DE3911052C2 - - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion der spek
tralen Linienbreite des von angeregten und in einer Paulschen Ionenfalle elektrodynamisch gespeicherten Gasionen emittierten
Lichts nach dem Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 3.
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 Intensitäten der von geladenen Gasteilchen mittels
einer Zweistufenanregung emittierten Spektrallinien 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.
Weiterhin ist aus der DE 32 06 407 A1 ein Verfahren bekannt,
bei welchem der Meßkanal zur Unterdrückung der Streuung gegenüber
der verzögerten Fluoreszenz nur für eine bestimmte Zeit
zwischen zwei Anregungsimpulsen geöffnet ist. Damit ist lediglich
eine integrale Erfassung der Fluoreszenz möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu
entwickeln, mit dem es möglich wird, Emissionsspektrallinien mit
minimaler Linienbreite aufzunehmen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren gemäß dem
Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche
1 und 3 durch die im jeweiligen kennzeichnenden Teil angegebenen
Merkmale.
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.
- 1. 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 Emissionsspektrallinien
für Einstufen- und Zweistufenanregung sowie für
das beschriebene 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 beschriebenen Verfahren in hervorragender Weise gelöst werden.
Claims (6)
1. Verfahren zur Reduktion der spektralen Linienbreite des von
angeregten und in einer Paulschen Ionenfalle elektrodynamisch
gespeicherten Gasionen emittierten Lichts, wobei
die spektrale Anregung durch zwei Laser geeigneter variierbarer
Frequenz geschieht und die Intensität des emittierten Lichtes
als Funktion der angeregten Frequenzen mit einer Detektoreinrichtung
erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität
des emittierten Lichtes nur innerhalb eines kurzen Meßintervalls
gemessen wird, während dem der Betrag der an der
Ionenfalle anliegenden Spannung klein ist gegen den Betrag
der maximal anliegenden Spannung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit
Hilfe von frequenzselektiven Elementen in der Detektorein
richtung nur emittiertes Licht, das innerhalb bestimmter Frequenz
intervalle liegt, gemessen wird.
3. Verfahren zur Reduktion der spektralen Linienbreite des von
angeregten und in einer Paulschen Ionenfalle elektrodynamisch
gespeicherten Gasionen emittierten Lichts,
wobei die spektrale Anregung durch zwei Laser geeigneter variierbarer
Frequenz geschieht und die Intensität des emittierten
Lichtes als Funktion der angeregten Frequenzen mit einer Detektoreinrichtung
erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die spektrale Anregung der elektrisch geladenen Gasteilchen
durch die zwei Laser nur in einem kurzen Zeitintervall
erfolgt, während dem der Betrag der an der Ionenfalle
anliegenden Spannung klein ist gegen den Betrag 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
emittierten Lichtes erfaßt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch
gekennzeichnet, daß man mit Hilfe von frequenzselektiven
Elementen nur emittiertes Licht aus bestimmten Frequenzintervallen
mißt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893911052 DE3911052A1 (de) | 1989-04-06 | 1989-04-06 | Verfahren zur reduktion der spektralen breite von anregungsspektrallinien |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893911052 DE3911052A1 (de) | 1989-04-06 | 1989-04-06 | Verfahren zur reduktion der spektralen breite von anregungsspektrallinien |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3911052A1 DE3911052A1 (de) | 1990-10-11 |
DE3911052C2 true DE3911052C2 (de) | 1991-10-31 |
Family
ID=6377942
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893911052 Granted DE3911052A1 (de) | 1989-04-06 | 1989-04-06 | Verfahren zur reduktion der spektralen breite von anregungsspektrallinien |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3911052A1 (de) |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3206407A1 (de) * | 1982-02-23 | 1983-09-01 | Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH, 8000 München | Einrichtung zum quantitativen nachweis biochemischer reaktionen |
-
1989
- 1989-04-06 DE DE19893911052 patent/DE3911052A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3911052A1 (de) | 1990-10-11 |
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