CN114554672A - 一种亚稳态氪原子束流制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于亚稳态稀有气体原子制备技术领域，涉及一种亚稳态氪原子束流制备装置。本发明装置包括真空系统、氪气输送装置、放电激励装置和激光器，其中真空系统包括放电腔和光激发腔。在放电腔中，一部分氪原子直接被放电激发到亚稳态，一部分氪原子利用放电产生的真空紫外光和激光器提供的激光被光激发到亚稳态，形成了水平方向的亚稳态氪原子束流，同时为光激发腔提供了真空紫外光和激光。在光激发腔中，一部分氪原子被光激发到亚稳态，形成了竖直方向的亚稳态氪原子束流。通过调节流量控制器的状态和819.2nm的激光功率可以改变亚稳态氪原子束流强度。光激发采用无窗片结构设计，去除了窗片污染，提高了亚稳态氪原子束流强度与束流稳定性。

Description

一种亚稳态氪原子束流制备装置

技术领域

本发明属于亚稳态稀有气体原子制备技术领域，具体地，涉及一种通过放电激发和光激发方法同时在两个方向上产生亚稳态氪原子束流的制备装置。

背景技术

原子阱痕量分析(Atom Trap Trace Analysis，ATTA)是一种基于激光冷却的痕量放射性同位素探测技术，通过特定频率的激光将待测放射性同位素原子减速，利用磁光阱将原子俘获，利用激光诱导荧光的方法探测原子荧光信号，可以实现单原子水平的计数，具有同位素选择性高、检测灵敏度高、样品用量小、检测时间短等优势，广泛应用于地下水样品年代断定、洋流和大气循环研究以及核安全检测等领域。

为了利用激光对待测放射性同位素原子进行操控，需要先将原子激发到亚稳态，对氪原子进行检测时，需要将其激发到2P_3/25s[3/2]₂态，能级寿命约为40s。目前常采用射频放电或微波的方法激发产生亚稳态氪原子，放电激发方法的主要存在4个方面的问题：一是激发效率较低，仅为0.1％，是目前限制原子阱痕量检测系统检测效率的最大因素；二是存在样品间交叉污染的问题，在每次测量样品后需要对系统进行长时间地清洗，限制了系统的检测速度；三是对气体原子有加热效应，导致原子束发散角增大，不利于后续原子束流控制；四是需要在一定气压下才能稳定工作，限制了系统的样品用量。

采用光激发的方法产生亚稳态氪原子，理论激发效率高，不受气压条件的限制，不存在交叉污染和加热效应的问题，能够提升系统检测效率、降低样品用量、提高检测速度。但是，亚稳态氪原子的光激发方法需要波长为123.6nm真空紫外光，而氪的紫外灯受到气体杂质和氟化镁窗片污染问题的影响，寿命较短，限制了其在原子阱痕量检测系统上的应用。

发明内容

本发明的目的在于解决气体放电方法制备亚稳态氪原子束流方法存在的激发效率低的问题，以及光激发方法存在的真空紫外光强度低、寿命短的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种亚稳态氪原子束流制备装置，包括真空系统、氪气输送装置、放电激励装置和激光器。其中，所述真空系统包括真空泵和真空管路，所述真空泵用于抽取所述真空管路中气体，所述真空管路包括放电腔和光激发腔，所述放电腔和所述光激发腔互相交叉穿过，所述放电腔和所述光激发腔的交叉部为所述放电腔和所述光激发腔的公共区域；

所述氪气输送装置将氪气分别输送到所述放电腔和所述光激发腔；

所述放电激励装置用于激励所述放电腔中的气体产生低压气体放电；

所述放电腔在入口端设置氪气进气口和通光窗片，所述放电激励装置使所述放电腔中发生低压气体发生放电，低压气体发生放电直接激发一部分氪原子成亚稳态氪原子，形成了沿放电腔腔体方向的第一亚稳态氪原子束流，低气压放电还产生波长为123.6nm的真空紫外光子；

所述激光器产生波长为819.2nm的激光，通过所述通光窗片进入所述放电腔，在放电腔中所述真空紫外光子和所述激光共同作用激发所述放电腔中的氪原子成亚稳态氪原子，进一步增加第一亚稳态氪原子束流强度；所述真空紫外光子和所述激光通过所述放电腔和所述光激发腔的交叉部进入光激发腔，在光激发腔中，部分氪原子被所述真空紫外光子和所述激光器共同作用激发成亚稳态氪原子，形成了沿光激发腔腔体方向的第二亚稳态氪原子束流。

进一步的，所述真空管路放电腔的工作气压为20Pa。

进一步的，所述放电腔的入口端设置真空法兰盘，真空法兰盘中间设置通光窗片，通光窗片旁边设置氪气进气口。

进一步的，所述氪气输送装置包括氪气瓶、第一质量流量控制器和第二质量流量控制器，氪气从氪气瓶经第一质量流量控制器输送到所述放电腔，经第二质量流量控制器输送到所述光激发腔。

