電子束離子阱光譜標(biāo)定和Ar13+離子M1 躍遷波長(zhǎng)精密測(cè)量*

劉鑫 周曉鵬 汶偉強(qiáng)? 陸祺峰 嚴(yán)成龍 許幗芹 肖君? 黃忠魁 汪寒冰 陳冬陽 邵林 袁洋汪書興 馬萬路 馬新文

1)(華南師范大學(xué)量子物質(zhì)研究院,廣東核科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)

2)(中國科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

3)(復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所,核物理與離子束應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200433)

4)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥 230026)

高電荷態(tài)離子精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷波長(zhǎng)的精密測(cè)量不僅可以檢驗(yàn)量子電動(dòng)力學(xué)(quantum electrodynamics,QED)效應(yīng)、電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)等基本物理模型,還能夠?yàn)樘祗w物理、聚變等離子體物理甚至高電荷態(tài)離子光鐘等研究提供關(guān)鍵原子物理數(shù)據(jù).本工作基于復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所的高溫超導(dǎo)電子束離子阱(SHHtscEBIT)裝置,搭建了一套新的光譜?？滔到y(tǒng),并結(jié)合內(nèi)?？膛c外?？痰姆椒▽?duì)其光譜波長(zhǎng)測(cè)量的不確定度進(jìn)行了評(píng)估,新的光譜校刻系統(tǒng)在可見光波段引起的波長(zhǎng)不確定度最低達(dá)到0.002 nm.在此基礎(chǔ)上,使用SH-HtscEBIT 裝置結(jié)合新的?？滔到y(tǒng)開展了Ar13+離子1s22s22p 2P1/2—2P3/2 磁偶極躍遷(M1)波長(zhǎng)的精密測(cè)量,實(shí)驗(yàn)測(cè)得該躍遷波長(zhǎng)為(441.2567 ± 0.0026)nm,是目前SH-HtscEBIT 上測(cè)量精度最高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為下一步開展高電荷態(tài)離子超精細(xì)分裂和同位素位移等精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).

1 引言

高電荷態(tài)離子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及輻射躍遷性質(zhì)的精密測(cè)量,不僅對(duì)天體和實(shí)驗(yàn)室等離子體的溫度、密度以及元素豐度等重要狀態(tài)參數(shù)診斷具有非常重要的作用[1-5],而且能夠?yàn)闄z驗(yàn)基本的原子物理理論,例如:相對(duì)論效應(yīng)[6,7]、強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)(quantum electrodynamics,QED)效應(yīng)[8-12]、原子核效應(yīng)以及同位素移動(dòng)[13,14]等提供更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).與中性原子或者低電荷態(tài)離子相比,高電荷態(tài)離子隨著離子核電荷數(shù)Z的不斷增高,其核外電子所能感受到的原子核的庫侖場(chǎng)強(qiáng)不斷增強(qiáng),從而使得強(qiáng)場(chǎng)QED 效應(yīng)(～Z4)、相對(duì)論效應(yīng)(～Z2)、超精細(xì)分裂(～Z3)及原子核尺寸(～Z5,～Z6)效應(yīng)被急劇放大,甚至提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)[15,16],此時(shí)一階微擾理論不再適用,精確的理論計(jì)算必須要考慮更高階效應(yīng)的貢獻(xiàn),例如真空極化、電子自能以及核反沖等效應(yīng)的貢獻(xiàn),為此甚至需要發(fā)展新的理論計(jì)算方法來處理相關(guān)問題.因此,高電荷態(tài)離子精密譜學(xué)實(shí)驗(yàn)是目前原子物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論研究的前沿方向.高電荷態(tài)離子中的禁戒躍遷具有極窄的線寬,并且具有對(duì)外部磁場(chǎng)、黑體輻射和斯塔克效應(yīng)引起的擾動(dòng)不敏感等特性,使得基于這種禁戒躍遷的高電荷態(tài)離子光鐘有望在實(shí)驗(yàn)精度上突破目前最先進(jìn)的光晶格和單電荷態(tài)離子時(shí)鐘[17-22].此外,理論研究表明高電荷態(tài)離子光鐘對(duì)于檢驗(yàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α隨時(shí)間空間的變化以及洛倫茲局域不變性等尤為敏感,有望為探索標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理提供契機(jī)[21,23].

