Способ атомно-флуоресцентной спектроскопии и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано в спектральных исследованиях ультрамалых количеств атомов. Целью изобретения является повышение абсолютной чувствительности и экспрессности способа. Способ заключается в импульсном формировании атомного пучка из исследуемого вещества, возбуждении резонансной флуоресценции лазерным излучением и определении резонансных частот атомов по их времени пролета от образца до зоны взаимодействия с лазерным излучением. Устройство содержит формирователь атомного пучка, перестраиваемый по частоте лазер, вакуумную камеру взаимодействия атомов с лазерным излучением, систему регистрации, импульсный лазер с системой проводки и фокусировки, строб-генератор и измеритель временных интервалов. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„,SU„„1553888

А1 (51)5 G 01 И 21/64

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTGPCHO5AV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР! (21 ) 4421487/31-25 (22) 11,05,88 (46) 30.03.90. Бюл, Р 12 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) 10.П.Гангрский, С.Г.Земляной, Б,Н.Марков и И,Н,Изосимов (53) 535.372 (088,8) (56) Novicki G, et al. Ипс1еаг Charge Radio and Nuclear Moments of Neutron Deficient Ба — Isotopes from

High Resolution Laser Spectroscopy. — Phys, Rev. 1978, т. С18, р. 2369.

Anton К.-R et al. Collinear laser spectroscopy on fast atomic beams. - Phys. Rev. Lett 1978, v. 40, р,642, (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ АТОМНО-ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к флуоресцентной спектроскопии атомов высокого разрешения с использованием лазерного излучения и может найти применение в различных областях науки к техники как для измерения различных спектральных характеристик атомов (сверхтонкая структура,изотопкческие сдвиги и др.), доступных лишь в ультрамалых количествах,так и для детектирования таких количеств атомов в образцах и определения их элементного и изотопического состава, (57) Изобретение может быть использовано в спектральных исследованиях ультрамалых количеств атомов, Целью изобретения является повышение абсолютной чувствительности и экспрессности способа. Способ заключается в импульсном формировании атомного пучка из исследуемого вещества,возбуждении резонансной флуоресценцин лазерным излучением и определении .резонансных частот атомов по их времени пролета от образца до зоны взаимодействия с лазерным излучением, Устройство содержит формирователь атомного пучка, перестраиваемый по частоте лазер, вакуумную камеру взаимодействия атомов с лазерным излучением,систему регистрации, импульсный лазер с системой проводки и фокусировки, строб-генератор и измеритель временных интервалов. 2 с.п. ф-лы, 2 ип.

Цель изобретения — повышение абсолютной чувствительности и экспрессности измерений.

На фиг.1 изображены регистрируемые резонансные линии; на фиг. 2— блок-схема устройства, реализующего способ.

Сущнос1ь способа состоит в следующем, Атомизацию вещества образца производят в вакууме мощньии короткими. (Еидщ 50 мдж с мнп 10 нс) импульсами лазерного излучения, Из об- разовавшегося плазменного сгустка

1553888

15

25

55 при его последующем гидродинамическом разлете и рекомбинации с помощью, системы диафрагм формируют импульсяын атомныи пучок, которыи направляется в зону взаимодействия, где пересекается под неболыпим углом лазерным излучением с длиной волны, зафиксированной вблизи выбранного атомного перехода.

Поскольку процесс испарения эанимает несколько сот наносекунд и при достаточно большом расстоянии от образца до зоны взаимодействия его можно считать мгновенным, а также поскольку разброс скоростей атомов в пучке достаточно велик (соответствую, щая ширина допплеровского контура

15 ГГц по уровню 0 1) то при пропете атомов через зону взаимодействия с лазерным излучением будет происходить селекция их по скоростям, т,е, !, будут возбуждаться только те атомы, ( которые имеют проекцию скорости на, направление лазерного пучка и резонансную частоту, соответствующие частоте, йа которую настроен лазер: е3 1 одоп е Е«и спектраль ная линия имеет несколько компонент, скрытых в донплеровском контуре, то и в спектре скоростей возбужденных атомов будет несколько компонент (фиг,1). Таким образом, регистрируя сигнал флуоресценции, возникающий .при разрядке возбужденного состояния за время порядка 10 - 10 с, в зависимости от времени с момента испарения, снимают спектр скоростей атомов, который в пределах допплеровского контура полностью соответствует структуре спектральной линии:

И

h) = — — — —, при этом частота иэлу па чения лазера в процессе измерения . не меняется, Обычно устройство, реализщпцее лазерно-флуоресцентный способ анализа вещества с неизменной частотой излучения лазера, возбуждающего резонансную флуоресценцию, состоит иэ системы атомизации и ионизации образца, системы сканирования скорости ионов в пучке, нейтрализатора ионов„ вакуумной камеры взаимодействия,перестраиваемого лазера на краси еле и системы регистрации резонансной флуоресценции, Устройство для осуществления предлагаемого способа наряду с элемента- I ми, содержащимися в известном устройстве (формирователь атомного пучка, перестраиваемый по частоте лазер,камера взаимодействия и система регистрации),дополнительно содержит импульсный лазер для атомизации вещества и формирования импульсного атомного пучка, систему проводки и фокусировки лазерного излучения на образец, строб-генератор, связанный с испаряющим лазером и системой регистрации, и измеритель временных интервалов, управляющий накопителем информации.

