DE4006790A1 - 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 einstufigen Anregung aufgenommen werden. Die mit diesem Verfahren erreichbare spektrale Auflösung ist relativ schlecht, weil die Anregungsspektrallinien durch die spei­ chernden elektrischen Felder eine hohe Dopplerverbreiterung erfahren. Das macht bei einer Feldstärke von 1000 V/cm etwa einen Faktor 10 aus.

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. Es erfolgt die Anregung vom elektronischen Grundzustand der Teilchen oder von einem nahe dem Grundzustand liegenden, thermisch nennenswert populierten Zustand zu einem energetisch höher liegenden Zustand. Die Anregung wird durch Einstrahlung eines Laserstrahles realisiert, dessen Frequenz der jeweiligen elektronischen Übergangsfrequenz der Teilchen entspricht. Das von den geladenen Teilchen nach erfolgter Anregung emittierte Fluoreszenzlicht wird durch optische Elemente auf die Kathode eines Photomultipliers abgebildet und anschließend z. B. mit­ tels einer geeigneten Zählelektronik registriert. Spektren werden aufgenommen, indem die Frequenz des Lasers 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 durch den Dopplereffekt beträchtlich verbreitert. Es ist zwar mög­ lich, die durch die elektrischen Speicherfelder hervorgerufene Linienverbreiterung teilweise zu reduzieren, indem man die an­ gelegten Spannungen vermindert; dafür muß man aber in Kauf nehmen, daß das Fassungsvermögen sowie die Speicherdauer redu­ ziert werden und als Folge die Empfindlichkeit der Methode ab­ nimmt. Andererseits sind Methoden bekannt, mit denen die Lini­ enbreite durch eine zweistufige Anregung verschmälert werden kann, ohne daß erhebliche Einbußen bei der Empfindlichkeit hingenommen werden müssen. Der dazu erforderliche Aufwand ist jedoch beträchtlich, weil zwei Farbstofflasersysteme oder ver­ gleichbare Lasersysteme mit verstimmbarer Frequenz erforder­ lich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem es möglich ist, Anregungspektren mit redu­ zierter Linienbreite aufzunehmen, wobei die Verschmälerung etwa die gleiche wie für die Zweistufenanregung ist, der Auf­ wand jedoch auf ein einziges Lasersystem reduziert werden kann. Die Signalstärken sowie die Speicherkapazität und -dauer und damit die Nachweisempfindlichkeit können dabei erhalten bleiben. Außerdem ist die Methode dann vorteilhaft, wenn zwar eine einstufige Anregung möglich ist, nicht jedoch eine zweite Anregungsstufe erreicht werden kann, weil z. B. kein geeigneter zweiter elektronischer Zustand existiert oder hinreichend gut bekannt ist oder kein geeigneter Laser für einen zweiten Schritt verfügbar ist.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vor­ teilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens.

Zur Lösung der Aufgabe, an Ionen in einer Hochfrequenz-Ionen­ falle Spektrallinien mit reduzierter Linienbreite zu messen, ist eine einstufige Anregung erforderlich. Dies ist z. B. mit einem durchstimmbaren Dauerstrich-Farbstofflaser geeigneter Wellenlänge möglich. Das Streulicht durch Zerfall des ange­ regten Zustandes in einen oder mehrere tieferliegende Zustände wird durch geeignete Detektoren, wie zum Beispiel Photomulti­ plier, nachgewiesen.

Durch Aufnahme des Detektorsignals in Abhängigkeit von der Frequenz des Laserstrahles erhält man ein Spektrum. Um Spek­ trallinien mit reduzierter Linienbreite aufzunehmen, bei denen nur in der Umgebung des Maximums des Betrages der Hf-Spannung gemessen wird, sind verschiedene Verfahren möglich.

1. Die Ionen werden nur während eines Zeitintervalls in der Umgebung des Maximums des Betrages der Hf-Spannung mit Hilfe des Lasers angeregt. Die Länge des Zeitintervalls be­ trägt typischerweise zwischen 5% und 15% der Peri­ odendauer der speichernden Felder. Die größte Reduktion der Anregungslinienbreite erhält man bei minimalen Zeitinter­ vallen am Maximum des Betrags der Hf-Spannung. Außerhalb dieses Zeitintervalls ist der Laserstrahl unterbrochen, so daß keine Anregung erfolgt.

