定，/?2需要通 过测量过程中产生的电离信号洗角定。公式（6)中需要/0〈〈 乂，因此测量光子通量密度 /<<1 X 1023 cm 2 ? s
[0018] 因此实验中只要能够获得低功率下/?2随J的变化情况，就可以计算出吸收截面 〇〇
[0019] (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。
[0020] 对于基态与低激发态之间的跃迀，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。
[0021] 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A、七同时作用，使基态原子跃迀到3s 2S1/2态上，第三步激光延后于前两步 激光1、，延时r，r=30 ns，使3s 2S1/2态到25p 2P1/2,3/2态激发过程为二能级系统，调 节电场延后于第三步激光（，将场电离产生的离子引出收集。
[0022] (iv)利用吸收光谱的多普勒效应确定原子束的漂移速度r，根据时间A (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，
由此，可以确定下能级3s 2S1/2态上的原子数。将获得的结果带入式（6)，即可求得 吸收截面
[0023] 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A、A的功率为1〇 mW，实现肖U两步的饱和激发，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。
[0024] 实施例： 经试验测得： 原子束飞行速度f1〇98. 21 m/s， 原子束直径决1〇. 75 mm， At=2.25 h? A ^=0. 23 mg， h=9. 42 mm3， 已知 M=6. 02X 1023 个/mol， i^6. 92 g/mol， r=30 ns， ^=3. 47X 107 s'1, 代入式（8)中，计算得到％=2. 34X 108个， 再代入式（9)中计算的AF2.07X 107个。
[0025] 调节激光功率，测量25p态场电离信号5?第三步光子通量密度瘦化的曲线。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5；确定25p态上的原子数/? 2。
[0026] 实验中测得如图3所示的/72-J的变化曲线。
[0027] 根据式（6)应选取 J〈〈1 X 1023 cnT2 ? s'本实施例选取 J〈1X1021 cnT2 ? s'计 算得到=9. 40X 1(T17 个? cm2 ? s， 已知激光脉宽r7=30 ns， ^=3. 47X 107 s_1, 经上述计算得到A〇=2. 〇7X 107， 将以上数据带入式（6)， 计算得到 3s 2S1/2--25p 2P1/2,3/2态的截面 <7 =2. 44X 10 16 cm 2。
[0028] 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 2S1/2到25p 2P1/2,3/2的截面值为2. 61 X 1(T16 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。
[0029] 表1锂原子3s 2S1/2-一25p 2P1/2,3/2态吸收截面测量值与文献值
【主权项】
1. 一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置，其特征在于：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)，离子流筒（3)放置于栅 网（2 )右侧，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)，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。2. 根据权利要求1所述的一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置，其 特征在于：所述离子流筒（3)轴线与栅网（2)垂直设置。3. 根据权利要求1所述的一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置，其 特征在于：所述栅网（2)的方孔尺寸为26mm*16mm。4. 应用权利要求1所述一种应用非饱和激发法测量锂原子吸收截面的测量装置的测 量方法，其特征在于：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) 式中叫和/?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，令ttr(3) (4) 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A K 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/?随时间的变化，(5) 推导出截面测量的计算公式：(6) 式中：Λ。为初始时刻下能级上的原子数，由基态原子数％决定，需要通过测量过程 中产生的电离信号Λ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r，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，(7) 再由光与原子作用区的体积t求得光与原子作用区的原子数密度％，(8) 饱和激发时，(9) 由于前两步激发过程，激发截面大，在小于I 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△ ?时间内的蒸发质量，r为原子束飞行速度， /?原子束的直径，由束流孔决定； 由此，确定下能级的原子数Λ。，将获得的结果带入式（6)，即可求得吸收截面
【专利摘要】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N10，求得锂原子吸收截面。本发明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，对于锂原子3s态到25p态的激发过程，利用该方法，在低于0.1W/cm2的激光功率密度就可以测得其吸收截面，截面值为10-18cm2量级，这大大降低了对激光功率密度的要求。
【IPC分类】G01T1/34
【公开号】CN104898154
【申请号】CN201510341744
【发明人】王鹏, 柴俊杰, 王亮
【申请人】核工业理化工程研究院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月19日