Устройство (фиг,2) содержит вакуумную камеру 1 взаимодействия, формирователь 2 атомного пучка с образцом, импульсный лазер 3, непрерывный перестраиваемый по частоте лазер 4 на красителе с активной стабилизацией частоты и лазером 5 накачки, стробгенератор 6, измеритель 7 временных интервалов, систему 8 регистрации, накопитель информации и ФЭУ 9 с интерференционным фильтром и целевой диафрагмой, линзу 10 зеркало 11, Устройство работает следующим образом.

Непрерывный лазер на красителе 4 предварительно настраивают на частоту, близкую к резонансной для выбранного атомного перехода, так, чтобы отстройка не превышала полуширины допплеровского контура. Затем производится запуск импульсного испаряющего лазера 3 (s моноимпульсном или частотном режиме). Одновременно с импульсом излучения лазера запускается строб-генератор 6, который вырабатывает строб с регулируемой задержкой и длительностью, отпирающий систему регистрации только к моменту подлета атомного сгустка к зоне взаимодействия с резонансным лазерным излучением. Момент запуска лазера фиксирует также измеритель 7 временных интервалов. Пролет атомов различных изотопов исследуемого вещества через зону взаимодействия и испытывающих резонансное возбуждение будет происходить в различные моменты времени (так как в резонансе должно выполняться соотношение ; + доп

= „п, где 1; — резонансная частота

i-го изотопа), Этот момент также фиксируется измерителем временных интервалов. Таким образом, в накопитель будет поступать информация о величине сигнала флуоресценции и о времегде И „„ — минимально необходимое число атомов в испарителе для записи неискаженного спектра; ,То — минимальный регистрируемый постоянный поток атомов, покидающих испаритель, 35

В случае же многоканальной регистрации, какой является запись спектрапо времени пролета, необходимость 40 в выполнении этого соотношения отпа" дает, так как регистрация по всем компонентам спектральной структуры идет "одновременно" относительно момента испарения и изменения числа испарившихся атомов от импульса .к импульсу не искажают соотношения спектральных компонент, а числа ис.паряющихся за один импульс атомов (до 10 ) при приведенных вьине характеристиках лазера в принципе достаточно для записи спектра за один импульс испарения. Кроме того, пред5 .1553 ни его появления от момента испарения вещества, т.е. будет записываться время — пролетный спектр, который при известном скоростном распределении атомов в пучке может быть преобразован в обычный спектр, Предложенный способ позволяет расширить возможности лазерной атомно-флуоресцентной спектроскопии—

10 проводить запись бездопплеровского спектра эа более короткое время (в г пределе - за один импульс испаряюще- го лазера и время, не превышающее

1-10 с, традиционная запись спектра

Ф длится не менее 10 с), работать с минимальным количеством вещества, по крайней мере в 10 раз меньшим,чем в традиционном способе (тем самым повышая абсолютную чувствительность .в 10 раз), из-за того, что при обычной одноканальной регистрации для за" писи неискаженного спектра необходимо, чтобы за время одного сканирования (t „ „ ) поток атомов через зону 25 взаимодействия не изменялся, т.е, чтобы выполнялось соотношение t д< «(<(t, „,„, и, следовательно, МИН вЂ” О СКАН 9

888 б ложенный способ позволяет проводить локальный анапиз образцов с минимальным размером исследуемой области, определяемой размером пятна фокусировки испаряющего лазера. и о р м у л а и э о б р е т е н и я

1. Способ лазерной атомно-фпуоресцентной спектроскопии, включающий

М формирование атомного пучка из исследуемого вещества в вакууме, возбуждение резонансной флуоресценции в атомном пучке с помощью лазерного возбуждения с фиксированной в процессе измерения частотой и регистрацию сигнала флуоресценции, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения абсолютной чувствительности и зкспрессности измерений, атомизацию вещества производят импульсно,формируя импульсный атомный пучок,а определение резонансных частот флуоресценции атомов производят по их времени пролета образца до зоны взаимодействия с лазерным излучением.

2. Устройство лазерной атомнофлуоресцентной спектроскопии,содержащее формирователь атомного пучка, перестраиваемый по частоте лазер,вакуумуную камеру, систему регистрации флуоресцентного сигнала, о т— личающееся тем,что,с целью повьппения абсолютной чувствительности и экспрессности измерений, в него введен дополнительно импульсный лазер для атомизации вещества и формирования импульсного атомного пучка, система для фокусирования пучка на образец, строб-генератор, измеритель временных интервалов и система для регистрации резонансно рассеянного лазерного излучения, при этом вход строб-генератора связан с импульсным лазером, выход измерителя временных интервалов связан с входом ,системы регистрации резонансно рассеянного лазерного излучения, а вхо-, ды измерителя временных интервалов— с выходами строб-генератора и системы регистрации флуоресцентного сигнала соответственно, 1553888

Составитель F,ØHðîêîâ

Техред М,Дидык Корректор О,Ципле

Редактор А.Маковская

Заказ 453

Тираж 511

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, R-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101