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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 所述离子流筒轴线与栅网垂直设置。
[0009] 所述栅网的方孔尺寸为26mm*16mm。
[0010] 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；
式中叫和/?2分别为下能级和上能级的原子数，4和4分别为下能级和上能级的自发 辐射系数，％为下能级的受激吸收系数，呢为上能级的受激辐射系数； (b) 忽略能级简并，则％=呢，令％=呢=r
式中：/为光子通量密度，由激光功率八周期r、脉宽光斑面积s和光子能量aK 决定，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/72随时间的变化，
推导出截面测量的计算公式：
式中：为初始时刻下能级上的原子数，由基态原子数％决定，巧需要通过测量过程 中产生的电离信号洗角定； (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^根据时间内金属原子 的失重及光与原子作用区的原子束直径历角定光与原子作用区的锂原子密度P，
再由光与原子作用区的体积I求得光与原子作用区的原子数密度％，
饱和激发时，
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，
式中为光与原子作用区的原子数，M为阿伏伽德罗常数，P为原子密度，^为激光 作用区的体积，J伪锂原子摩尔质量，为△甜寸间内的蒸发质量，r为原子束飞行速度， 及为原子束的直径，由束流孔决定； 由此，确定下能级的原子数凡1，将获得的结果带入式（6)，即可求得吸收截面 [0011] 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迀截面测量，可以在低于0. lW/cm2的激光功率密度下 测得KT18cm2量级的截面，大大降低了对激光功率密度的要求。由于在光谱研宄中多普勒效 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】
[0012] 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/?2随光子通量密度J的变化曲线。
[0013] 其中： 1高压极板 2栅网 3离子流筒 4离子流入口 5呙子流出口 6极板 7法拉第筒 8皮安计 9计算机。
【具体实施方式】
[0014] 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 -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 -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。
[0015] 所述栅网2的方孔尺寸为26mm*16mm。
[0016] 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 2S1/2-一2p 2P3/2一一3s 2S1/2一一25p 2P1/2,3/2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；
式中：巧和/?2分另U为下能级3s 2S1/2态和上能级25p 2P1/2,3/2态的原子数，次和為分另lj 为下能级3s 2S1/2态和上能级25p 2P1/2,3/2态的自发辐射系数，％为下能级3s 2S1/2态的受 激吸收系数，g为上能级25p 2P1/2,3/2态的受激福射系数；根据NIST (National Institute of Standards and Technology，美国国家标准与技术研宄院）上给出的数据，3s 2S1/2态的 自发辐射系数4=3. 47 X 107 s'
[0017] (b)忽略能级简并，则％=g，令％=g=r
式中：/为光子通量密度，由激光功率八周期r、脉宽光斑面积$和光子能量ak决定，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/72随时间的变化，
推导出截面测量的计算公式：
式中：Aci为初始时刻下能级3s 2S1/2态上的原子数，由基态原子数％决