DE3911052A1 - Verfahren zur reduktion der spektralen breite von anregungsspektrallinien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion der spek­ tralen Breite von Anregungsspektrallinien nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei spektroskopischen Untersuchungen ist es oft nötig, eng be­ nachbarte Linien zu trennen.

Aus dem KfK-Bericht 4513, "Kernladungsradien und Kernmomente von Thorium-Isotopen aus laserspektroskopischen Untersuchungen an gespeicherten Thorium-Ionen in einer Hochfrequenz-Ionen­ falle" Seiten 20 bis 30, ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Anregungsspektrallinien von geladenen Gasteilchen mittels einer Zweistufenanregung aufgenommen werden. Die mit diesem Verfahren erreichbare spektrale Auflösung ist gegenüber der mit dem Verfahren der Einstufenanregung erzielbaren Auflösung beträchtlich verbessert.

Bei dem o. g. Verfahren werden elektrisch geladene Gasteilchen in einer sogenannten Paulschen Ionenfalle elektrodynamisch ge­ speichert. Das Verfahren zur Speicherung ist z. B. aus der Veröffentlichung E. Fischer, Z. Phys. 156 (1959) 1 bekannt. Mit einer Paulschen Ionenfalle können elektrisch geladene Gas­ teilchen für einen längeren Zeitraum, d. h. Stunden bis Tage, in einem begrenzten Raumgebiet festgehalten werden. Werden elektronische Übergänge durch Einstrahlung resonanten Laser­ lichts angeregt, so werden die Teilchen immer wieder, solange sie gespeichert sind, zur Emission von Fluoreszenzlicht ange­ regt. Es reicht daher eine geringe Anzahl gespeicherter Teil­ chen aus, um Spektren mit ausreichendem Signal zu Rauschver­ hältnis aufzunehmen. Diese Methode ist daher besonders emp­ findlich; sie läßt sich vorteilhaft dort einsetzen, wo nur ge­ ringe Substanzmengen zur Messung zur Verfügung stehen.

Bei den gespeicherten Teilchen werden elektronische Übergänge durch Einstrahlung resonanten monochromatischen Lichts ange­ regt. Die Anregung findet dabei in zwei Stufen statt. In der ersten Stufe erfolgt die Anregung vom elektronischen Grundzu­ stand der Teilchen oder von einem nahe dem Grundzustand lie­ genden, thermisch erheblich populierten Zustand zu einem ener­ getisch höher liegenden Zwischenzustand. In der zweiten Stufe erfolgt eine Anregung ausgehend vom Zwischenzustand zu einem energetisch höher liegenden Endzustand. Die Anregungen werden durch Einstrahlung von zwei sich überlappenden, in entgegen­ setzter Richtung laufenden Laserstrahlen realisiert, deren Frequenzen den jeweiligen elektronischen Übergangsfrequenzen der Teilchen entsprechen. Das von den geladenen Teilchen nach erfolgter Anregung emittierte Fluoreszenzlicht wird durch op­ tische Elemente auf die Kathode eines Photomultipliers abge­ bildet und anschließend mittels einer geeigneten Zählelektro­ nik registriert. Spektren der Zweistufenanregung werden aufge­ nommen, indem die Frequenz eines der beiden Laser in der Umge­ bung des betreffenden Übergangs durchgestimmt wird und die von der Zählelektronik pro Zeitintervall registrierte Photonenzahl als Funktion der Frequenzverstimmung aufgezeichnet wird.

Die mit diesem Verfahren erreichbare Linienbreite ist gegen­ über der natürlichen Linienbreite stark verbreitert, es kann damit nicht die optimale spektrale Auflösung erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem es möglich wird, Anregungsspektren mit minimaler Linienbreite aufzunehmen.

Zur Lösung der Aufgabe, an Ionen in einer Hochfrequenz-Ionen­ falle Spektrallinien minimaler Linienbreite zu messen, ist eine Zweistufenanregung erforderlich. Dies ist mit zwei durch­ stimmbaren Dauerstrich-Farbstofflasern geeigneter Wellenlänge möglich. Das Streulicht durch Zerfall des oberen zweiten ange­ regten Zustand in ein oder mehrere tieferliegende Zustände wird durch geeignete Detektoren, wie zum Beispiel Photomulti­ plier, nachgewiesen.

