应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置及方法，所述装置包括高压极板、栅网、离子流筒，安装于离子流筒端面外部的法拉第筒，与法拉第筒连接的皮安计和与皮安计连接的计算机。所述测量方法包括：确定其激发电离路径；推导出锂原子吸收截面测量的计算公式；构造激发过程的二能级系统，实现激发过程；确定下能级的原子数N

说明书

技术领域

本发明属于一种原子吸收截面的测量装置及方法，具体涉及一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置及方法。

背景技术

在激光光谱学、原子激光法同位素分离等领域，原子能级间的吸收截面是非常重要的参数。现在测量吸收截面的主要方法是饱和激发法。饱和激发法是利用激光激发电离原子，产生离子信号，在激光功率足够大的情况下，激发电离过程可以达到饱和，测得离子信号随激光功率密度变化的曲线，利用离子信号的饱和值与线性区斜率值的比值计算吸收截面。饱和激发法的优点在于，截面值的大小与上下能级的自发辐射系数和饱和曲线的饱和值与斜率值的比值有关，与光作用区的原子数密度和电离产生的离子数无关。

但是在实际应用中，很多时候由于需要测量的锂原子上下能级位置间隔较远，吸收截面很小，比如低激发态到高里德堡态的吸收截面和低激发态的光电离截面，现有的激光功率达不到饱和激发，无法获得饱和离子信号，此时的截面测量就依赖于准确测量位于下能级的原子数和位于上能级的原子数或离子数。

因此，为了在实验上测量这些较小的截面，就需要对离子信号的定量测量和原子密度通量进行定量测量，离子信号的定量测量是采用法拉第筒结合皮安计的方法对微小电流信号进行定量测量，然后对时间积分得到的。原子密度通量的定量测量是利用原子吸收光谱的多普勒效应，测得真空中原子的漂移速度获得的。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置及方法。

本发明的原理是：

采用速率方程建立二能级系统光激发过程或光电离过程的动力学方程，推导出吸收截面的计算公式。利用实验测量的离子信号随激光功率变化的曲线，配合实验测得的原子数与离子数，计算得到吸收截面。

本发明的技术方案是：

一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置，包括连接高压的高压极板、连接低压且与高压极板平行设置的栅网，离子流筒放置于栅网右侧，离子流筒靠近栅网一侧端面形成离子流入口，另一侧端面形成离子流出口，靠近离子流出口一端的离子流筒内部对称设置有多块极板，离子流筒形成离子流出口的端面外部安装有法拉第筒，法拉第筒的入口与离子流出口相对应，法拉第筒与皮安计通过信号线连接，皮安计通过信号线与计算机连接。

所述离子流筒轴线与栅网垂直设置。

所述栅网的方孔尺寸为26mm*16mm。

一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量方法，包括以下步骤：

（ⅰ）根据所要测量的锂原子吸收截面，确定其三步激发电离路径；

（ⅱ）结合激发路径，建立速率方程，进而推导出锂原子吸收截面测量的计算公式；

（a）结合激发路径，建立速率方程；

         （1）

          （2）

式中：n₁和n₂分别为下能级和上能级的原子数，A₁和A₂分别为下能级和上能级的自发辐射系数，W₁为下能级的受激吸收系数，W₂为上能级的受激辐射系数；

（b）忽略能级简并，则W₁=W₂，令W₁=W₂=W

         （3）

        （4）

式中：I为光子通量密度，由激光功率P、周期T、脉宽τ_l、光斑面积s和光子能量hν决定，σ为原子吸收截面；

（c）将式（2）求导后，将式（1）、（2）带入求导公式，通过化简，得到n₂随时间的变化，

          （5）

推导出截面测量的计算公式：

            （6）

式中：N₁₀为初始时刻下能级上的原子数，由基态原子数N₀决定，n₂需要通过测量过程中产生的电离信号S确定；

（ⅲ）通过脉冲时序发生器调节激光之间的延时，构造激发过程的二能级系统，实现激发过程；

（ⅳ）利用吸收光谱的多普勒效应确定原子束的漂移速度v，根据时间Δt内金属原子的失重Δm及光与原子作用区的原子束直径D确定光与原子作用区的锂原子密度ρ，

            （7）

再由光与原子作用区的体积V₁，求得光与原子作用区的原子数密度N₀，

      （8）

饱和激发时，

   （9）

由于前两步激发过程，激发截面大，在小于1 mW的激光功率的情况下达到饱和，在此情况下，

（10）

式中：N₀为光与原子作用区的原子数，N_A为阿伏伽德罗常数，ρ为原子密度，V₁为激光作用区的体积，M为锂原子摩尔质量，Δm为Δt时间内的蒸发质量，v为原子束飞行速度，D为原子束的直径，由束流孔决定；