2. Der Nachweiskanal (Detektoreinrichtung) ist nur während eines entsprechenden Zeitintervalls aktiv.

3. Die Verfahren 1. und 2. können kombiniert werden, indem sowohl der Laserstrahl außerhalb des kurzen Zeitintervalls unterbrochen wird, als auch der Nachweiskanal nur während eines bestimmten Zeitintervalls aktiviert ist.

Die Figur zeigt gemessene Anregungsspektrallinien für Einstu­ fen- und Zweistufenanregung ohne (Kurve 1 bzw. 2), sowie mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Kurve 3).

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

Dies wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert.

Die Frequenz des Laserstrahles ist so gewählt, daß sie auf den Übergang ThII 0→ 17122 cm^-1 paßt. Der Laserstrahl mit den da­ für benötigten Wellenlängen von 583,9 nm wird mit einem Dauer­ strich-Farbstofflaser erzeugt, wobei der Farbstoff Rhodamin 6G verwendet wird. Der Nachweis der Anregung erfolgt durch Detek­ tion des vom angeregten Zustand emittierten Lichts der Wellen­ länge 640,9 nm mittels eines geeigneten Detektors, z. B. eines Photomultipliers mit GaAs-Photokathode. Licht anderer Wel­ lenlängen wird dabei zur Erniedrigung des Untergrundes mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen, z. B. mit optischen Filtern, unterdrückt. Die Frequenz des Laserstrahls ist resonant auf den Übergang abgestimmt und wird schrittweise in der Nähe des Übergangs verändert. Indem das Resonanzfluoreszenzlicht in Abhängigkeit von der Frequenz des Laserstrahls aufgenommen wird, erhält man Spektrum a in Fig. 1. Die Halbwertsbreite be­ trägt ca. 2000 MHz.

Eine Möglichkeit, die Linienbreite zu verringern besteht darin, den Laserstrahl für die Anregung nur in einem 50-100 nsec langen Zeitintervall, innerhalb dessen die Hf-Spannung mit einer Periodendauer von 1600 nsec und einer Feldstärke von 400 V/cm ihr Betragsmaximum annimmt, Ionen anregen zu lassen. Während der Zeitdauer bis zum nächsten Extremwert der Hf-Span­ nung werden keine Ionen angeregt. Um dies zu erreichen, wird in diesem Beispiel ein elektro-optischer Modulator in den Strahlengang des Laserlichts für die Anregung gestellt. Aus der Hf-Wechselspannung wird mit Hilfe eines Puls-Generators 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 zur un­ unterbrochenen Einstrahlung eine auf 570 MHz verschmälerte Li­ nie wie in der Figur, Kurve 3 gezeigt. Die Linienhalbwerts­ breite ist etwa vergleichbar mit derjenigen, die man bei der zweistufigen Anregung erreicht (Kurve 2 in der Figur). Die Form der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren registrierten Kurve 3 ist jedoch wegen des schnelleren Abfalls in den Flan­ ken günstiger für die spektrale Auflösung.

Das oben beschriebene Verfahren zum Erreichen besserer spek­ traler 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 und der Isotopenanalyse auftreten. 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 verbesserter Weise gelöst werden.

Claims (3)

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 einen Laser geeigneter variierbarer Frequenz geschieht und die Intensität des Streulichtes als Funktion der Anregungsfre­ quenz mit einer Detektoreinrichtung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der elektrisch geladenen Gasteilchen durch den Laser nur in einem kurzen Zeitinter­ vall erfolgt, währenddessen der Betrag der an der Ionen­ falle anliegenden Spannung maximal oder nahezu maximal ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Zeitintervalls oder Laserstrahl unterbrochen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von frequenzselektiven Elementen in der Detektoreinrichtung nur Streulicht, das innerhalb bestimm­ ter Frequenzintervalle liegt, gemessen wird.