硅表面污染特征（XPS专属检出）为鉴别非法加工环境提供新指标。这项技术突破尤其适用于高放射性超铀元素分析，避免了同步辐射设施的使用限制，使核取证调查时效性获得质的飞跃。