Durch Aufnahme des Detektorsignals in Abhängigkeit von der Frequenz eines der Laserstrahlen erhält man ein Spektrum. Um Spektrallinien minimaler Linienbreite aufzunehmen, bei denen nur in der Umgebung des Nulldurchgangs der Hf-Spannung gemes­ sen wird, sind verschiedene Verfahren möglich.

• . Der Nachweiskanal (Detektoreinrichtung) ist nur während ei­ nes gegenüber der Schwingungsdauer der Hf-Wechselspannung kurzen Zeitintervalls in der Umgebung des Nulldurchgangs der Hf-Spannung aktiv.
• 2. Die Ionen werden nur während eines Zeitintervalls in der Umgebung des Nulldurchgangs der Hf-Spannung mit Hilfe bei­ der Laser angeregt. Außerhalb dieses Zeitintervalls ist ei­ ner oder sind beide Laserstrahlen unterbrochen, so daß keine Ionenanregung erfolgt.
• 3. Die Verfahren 1. und 2. können kombiniert werden, indem sowohl einer der Laserstrahlen oder beide außerhalb des kurzen Zeitintervalls unterbrochen sind, als auch der Nachweiskanal nur während eines bestimmten Zeitintervalls aktiviert ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen gemessene und berechnete Anregungs­ spektrallinien für Einstufen- und Zweistufenanregung sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.

Ein Anwendungsbeispiel für die oben beschriebene Lösung ist die Aufnahme einer Anregungsspektrallinie des Thoriumisotops mit der Massenzahl 232.

Dies wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Die Frequenzen der beiden Laserstrahlen sind so gewählt, daß sie die Übergänge ThII 0 <17 122 cm^-1 und ThII 17 122 cm^-1 <34 544 cm^-1 anregen. Die Laserstrahlen mit den dafür benö­ tigten Wellenlängen von 583,9 nm und 573,8 nm werden mit zwei Argon-Ionenlaser gepumpten Dauerstrich-Farbstofflasern er­ zeugt, wobei der Farbstoff Rhodamin 6G verwendet wird. Der Nachweis der Anregung erfolgt durch Detektion des vom zweiten angeregten Zustand emittierten Lichts der Wellenlängen 332,6 nm, 358,9 nm und 367,4 nm mittels eines geeigneten Detektors, z. B. eines Photomultipliers mit Bialkali-Photokathode. Licht anderer Wellenlänge wird dabei, zur Erniedrigung des Unter­ grundes, mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen, z. B. mit opti­ schen Filtern, unterdrückt. Die Frequenz des ersten Laser­ strahls ist resonant auf den ersten Übergang abgestimmt und die Frequenz des zweiten Laserstrahls wird schrittweise in der Nähe des zweiten Übergangs verändert. Indem das Resonanzfluo­ reszenzlicht in Abhängigkeit von der Frequenz des Laserstrahls für die zweite Anregung aufgenommen wird, erhält man Spektrum b) in Fig. 1. Die Halbwertsbreite beträgt 200 MHz und ist da­ mit wesentlich kleiner als ein vergleichbares Spektrum, das mit einer Einstufenanregung aufgenommen wurde (Spektrum a), Fig. 1). Die Halbwertsbreite beträgt hier typischerweise 1500 MHz.