由此，确定下能级的原子数N₁₀，将获得的结果带入式（6），即可求得吸收截面σ。

本发明的有益效果是：

本发明基于饱和激发法和离子信号、原子密度的定量测量，实现在低激光功率密度非饱和激发情况下较低的原子电偶极跃迁截面测量，可以在低于0.1W/cm²的激光功率密度下测得10^-18cm²量级的截面，大大降低了对激光功率密度的要求。由于在光谱研究中多普勒效应的测量和法拉第筒在实验室内容易实现，因此本发明可以立足于现有的激光器系统，对较大范围内的截面进行测量，尤其是对低激发态到高里德堡态和低激发态的光电离过程的截面测量有突出应用。

附图说明

图1是本发明应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置的结构示意图；

图2是截面测量脉冲时序示意图；

图3是里德堡态原子数n₂随光子通量密度I的变化曲线。

其中：

1  高压极板      2  栅网

3  离子流筒      4  离子流入口

5  离子流出口    6  极板

7  法拉第筒      8  皮安计

9  计算机。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置及方法进行详细说明：

如图1所示，一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置，包括连接高压的高压极板1、连接低压且与高压极板1平行设置的栅网2，高压极板1和栅网2组合形成高压脉冲电场；锂原子束由高压极板1和栅网2之间引入，离子流筒3放置于栅网2右侧，离子流筒3轴线与栅网2垂直设置，离子流筒3靠近栅网2一侧端面形成离子流入口4，另一侧端面形成离子流出口5，靠近离子流出口5一端的离子流筒3内部对称设置有多块极板6，对称设置的多块极板6形成偏转整形电场；离子流筒3形成离子流出口5的端面外部安装有法拉第筒7，法拉第筒7的入口与离子流出口5相对应，法拉第筒7与皮安计8通过信号线连接，皮安计8通过信号线与计算机9连接。

所述栅网2的方孔尺寸为26mm*16mm。

一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量方法，包括以下步骤：（以测量低激发态3s态到高里德堡态25p态的吸收截面为例详细说明本发明测量方法）

（ⅰ）根据所要测量的锂原子吸收截面，确定其激发电离路径；

激发电离路径为2s ²S_1/2——2p ²P_3/2——3s ²S_1/2——25p ²P_1/2,3/2的三步激发路径制备25p高里德堡态原子；

（ⅱ）结合激发路径，建立速率方程，进而推导出锂原子吸收截面测量的计算公式；

（a）结合激发路径，建立速率方程；

        （1）

      （2）

式中：n₁和n₂分别为下能级3s ²S_1/2态和上能级25p ²P_1/2,3/2态的原子数，A₁和A₂分别为下能级3s ²S_1/2态和上能级25p ²P_1/2,3/2态的自发辐射系数，W₁为下能级3s ²S_1/2态的受激吸收系数，W₂为上能级25p ²P_1/2,3/2态的受激辐射系数；根据NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准与技术研究院）上给出的数据，3s ²S_1/2态的自发辐射系数A₁=3.47×10⁷ s^-1。

（b）忽略能级简并，则W₁=W₂，令W₁=W₂=W

      （3）

     （4）

式中：I为光子通量密度，由激光功率P、周期T、脉宽τ_l、光斑面积s和光子能量hν决定，σ为原子吸收截面；

（c）将式（2）求导后，将式（1）、（2）带入求导公式，通过化简，得到n₂随时间的变化，

    （5）

推导出截面测量的计算公式：

    （6）

式中：N₁₀为初始时刻下能级3s ²S_1/2态上的原子数，由基态原子数N₀决定，n₂需要通过测量过程中产生的电离信号S确定。公式（6）中需要Iσ<< A₁,因此测量光子通量密度I<<1×10²³  cm^-2·s^-1。

