碱土金属原子的高效率探测方法技术

本发明专利技术公开了一种碱土金属原子的高效率探测方法。该方法利用共振电离的手段来探测处于高激发态的碱土金属原子。用一台Ｎｄ：ＹＡＧ激光器同时泵浦三台染料激光器，先用两台染料激光照射碱土金属原子束，制备出处于不同ｎ和ｌ值的高激发态上的原子样品，然后用第三台染料激光将原子通过自电离过程而电离。利用自电离比常规光电离大得多的电离几率，对高激发原子进行高效率的探测。本发明专利技术是适合于高激发碱土金属原子的非常有效的探测手段，它克服了电场电离探测方法和光电离探测方法的缺陷，因而无论对于具有高ｎ值或低ｎ值的Ｒｙｄｂｅｒｇ原子都具有很高的探测效率。自电离探测方式与其它的常规探测方法相比，具有明显的优点。该探测方法适用于所有的碱土金属原子。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利涉及一种探测技术，特别是一种。技术背景随着激光光谱技术在光化学、同位素分离、大气监测等领域应用的不断深入，需要对处于高激发态的原子和分子进行探测，并对探测的分辨率和灵敏度提出了越来越高的要求。传统探测方法(如吸收光谱、共振荧光光谱、光声光谱、光电流光谱和电场电离光谱)由于探测效率和分辨率等方面的约束，无法满足高激发态研究的需求。对于一些处于低激发态的原子和分子进行探测，比较有效的方式是采用荧光探测方法收集所辐射的光子信号，而对于处于高激发态的原子和分子，由于其寿命较长，辐射光子的速率较低，因而收集它们的电离产物—电子和离子更加合理。其原理是先用激光激发碱土金属原子，制备出处于Rydberg态的原子样品，然后采用适当方法使原子电离。通过探测电离产生的离子或电子，便可获得光激发和原子能态的重要信息。由于激光激发可以保证探测的灵敏度和选择性，而作为探测器的电子倍增装置又具有很高的增益，所以离子或电子可被高效率的收集和探测，因而共振激发和电力技术具有极高的探测效率，可实现单原子探测。常用的电离方式有场电离和光电离等。两者各有优缺点，其中外加电场电离适用于寿命较长的高激发Rydberg态，缺点是对于处于较低Rydberg态上的原子，需要极高的电场才能使之电离。而用光电离方法可以探测到场电离所无法探测到的较低Rydberg态，但常规的直接光电离过程为非共振跃迁，其激发截面仅为10-20cm2，导致探测效率较低。若要提高探测效率，则必须提供很强的激光能量。
技术实现思路
本专利技术目的是为解决现有的探测原子的技术所存在的效率低，适应面窄，不容易操作，对激光器的功率水平要求高等缺点和问题，而提出一种利用共振电离的概念开发出的高激发。为实现专利技术目的，本专利技术公开了一种。其特征在于包括以下步骤(1)通过电阻的焦耳热方法将置于坩埚中的高纯度的碱土金属在真空环境中加热到580-630摄氏度，使金属蒸气从坩埚的直径为1-2mm的小孔喷射出，经过两个光阑的准直使金属蒸气成为平行度在8-12度之间的原子束；(2)用一台Nd:YAG激光器泵浦的第一台染料激光照射原子束，并调谐它的波长使原子由基态ms21S0跃迁到msmp1P1态；其中对于镁，钙，锶，钡金属原子而言，m值分别取3，4，5，6(以下都是如此)；(3)用同一台Nd:YAG激光器泵浦的第二台染料激光照射原子束，并在750-420nm之间扫描它的波长，将原子由msmp1P1态分别激发到msnlRydberg态，其中n＝7-50，l＝0或2，制备出处于相应原子态的高激发原子的样品；(4)用同一台Nd:YAG激光器泵浦的第三台染料激光器照射原子束，将原子从msnl态进一步共振激发到mp3/2nl自电离态或mp1/2nl自电离态；(5)用一个电场强度为200V/cm的脉冲电场收集经自电离过程所产生的离子，并把离子导入到一只增益为106的微通道板(MCP)探测器内进行接收和放大；(6)探测器的输出信号分别输入到一台示波器和一台Boxcar平均积分器中。前者用于观测信号大小和位置，后者将10-20个脉冲信号取样平均，再经过模数转换后，输入到计算机中进行实时显示和分析处理。本专利技术的有益效果本专利技术是一种适合于高激发原子的非常有效的探测手段。因为它同时克服了电场电离探测方法和光电离探测方法的缺陷，因而无论对高或低Rydberg原子均有很高的探测效率。自电离探测方式与其它的常规探测方法相比，具有明显的优点。该探测方法适用于所有的碱土金属原子。本专利技术利用共振电离的手段来探测处于高激发态的原子。它通过三步共振激发，使原子到达mpnl自电离态，其激发截面可达10-14cm2。处于自电离态的原子通过两个受到激发的价电子间的碰撞和能量交换而迅速衰变为离子，从而实现对原子的探测，以获取微观世界的信息。附图说明图1是钡原子6p1/217d自电离态的光谱；图2是多个6p1/2ns自电离态的光谱；图3是用两种不同光电离探测方式获得的Ba原子Rydberg态光谱；图4是用自电离探测方法探测到的Rydberg态光谱。