进一步的，通过调节第一质量流量控制器和第二质量流量控制器的状态，改变真空系统中的气压以及氪气的进气量和进气速度，进而控制第一亚稳态氪原子束流强度和第二亚稳态氪原子束流强度。

进一步的，所述激光器的功率可变，通过改变激光器的功率进而改变第一亚稳态氪原子束流强度和第二亚稳态氪原子束流强度。

进一步的，所述放电激励装置包括激励源、功率放大器、线圈，激励源产生的激励信号经功率放大器放大后输入所述线圈；所述线圈缠绕在所述放电腔的外部，所述线圈外设置屏蔽层，所述线圈收到所述放大激励信号后，使所述放电腔中发生低压气体发生放电。

进一步的，所述线圈外设置屏蔽层。

进一步的，所述激励源是射频源或微波源。

进一步的，所述放电腔和所述光激发腔相互垂直。

本发明能产生的有益效果：

1)本发明提供的亚稳态氪原子束流制备装置利用质量流量控制器分别控制两路氪的进气参数，采用放电的方法在第一方向上产生亚稳态氪原子束流，并产生波长为123.6nm的真空紫外光，利用激光器提供波长为819.2nm的激光，将氪原子通过光激发的方法激发到亚稳态，在第二方向上产生亚稳态氪原子束流，通过调节质量流量控制器和波长为819.2nm的激光功率可以调节亚稳态氪原子束流强度。

2)本发明提供的亚稳态氪原子束流制备装置同时采用放电激发和光激发方法，在两个方向上同时提供了亚稳态氪原子束流，提高了亚稳态氪原子激发效率和束流强度，有利于提高原子阱痕量检测系统的检测效率、减小样品用量、提高检测速度。

附图说明

图1是亚稳态氪原子束流制备装置结构示意图；

图2是氪原子能级结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

如图1所示，本发明具体实施方式中的亚稳态氪原子束流制备装置包括氪气输送装置、真空系统、放电激励装置、激光器3。其中，氪气输送装置包括氪气瓶110、第一质量流量控制器120和第二质量流量控制器130；真空系统包括真空泵和真空管路，所述真空泵用于抽取所述真空管路中气体，所述真空管路包括放电腔210和光激发腔220，所述放电腔210和所述光激发腔220互相交叉穿过，所述放电腔和所述光激发腔的交叉部为所述放电腔和所述光激发腔的公共区域，优选地，放电腔210和所述光激发腔220相互垂直；放电激励装置包括激励源、功率放大器、线圈4，线圈4设置于放电腔外部，线圈4外侧包裹有屏蔽层5。

如图1所示，在本发明的具体实施方式中，氪气瓶110的出气口通过第一管路连接第一质量流量控制器120，通过第二管路和第二质量流量控制器130的入口。第一质量流量控制器120的出口通过第三管路连接真空系统放电腔210的进气口，第二质量流量控制器130的出口通过第四管路连接真空系统光激发腔220的入口。通过第一质量流量控制器120和第二质量流量控制器130控制，氪气从氪气瓶110中进入放电腔210和光激发腔220中。

第一质量流量控制器120用于控制放电腔210的进气量和进气速度，保证放电腔的气压满足稳定工作的条件；第二质量流量控制器130用于控制光激发腔220的进气量和进气速度。一般地，在真空系统的真空泵的抽速一定时，提高进气量或进气速度，进入真空系统的气体将会增多，气压随之增大，真空系统放电腔210能够稳定工作时气压为20Pa左右。

放电腔210设有进气口的一端设置通光窗口，本发明具体实施例中在放电腔210的氪气进气口端设置真空法兰，真空法兰中间设置通光窗片，通光窗片旁边设置氪气进气口，激光器3产生波长为819.2nm的激光束，该激光束从通光窗片进入放电腔，用于配合123.6nm的真空紫外光子将基态氪原子激发到亚稳态。

真空系统外部的射频源或微波源作为激励源，激励信号经功率放大器输入线圈4，线圈4收到激励信号后，放电腔210中只要有气压合适的工作气体就会发生放电。

等离子体放电时产生大量的电子，氪原子与电子碰撞时会被激发到高能级，高能级氪原子向低能级跃迁时会放出真空紫外光子。参见图2，在放电腔210中，低压气体放电直接激发一部分氪原子到亚稳态2P_3/25s[3/2]₂，形成亚稳态氪原子束流，低压气体放电激发一部分氪原子到2P_3/25s[3/2]₁态，并产生波长为123.6nm的真空紫外光子，123.6nm真空紫外光子和819.2nm激光共同作用激发氪原子到2P_3/25p[3/2]₂态，随后放出一个波长为760.4nm的光子到达亚稳态2P_3/25s[3/2]₂，进一步增加束流强度，形成了沿放电腔210腔体方向的亚稳态氪原子束流。