因此实验中只要能够获得低功率下n₂随I的变化情况，就可以计算出吸收截面σ。

（ⅲ）通过脉冲时序发生器调节激光之间的延时，构造激发过程的二能级系统，实现激发过程。

对于基态与低激发态之间的跃迁，由于截面较大，在很低的激光功率水平下就能达到饱和激发，这样就可以确定二能级系统下能级布居的原子数的初始值。经过激光照射，基态的锂原子部分布居到里德堡态上。保持前两步激光功率不变，调节第三步激光的功率，利用电场电离高里德堡态并将产生的离子引出到法拉第筒，法拉第筒收集产生的离子信号，配合皮安计对离子信号进行定量测量。

如图2所示，通过调节脉冲时序控制器DG535，将激光脉冲的时间控制如下，前两步激发光λ₁、λ₂同时作用，使基态原子跃迁到3s ²S_1/2态上，第三步激光λ₃延后于前两步激光λ₁、λ₂，延时τ，τ=30 ns，使3s ²S_1/2态到25p ²P_1/2,3/2态激发过程为二能级系统，调节电场延后于第三步激光t，将场电离产生的离子引出收集。

（ⅳ）利用吸收光谱的多普勒效应确定原子束的漂移速度v，根据时间Δt内金属原子的失重Δm及光与原子作用区的原子束直径D确定光与原子作用区的锂原子密度ρ，

       （7）

再由光与原子作用区的体积V₁，求得光与原子作用区的原子数密度N₀，

     （8）

饱和激发时，

    （9）

由此，可以确定下能级3s ²S_1/2态上的原子数N₁₀。将获得的结果带入式（6），即可求得吸收截面σ。

由于前两步激发过程，激发截面大，在很低的激光功率（小于1 mW）的情况下达到饱和，实验中λ₁、λ₂的功率为10 mW，实现前两步的饱和激发，在此情况下，

（10）

式中：N₀为光与原子作用区的原子数，N_A为阿伏伽德罗常数，ρ为原子密度，V₁为激光作用区的体积，M为锂原子摩尔质量，Δm为Δt时间内的蒸发质量，v为原子束飞行速度，D为原子束的直径，由束流孔决定。

实施例：

经试验测得：

原子束飞行速度v=1098.21 m/s，

原子束直径D=10.75 mm，

Δt=2.25 h，

Δm=0.23 mg，

V₁=9.42 mm³，

已知N_A=6.02×10²³ 个/mol，

M=6.92 g/mol，

τ=30 ns，

A₁=3.47×10⁷ s^-1，

代入式（8）中，计算得到N₀=2.34×10⁸ 个，

再代入式（9）中计算的N₁₀=2.07×10⁷ 个。

调节激光功率，测量25p态场电离信号S随第三步光子通量密度I变化的曲线。当电场强度超高25p态原子的电离阈值时，原子电离几率接近100%，因此可以通过测量电离信号S，确定25p态上的原子数n₂。

实验中测得如图3所示的n₂-I的变化曲线。

根据式（6）应选取I<<1×10²³  cm^-2·s^-1，本实施例选取I<1×10²¹  cm^-2·s^-1，计算得到= 9.40×10^-17 个·cm²·s，

已知激光脉宽τ_l=30 ns，

A₁=3.47×10⁷ s^-1，

经上述计算得到N₁₀=2.07×10⁷，

将以上数据带入式（6），

计算得到3s ²S_1/2——25p ²P_1/2,3/2态的截面σ=2.44×10^-16 cm^-2 。

根据Shahid Hussain等人的《离散态和连续态锂元素振子强度测量》（2007年）计算得到3s ²S_1/2到25p ²P_1/2,3/2的截面值为2.61×10^-16 cm²  。实验测量值与参考文献值结果如表1所示，二者的相对误差为6.97%，这证明利用该方法可以在低激光功率非饱和激发条件下有效测得原子的吸收截面。

表1 锂原子3s ²S_1/2——25p ²P_1/2,3/2态吸收截面测量值与文献值