具体实施方式本专利技术使用的设备包括用于泵浦染料激光器的Nd:YAG脉冲激光器，波长可调谐并稳定在原子吸收峰上的三台可调谐染料激光器，可以准确控温的原子加热真空炉一台，可产生准直度很高的原子束系统，对带电粒子响应快、灵敏度高的微通道板探测器一套，能够对光脉冲和电脉冲的时间顺序和延迟精确控制的光学延迟器和电学脉冲延迟器各一台，对脉冲信号能进行积分和平均的平均积分仪一台，一套对所有电光器件进行控制和扫描并能实现数据通讯的计算机数据采集和分析系统。本专利技术涉及的技术包括激光调试技术、激光的倍频与和频技术、原子蒸气的成束技术、原子的孤立实激发技术、高激发原子的样品制备技术、光脉冲和电脉冲的时间顺序和延迟的精确控制技术、光束合成和准直技术、提高微通道板探测器的信噪比的控制技术等。本专利技术利用的原子自电离光谱若不采用孤立实激发技术，原子的自电离光谱呈现非对称的Fano线形，其峰值位置和宽度难以确定。若采用孤立实激发技术，避免了原子的两个价电子之间的激发干涉现象，使原子的自电离光谱呈现出对称的Lorentz线形，其峰值位置和宽度容易确定，从而便于第三步激发光波长的定位，当激发效率达到最大时，对应于原子探测的效率最高。本专利技术的激发技术为多步孤立实激发技术调谐第一台激光的波长使原子由基态ms21S0跃迁到msmp1P1态，然后用第二台染料激光器将原子由msmp1P1态激发到msnl(l＝0，2)Rydberg态，其中n＝7-50，对应的激光波长在750-420nm之间。由于nl电子处在大轨道上，它与仍处于小轨道上的ms实电子相距很远，所以实际上已经把原子实孤立了起来。用第三台染料激光器将原子进一步共振激发到mp3/2nl或mp1/2nl自电离态上。这两种不同的自电离态提供了两种等效的激发方案，对于钡原子，对应的第三台激光的波长为两个范围455-457nm或493-495nm。孤立实激发技术是高激发原子的高效率探测技术的基础，对于整体的探测效率起重要作用。本专利技术中高激发原子样品的制备需要准确控制加热坩埚的温度，将高纯度(99.5％以上)的金属在高真空(真空度为10-4Pa)环境中加热到580-630摄氏度，使金属蒸气从坩埚侧面的直径为2mm的小孔喷射出来。经过两个光阑的准直使金属蒸气成为准直度很高(平行度介于8-12度之间)的原子束。第一台激光器与第二台激光器的光束相平行，从真空室的前窗口入射；第三台激光器的光束与它们反平行并从后面的窗口入射；三个光束在同一直线上，并于原子束方向相垂直。控制原子束与三束激光束正交是为了基本消除Doppler加宽效应，保证对原子高激发态的高分辨率探测。当原子束受到前二束激光的依次照射后，便制备出了高激发原子的样品。本专利技术利用的原子的自电离探测用第三台染料激光器将制备好的处于msnl态的高激发原子进一步共振激发到mp3/2nl或mp1/2nl自电离态上。原子将通过自电离迅速变为离子，从而被微通道板探测器所探测。原子通过上述两种不同的自电离态都能实现高效率的电离，因而提供了两种等效的激发方案。对应这两种激发方案，第三台激光的波长可在两个范围内取值。对于钡原子而言，它们是455-457本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于包括以下步骤：（１）通过电阻的焦耳热方法将置于坩埚中的高纯度的碱土金属在真空环境中加热到５８０－６３０摄氏度，使金属蒸气从坩埚的直径为１－２ｍｍ的小孔喷射出，经过两个光阑的准直使金属蒸气成 为平行度在８－１２度之间的原子束；（２）用一台Ｎｄ：ＹＡＧ激光器泵浦的第一台染料激光照射原子束，并调谐它的波长使原子由基态ｍｓ↑［２］［１］↑Ｓ↓［０］跃迁到ｍｓｍｐ↑［１］Ｐ↓［１］态；（３）用同一台Ｎｄ：ＹＡＧ激光器泵浦 的第二台染料激光照射原子束，并在７５０－４２０ｎｍ之间扫描它的波长，将原子由ｍｓｍｐ↑［１］Ｐ↓［１］态分别激发到ｍｓｎｌＲｙｄｂｅｒｇ态，其中：ｎ＝７－５０，ｌ＝０或２，制备出处于相应原子态的高激发原子的样品；（４）用同一台Ｎ ｄ：ＹＡＧ激光器泵浦的第三台染料激光器照射原子束，将原子从ｍｓｎｌ态进一步共振激发到ｍｐ↓［３／２］ｎｌ自电离态或ｍｐ↓［１／２］ｎｌ自电离态；（５）用一个电场强度为２００Ｖ／ｃｍ的脉冲电场收集经自电离过程所产生的离子，并把离子导入 到一只增益为１０↑［６］的微通道板（ＭＣＰ）探测器内进行接收和放大；（６）探测器的输出信号分别输入到一台示波器和一台Ｂｏｘｃａｒ平均积分器中。前者用于观测信号大小和位置，后者将１０－２０个脉冲信号取样平均，再经过模数转换后，输入到计 算机中进行实时显示和分析处理。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴长建，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]