應(yīng)用非飽和激發(fā)法測量鋰原子吸收截面的測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種原子吸收截面的測量裝置及方法，具體涉及一種應(yīng)用非飽和激發(fā) 法測量鋰原子吸收截面的測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光光譜學(xué)、原子激光法同位素分離等領(lǐng)域，原子能級間的吸收截面是非常重 要的參數(shù)?，F(xiàn)在測量吸收截面的主要方法是飽和激發(fā)法。飽和激發(fā)法是利用激光激發(fā)電離 原子，產(chǎn)生離子信號，在激光功率足夠大的情況下，激發(fā)電離過程可以達到飽和，測得離子 信號隨激光功率密度變化的曲線，利用離子信號的飽和值與線性區(qū)斜率值的比值計算吸收 截面。飽和激發(fā)法的優(yōu)點在于，截面值的大小與上下能級的自發(fā)輻射系數(shù)和飽和曲線的飽 和值與斜率值的比值有關(guān)，與光作用區(qū)的原子數(shù)密度和電離產(chǎn)生的離子數(shù)無關(guān)。
[0003] 但是在實際應(yīng)用中，很多時候由于需要測量的鋰原子上下能級位置間隔較遠，吸 收截面很小，比如低激發(fā)態(tài)到高里德堡態(tài)的吸收截面和低激發(fā)態(tài)的光電離截面，現(xiàn)有的激 光功率達不到飽和激發(fā)，無法獲得飽和離子信號，此時的截面測量就依賴于準(zhǔn)確測量位于 下能級的原子數(shù)和位于上能級的原子數(shù)或離子數(shù)。
[0004] 因此，為了在實驗上測量這些較小的截面，就需要對離子信號的定量測量和原子 密度通量進行定量測量，離子信號的定量測量是采用法拉第筒結(jié)合皮安計的方法對微小電 流信號進行定量測量，然后對時間積分得到的。原子密度通量的定量測量是利用原子吸收 光譜的多普勒效應(yīng)，測得真空中原子的漂移速度獲得的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點而提出的，其目的是提供一種應(yīng)用非飽 和激發(fā)法測量鋰原子吸收截面的測量裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明的原理是： 采用速率方程建立二能級系統(tǒng)光激發(fā)過程或光電離過程的動力學(xué)方程，推導(dǎo)出吸收截 面的計算公式。利用實驗測量的離子信號隨激光功率變化的曲線，配合實驗測得的原子數(shù) 與離子數(shù)，計算得到吸收截面。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種應(yīng)用非飽和激發(fā)法測量鋰原子吸收截面的測量裝置，包括連接高壓的高壓極板、 連接低壓且與高壓極板平行設(shè)置的柵網(wǎng)，離子流筒放置于柵網(wǎng)右側(cè)，離子流筒靠近柵網(wǎng)一 側(cè)端面形成離子流入口，另一側(cè)端面形成離子流出口，靠近離子流出口一端的離子流筒內(nèi) 部對稱設(shè)置有多塊極板，離子流筒形成離子流出口的端面外部安裝有法拉第筒，法拉第筒 的入口與離子流出口相對應(yīng)，法拉第筒與皮安計通過信號線連接，皮安計通過信號線與計 算機連接。
[0008] 所述離子流筒軸線與柵網(wǎng)垂直設(shè)置。
[0009] 所述柵網(wǎng)的方孔尺寸為26mm*16mm。
[0010] 一種應(yīng)用非飽和激發(fā)法測量鋰原子吸收截面的測量方法，包括以下步驟： (i) 根據(jù)所要測量的鋰原子吸收截面，確定其三步激發(fā)電離路徑； (ii) 結(jié)合激發(fā)路徑，建立速率方程，進而推導(dǎo)出鋰原子吸收截面測量的計算公式； (a) 結(jié)合激發(fā)路徑，建立速率方程；
式中叫和/?2分別為下能級和上能級的原子數(shù)，4和4分別為下能級和上能級的自發(fā) 輻射系數(shù)，％為下能級的受激吸收系數(shù)，呢為上能級的受激輻射系數(shù)； (b) 忽略能級簡并，則％=呢，令％=呢=r
式中：/為光子通量密度，由激光功率八周期r、脈寬光斑面積s和光子能量aK 決定，為原子吸收截面； (C)將式（2)求導(dǎo)后，將式（1)、（2)帶入求導(dǎo)公式，通過化簡，得到/72隨時間的變化，
推導(dǎo)出截面測量的計算公式：
式中：為初始時刻下能級上的原子數(shù)，由基態(tài)原子數(shù)％決定，巧需要通過測量過程 中產(chǎn)生的電離信號洗角定； (iii) 通過脈沖時序發(fā)生器調(diào)節(jié)激光之間的延時，構(gòu)造激發(fā)過程的二能級系統(tǒng)，實現(xiàn)激 發(fā)過程； (iv) 利用吸收光譜的多普勒效應(yīng)確定原子束的漂移速度^根據(jù)時間內(nèi)金屬原子 的失重及光與原子作用區(qū)的原子束直徑歷角定光與原子作用區(qū)的鋰原子密度P，
再由光與原子作用區(qū)的體積I求得光與原子作用區(qū)的原子數(shù)密度％，
飽和激發(fā)時，