在光激发腔220中，部分氪原子被波长为123.6nm的真空紫外光子和波长为819.2nm的激光共同作用激发到2P_3/25p[3/2]₂态，随后放出一个波长为760.4nm的光子到达亚稳态2P_3/25s[3/2]₂，形成沿光激发腔220腔体方向的亚稳态氪原子束流。光激发腔220的123.6nm真空紫外光子是放电腔210中的低压气体放电提供的。

本发明具体实施方式中，放电腔210置于水平方向，光激发腔220置于竖直方向，亚稳态氪原子束源系统可以在水平方向和竖直方向上同时产生亚稳态氪原子束流。

本发明中不设置123.6nm真空紫外光束的通光窗片，避免了通光窗片污染，增加了真空紫外光输出的稳定性。

本发明通过调节第一质量流量控制器120和第二质量流量控制器130的状态可以改变进气量、进气速度和真空系统2中的气压，从而改变亚稳态氪原子束流强度。一般地，使用质量流量控制器控制进气量或进气速度逐渐增大时，气压逐渐增大，亚稳态氪原子束流强度先增大后减小。原因是气压较小时氪原子数较少，提高氪气进气量可以提高氪原子数，从而提高亚稳态氪原子束流强度；气压较大时氪原子间相互碰撞概率增大，亚稳态氪原子与基态氪原子碰撞时会损失，表现为亚稳态氪原子束流强度降低。

本发明通过改变波长为819.2nm的激光功率，可以改变亚稳态氪原子束流强度。一般地，随着激光功率逐渐增大，亚稳态氪原子束流强度先逐渐增大后趋近饱和。

以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，包括真空系统、氪气输送装置、放电激励装置和激光器；其中，

所述真空系统包括真空泵和真空管路，所述真空泵用于抽取所述真空管路中气体，所述真空管路包括放电腔和光激发腔，所述放电腔和所述光激发腔互相交叉穿过，所述放电腔和所述光激发腔的交叉部为所述放电腔和所述光激发腔的公共区域；

所述氪气输送装置将氪气分别输送到所述放电腔和所述光激发腔；

所述放电激励装置用于激励所述放电腔中的气体产生低压气体放电；

所述放电腔在入口端设置氪气进气口和通光窗片，所述放电激励装置使所述放电腔中发生低压气体发生放电，低压气体发生放电直接激发一部分氪原子成亚稳态氪原子，形成了沿放电腔腔体方向的第一亚稳态氪原子束流，低气压放电还产生波长为123.6nm的真空紫外光子；

所述激光器产生波长为819.2nm的激光，通过所述通光窗片进入所述放电腔，在放电腔中所述真空紫外光子和所述激光共同作用激发所述放电腔中的氪原子成亚稳态氪原子，进一步增加第一亚稳态氪原子束流强度；所述真空紫外光子和所述激光通过所述放电腔和所述光激发腔的交叉部进入光激发腔，在光激发腔中，部分氪原子被所述真空紫外光子和所述激光器共同作用激发成亚稳态氪原子，形成了沿光激发腔腔体方向的第二亚稳态氪原子束流。

2.如权利要求1所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，所述真空管路放电腔的工作气压为20Pa。

3.如权利要求1所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，所述放电腔的入口端设置真空法兰，真空法兰中间设置通光窗片，通光窗片旁边设置氪气进气口。

4.如权利要求1所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，

所述氪气输送装置包括氪气瓶、第一质量流量控制器和第二质量流量控制器，氪气从氪气瓶经第一质量流量控制器输送到所述放电腔，经第二质量流量控制器输送到所述光激发腔。

5.如权利要求4所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，

通过调节第一质量流量控制器和第二质量流量控制器的状态，改变真空系统中的气压以及氪气的进气量和进气速度，进而控制第一亚稳态氪原子束流强度和第二亚稳态氪原子束流强度。

6.如权利要求1所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，

所述激光器的功率可变，通过改变激光器的功率进而改变第一亚稳态氪原子束流强度和第二亚稳态氪原子束流强度。

7.如权利要求1所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，

所述放电激励装置包括激励源、功率放大器、线圈，激励源产生的激励信号经功率放大器放大后输入所述线圈；所述线圈缠绕在所述放电腔的外部，所述线圈外设置屏蔽层，所述线圈收到所述放大激励信号后，使所述放电腔中发生低压气体发生放电。

8.如权利要求7所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，所述线圈外设置屏蔽层。

9.如权利要求7或8所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，所述激励源是射频源或微波源。

10.如权利要求1之一所述的亚稳态氪原子束流制备装置，其特征在于，所述放电腔和所述光激发腔相互垂直。

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