惰性气体Rydberg态和自电离态光谱研究

摘要

原子高激发态的研究在天体物理、受控核聚变、电子关联效应、激光分离同位素，以及新型激光器的研制等领域有着重要的意义。本论文主要报道惰性气体原子自电离态的光激发谱研究。采用脉冲直流放电和超声射流冷却相结合的方法产生惰性气体亚稳态，利用光激发和时间飞行质谱技术，研究了Ar，Kr，Xe三种惰性气体自电离态激发谱。本论文主要从：Ar原子自电离Rydberg态光谱研究，Kr原子自电离Rydberg态光谱研究，Xe原子自电离Rydberg态光谱研究三个部分进行了讨论。 实验中采用气体脉冲直流放电的方法，产生分别位于93143.767cm<'-1>和94553.67 cm<'-1>处的亚稳态Ar<'*>(3p<'5>4s[3/2]<,2>和3p<'5>4s'[1/2]<,0>)，分别位于79971.7321cm<'-1>和85191.6075 cm<'-1>处的亚稳态Kr<'*>(4p<'5>s[3/2]<,2>和4p<'5>5s'[1/2]<,0>)，以及分别位于67067.54cm<'-1>和76196.78 cm<'-1>处的亚稳态Xe<'*>(5p<'5>6s[3/2]<,2>和5p<'5>6s'[1/2]<,10>)。随后用脉冲紫外激光单光子激发其到偶宇称自电离共振态序列，np'[3/2]<1,2>[1/2]<,1>，nf'[5/2]<,3>。通过时间飞行质谱(TOF-MS)技术收集自电离所得Ar，Kr，Xe离子得到235-358 nm激光波长范围内自电离共振态的激发谱，光谱分辨～0.1 cm<'-1>。主要完成以下工作： (1)系统地观测到了Ar原子3p<'5>(<'2>P<'1/2>)np'[3/2]<,2>(n=11-39)，[3/2]<,1>(n=11-29)，[1/2]<,1>(n=11-22)和3p<'5>(<'2>p<,1/2>)nf'[5/2]3(n=9.38)Rydberg序列自电离态，Kr原子4p<'5>(<'2>P<,1/2>)np'[3/2]<,2>(n=8.39)，[3/2]<,1>(n=8-34)，[1/2]<,1>(n=8-26)和 3p<'5>(<'2>P<,1/2>)nf'[5/2]<,3>(n=5-34)Rydberg序列自电离态，和Xe原子5p<'5>(<'2>P<,1/2>)np'[3/2]<,1>(n=7-28)，[1/2]<,1>(n=7-37)和5p<'5>(<'2>P<'1/2>)nf'[5/2]<,3>(n=4-31)Rydberg序列自电离态基于其亚稳态单光子跃迁的激发谱，通过分析光谱得到这些自电离态的能级与量子亏损数据，由此确定了自电离态更完整和精确的光谱数据，其中部分数据为首次获得； (2)对Ar原子3p<'5>(<'2>P<'1/2>)np'和3p<'5>(<'2>P<'1/2>)nf'序列，Kr原子4p<'5>(<'2>P<'1/2>)np'和4p<'5>(<'2>P<'1/2>)nf'序列以及Xe原子5p<'5>(<'2>P<'1/2>)np'和5p<'5>(<'2>P<'1/2>)nf'序列Rydberg自电离态的激发谱进行分析，确定其不对称光谱线形属于自电离共振态与连续态相互作用产生的Fano线形，首次系统地对Ar，Kr，Xe原子自电离态激发谱进行拟合得到系列的自电离共振态的能级位置，量子亏损δ，Fano线形因子q，共振宽度Г，共振态寿命τ和衰减宽度Г<,r>等参数。其中q，Г和τ与有效量子数n<*'>直接相关。 (3)根据对激发谱的数据分析得到Ar原子的3p<'5>np'Rydberg序列[3/2]<,2>，[3/2]<,1>和[1/2]<,1>自电离态的能级间距，Kr原子的4p<'5>np'Rydberg序列[3/2]<,2>，[3/2]<,1>和[1/2]<,1>自电离态的能级间距，以及Xe原子的5p<'5>np'Rydberg序列[3/2]<,1>和[1/2]<,1>自电离态的能级间距，根据精细结构间距的理论对之进行分析，与理论预测相符。 (4)观测到高分辨的无微扰的Ar原子3p<'5>nf'(n=13，14，15)序列，Kr原子4p<'5>nf'(n=13，14，15，16，17)序列，以及Xe原子5p<'5>nf'(n=11，12，13，14，15)序列在不同外电场强度条件下的Stark分裂光谱，根据简并微扰理论对其进行了分析。 (5)观测到清晰的Ar，Kr，Xe原子第一电离限<'2>P<,3/2>在不同外电场条件下的偏移，对其进行了合理的解释。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章引言

1.1原子物理学简介

1.2高激发原子

1.3高激发惰性气体原子光谱研究现状

参考文献

第二章原子高激发态基本理论介绍

2.1原子的高激发态

2.1.1原子的Rydbcrg态

2.1.2原子的自电离态

2.1.3原子的电子谱项和耦合类型

2.2原子自电离态的Fano线形

2.2.1自电离态谱线的不对称结构——Fano线形的定义

2.2.2 Fano线形的理论模型：

2.2.3 Fano线形各参数q，r，ξ，σa，σb的计算

2.3外电场中原子高激发态的Stark效应

2.3.1氢原子光谱在电场中的分裂

2.3.2非氢原子光谱在电场中的分裂

2.3.3原子光谱在电场中分裂的实验分析

参考文献

第三章实验方法

3.1实验方法和技术

3.1.1惰性气体亚稳态的产生方法

3.1.2超声射流冷却

3.1.3飞行时间质谱仪

3.2实验装置

3.2.1真空系统

3.2.2亚稳态原子产生装置

3.2.3激光光源系统

3.2.4飞行时间质谱仪

3.2.5信号检测系统

3.2.6时序控制系统

3.3实验仪器和条件

3.3.1仪器及样品

3.3.2采样条件

参考文献

第四章Ar自电离Rydberg态光谱研究

4.1引言

4.2研究现状

4.3实验

4.3.1实验装置

4.3.2实验条件

4.4结果与分析

4.4.1 3p5np'和3p5nf'自电离态归属

4.4.2 3p5np'和3p5nf'自电离态的线形分析

4.4.3 3p5np'自电离态的能级间距

4.4.4 3p5nf'自电离态在外电场中的Stark效应

4.4.5外电场中电离限的偏移

4.5结论

参考文献

第五章Kr自电离Rydberg态光谱研究

5.1引言

5.2研究现状

5.3实验

5.3.1实验装置

5.3.2实验条件

5.4结果与分析

5.4.1 4p5np'和4p5nf'自电离态归属

5.4.2 4p5np'和4p5nf'自电离态的线形分析

5.4.3 4p5np'自电离态的能级间距

5.4.4 4p5nf'自电离态在外电场中的Stark效应

5.4.5外电场中电离限的偏移

5.5结论

参考文献

第六章Xe自电离Rydberg态光谱研究

6.1引言

6.2研究现状

6.3实验

6.3.1实验装置

6.3.2实验条件

6.4结果与分析

6.4.1 5p5np'和5p5nf'自电离态归属

6.4.2 5p5np'和5p5nf'自电离态的线形分析

6.4.3 5p5np'自电离态的能级间距

6.4.4 5p5nf'自电离态在外电场中的Stark效应

6.4.5外电场中电离限的偏移

6.5结论

参考文献

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