由于前兩步激發(fā)過程，激發(fā)截面大，在小于1 mW的激光功率的情況下達到飽和，在此情 況下，
式中為光與原子作用區(qū)的原子數(shù)，M為阿伏伽德羅常數(shù)，P為原子密度，^為激光 作用區(qū)的體積，J偽鋰原子摩爾質(zhì)量，為△甜寸間內(nèi)的蒸發(fā)質(zhì)量，r為原子束飛行速度， 及為原子束的直徑，由束流孔決定； 由此，確定下能級的原子數(shù)凡1，將獲得的結(jié)果帶入式（6)，即可求得吸收截面 [0011] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明基于飽和激發(fā)法和離子信號、原子密度的定量測量，實現(xiàn)在低激光功率密度非 飽和激發(fā)情況下較低的原子電偶極躍迀截面測量，可以在低于0. lW/cm2的激光功率密度下 測得KT18cm2量級的截面，大大降低了對激光功率密度的要求。由于在光譜研宄中多普勒效 應(yīng)的測量和法拉第筒在實驗室內(nèi)容易實現(xiàn)，因此本發(fā)明可以立足于現(xiàn)有的激光器系統(tǒng)，對 較大范圍內(nèi)的截面進行測量，尤其是對低激發(fā)態(tài)到高里德堡態(tài)和低激發(fā)態(tài)的光電離過程的 截面測量有突出應(yīng)用。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明應(yīng)用非飽和激發(fā)法測量鋰原子吸收截面的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是截面測量脈沖時序示意圖； 圖3是里德堡態(tài)原子數(shù)/?2隨光子通量密度J的變化曲線。
[0013] 其中： 1高壓極板 2柵網(wǎng) 3離子流筒 4離子流入口 5咼子流出口 6極板 7法拉第筒 8皮安計 9計算機。
【具體實施方式】
[0014] 下面結(jié)合說明書附圖及實施例對本發(fā)明應(yīng)用非飽和激發(fā)法測量鋰原子吸收截面 的測量裝置及方法進行詳細說明： 如圖1所示，一種應(yīng)用非飽和激發(fā)法測量鋰原子吸收截面的測量裝置，包括連接高壓 的高壓極板1、連接低壓且與高壓極板1平行設(shè)置的柵網(wǎng)2,高壓極板1和柵網(wǎng)2組合形成 高壓脈沖電場；鋰原子束由高壓極板1和柵網(wǎng)2之間引入，離子流筒3放置于柵網(wǎng)2右側(cè)， 離子流筒3軸線與柵網(wǎng)2垂直設(shè)置，離子流筒3靠近柵網(wǎng)2 -側(cè)端面形成離子流入口 4,另 一側(cè)端面形成離子流出口 5,靠近離子流出口 5 -端的離子流筒3內(nèi)部對稱設(shè)置有多塊極板 6,對稱設(shè)置的多塊極板6形成偏轉(zhuǎn)整形電場；離子流筒3形成離子流出口 5的端面外部安 裝有法拉第筒7,法拉第筒7的入口與離子流出口 5相對應(yīng)，法拉第筒7與皮安計8通過信 號線連接，皮安計8通過信號線與計算機9連接。
[0015] 所述柵網(wǎng)2的方孔尺寸為26mm*16mm。
[0016] 一種應(yīng)用非飽和激發(fā)法測量鋰原子吸收截面的測量方法，包括以下步驟：（以測量 低激發(fā)態(tài)3s態(tài)到高里德堡態(tài)25p態(tài)的吸收截面為例詳細說明本發(fā)明測量方法） (i )根據(jù)所要測量的鋰原子吸收截面，確定其激發(fā)電離路徑； 激發(fā)電離路徑為2s 2S1/2-一2p 2P3/2一一3s 2S1/2一一25p 2P1/2,3/2的三步激發(fā)路徑制備 25p高里德堡態(tài)原子； (ii)結(jié)合激發(fā)路徑，建立速率方程，進而推導(dǎo)出鋰原子吸收截面測量的計算公式； (a)結(jié)合激發(fā)路徑，建立速率方程；
式中：巧和/?2分另U為下能級3s 2S1/2態(tài)和上能級25p 2P1/2,3/2態(tài)的原子數(shù)，次和為分另lj 為下能級3s 2S1/2態(tài)和上能級25p 2P1/2,3/2態(tài)的自發(fā)輻射系數(shù)，％為下能級3s 2S1/2態(tài)的受 激吸收系數(shù)，g為上能級25p 2P1/2,3/2態(tài)的受激福射系數(shù)；根據(jù)NIST (National Institute of Standards and Technology，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研宄院）上給出的數(shù)據(jù)，3s 2S1/2態(tài)的 自發(fā)輻射系數(shù)4=3. 47 X 107 s'
[0017] (b)忽略能級簡并，則％=g，令％=g=r
式中：/為光子通量密度，由激光功率八周期r、脈寬光斑面積$和光子能量ak決定，為原子吸收截面； (C)將式（2)求導(dǎo)后，將式（1)、（2)帶入求導(dǎo)公式，通過化簡，得到/72隨時間的變化，
推導(dǎo)出截面測量的計算公式：
式中：Aci為初始時刻下能級3s 2S1/2態(tài)上的原子數(shù)，由基態(tài)原子數(shù)％決