• 1. Eine Möglichkeit, die Linienbreite weiter zu verringern, besteht darin, daß das durch das Resonanzfluoreszenzlicht im Photomultiplier erzeugte elektrische Signal nur während eines Zeitintervalls von zum Beispiel 200 ns Länge, inner­ halb dem die Spannung an der Ionenfalle den Wert Null an­ nimmt, aufgenommen wird. Dies wird erreicht, indem mit der Hf-Wechselspannung als Triggersignal das Photomultiplier­ signal an- und abgeschaltet wird. Das resultierende Spek­ trum ist mit einer Halbwertsbreite von etwa 35 MHz wesent­ lich schmaler als das Spektrum mit kontinuierlichem Photomultipliersignal.
• 2. Eine andere Möglichkeit, die Linienbreite weiter zu ver­ ringern besteht darin, daß der Laserstrahl für die erste Anregung nur in einem kleinen Zeitintervall, innerhalb dem die Hf-Spannung in der Nähe von Null ist, Ionen anregen kann. Während der Zeitdauer bis zum nächsten Nulldurchgang der Hf-Spannung werden keine Ionen angeregt. Um dies zu er­ reichen, wird ein elektro-optischer Modulator in den Strah­ lengang des Laserlichts für die erste Anregung gestellt. Aus der Hf-Wechselspannung wird mit Hilfe eines Puls-Gene­ rators ein Rechtecksignal erzeugt, das als Eingangssignal für den elektro-optischen Modulator dient. Die Zeitdauer der Breite des Rechtecks entspricht dann der Zeitdauer der Anregung der Ionen. Mit dieser Anordnung erreicht man im Gegensatz zum Verfahren 1., bei dem die Signalhöhe des Spektrums abnimmt, die volle Höhe des Spektrums b) in Fig. 1. Die Halbwertsbreite beträgt etwa 35 MHz.
• 3. Als weiteres Verfahren bietet sich die Kombination aus 1. und 2. an. Die Thorium-Ionen werden nur innerhalb des oben beschriebenen Zeitintervalls angeregt und das durch das Re­ sonanzfluoreszenzlicht im Photomultiplier erzeugte Signal wird ebenfalls nur während eines kleinen Zeitintervalls aufgenommen. Das mit dieser Anordnung gemessene Spektrum ist in Fig. 2, Spektrum c) gezeigt, die Halbwertsbreite be­ trägt etwa 30 MHz. Spektrum b) in Fig. 2 stellt zum Ver­ gleich das Zweistufen-Spektrum mit kontinuierlichem Laser­ licht und kontiniuerlichem Photomultipliersignal dar.

Das oben beschriebene Verfahren zum Erreichen der optimalen spektralen Auflösung von Anregungsspektrallinien geladener Gasteilchen, die in einer Ionenfalle gespeichert sind, findet mögliche Anwendungen dort, wo empfindliche und hochauflösende Meßmethoden zur Aufnahme von Spektren erforderlich sind. Ein Anwendungsgebiet ist die Grundlagenforschung. Hier kann es er­ forderlich sein, eng beieinanderliegende Spektrallinien mit einer hochauflösenden Methode zu messen. Dieses Problem kann bei der Bestimmung von Hyperfeinaufspaltungen, Isotopiever­ schiebungen oder Feinstrukturaufspaltungen auftreten.

Weitere Anwendungsgebiete liegen in Bereichen analytischer Me­ thoden wie Umweltanalytik (Emissions- und Immissionsmessungen) oder Routineanalytik. Hier kann das Problem eng beieinander­ liegender Spektrallinien insbesondere bei Molekülspektren auf­ treten. Ein weiterer Problemfall kann das Vorhandensein vieler verschiedener Sorten von Teilchen sein, wobei eine spezielle Teilchensorte nachgewiesen werden muß. Diese Probleme können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in hervorragender Weise gelöst werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Reduktion der spektralen Breite von Anre­ gungsspektrallinien von elektrisch geladenen Gasteilchen, welche in einer Paulschen Ionenfalle elektrodynamisch ge­ speichert sind, wobei die spektrale Anregung durch 2 Laser geeigneter variierbarer Frequenz geschieht und die In­ tensität des Streulichtes als Funktion der Anregungsfre­ quenzen mit einer Detektoreinrichtung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Streulichts nur in­ nerhalb eines kurzen Meßintervalls gemessen wird, während dem der Betrag der an der Ionenfalle anliegenden Spannung klein ist gegen den Betrag der maximal anliegenden Span­ nung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von frequenzselektiven Elementen in der Detektorein­ richtung nur Streulicht, das innerhalb bestimmter Frequenz­ intervalle liegt, gemessen wird.

3. Verfahren zur Reduktion der spektralen Breite von Anre­ gungsspektrallinien von elektrisch geladenen Gasteilchen, welche in einer Paulschen Ionenfalle elektrodynamisch ge­ speichert sind, wobei die spektrale Anregung durch 2 Laser geeigneter variierbarer Frequenz geschieht und die In­ tensität des Streulichtes als Funktion der Anregungsfre­ quenzen mit einer Detektoreinrichtung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Anregung der elektrisch geladenen Gasteilchen durch die beiden Laser nur in einem kurzen Zeitintervall erfolgt, während dem der Betrag der an der Ionenfalle anliegenden Spannung klein ist gegen den Be­ trag der maximal anliegenden Spannung.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Zeitintervalls einer oder beide Laserstrahlen unterbrochen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur während des Anregungsintervalls die Intensität des Streulichts erfaßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder einem der folgenden dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe von frequenzselektiven Elementen nur Streulicht aus bestimmten Frequenzintervallen mißt.