目前,國際上開展的高電荷態(tài)離子精密光譜實(shí)驗(yàn)研究主要基于電子束離子阱(electron beam ion trap,EBIT)和重離子儲(chǔ)存環(huán)(heavy-ions storage ring)這兩大裝置.EBIT 是一種可產(chǎn)生和約束高電荷態(tài)離子的裝置,阱區(qū)的高電荷態(tài)離子和電子會(huì)發(fā)生電子碰撞電離(electron impact ionization,EII)、電子碰撞激發(fā)(electron impact excitation,EIE)、電子-離子復(fù)合,主要包括輻射復(fù)合(radiactive recombination,RR)、雙電子復(fù)合(dielectronic recombination,DR),此外,還包括離子與離子之間的電荷交換等原子物理過程.在這些過程中,存在各種不同能量的光子出射,與此同時(shí),EBIT 中產(chǎn)生的高電荷態(tài)離子也可以被引出以開展其他實(shí)驗(yàn)研究.因此,EBIT 是一種集光源和離子源于一身的小型實(shí)驗(yàn)裝置,為產(chǎn)生和研究高電荷態(tài)離子及其相關(guān)物理提供了絕佳的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).與重離子儲(chǔ)存環(huán)相比,EBIT體積小,具有單一可調(diào)節(jié)的電子束能量,可以很好地產(chǎn)生目標(biāo)電荷態(tài)的離子.此外,高電荷態(tài)離子在EBIT 中基本上是靜止的,不需要考慮多普勒頻移等問題.憑借這些優(yōu)勢(shì),EBIT 上的高電荷態(tài)離子光譜精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)獲得了極大的進(jìn)展.從勞倫斯利物莫國家實(shí)驗(yàn)室EBIT 上的X 射線測(cè)量做出開創(chuàng)性工作以來[24],世界各國都在積極發(fā)展EBIT 裝置以開展高電荷態(tài)離子原子物理、天體物理以及等離子體物理等方面的研究.截至目前,EBIT 已經(jīng)成為最主要的高電荷態(tài)離子光譜精密測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置.

在EBIT 光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究中,光譜測(cè)量精度提高的關(guān)鍵因素之一是光譜線的標(biāo)定與?？?目前最為常見的是使用?？虩艚Y(jié)合EBIT 的方式來開展光譜標(biāo)定,這種方法也被稱為“外?？獭?1997 年Bieber 等[25]在牛津EBIT 上測(cè)量高電荷態(tài)Ar 和Ba 的光譜實(shí)驗(yàn)中,使用?？虩艚Y(jié)合EBIT的外?？谭桨?對(duì)于校刻系統(tǒng)不確定度使用數(shù)值仿真方法評(píng)估,測(cè)量得到的波長(zhǎng)存在0.006 nm 的偏移.2003 年Dragani?等[8]在海德堡EBIT 上首次使用透鏡和漫反射鏡對(duì)?？坦庠闯上?使得校刻燈光源的位置與離子云的位置重合,通過這種?？谭桨附Y(jié)合更高分辨率的光譜儀測(cè)量了Ar13+離子的發(fā)射光譜,測(cè)得其1s22s22p2P1/2—2P3/2的能級(jí)躍遷波長(zhǎng)為441.2559(1)nm,精度比原有天體觀測(cè)數(shù)據(jù)提高了3 個(gè)數(shù)量級(jí),?？滔到y(tǒng)的不確定度被評(píng)估為小于5×10—5nm.2021 年Liang 等[26]采用了一種使用透鏡將校刻光源成像在SW-EBIT 中心的?？谭桨笢y(cè)量高電荷態(tài)Ni 離子,該校刻方案的系統(tǒng)不確定度被評(píng)估為0.002 nm.相對(duì)于外?？谭椒?2019 年Kimura 等[27]在日本CoBIT 上測(cè)量Ba6+離子的光譜實(shí)驗(yàn)中向EBIT 中注入氖氣,最終得到的待測(cè)光譜同時(shí)包含了7 條Ne 原子的?？套V線,這種?？谭绞椒Q為“內(nèi)?？獭?內(nèi)校刻很好地解決了?？坦庠磁c待測(cè)光源重合的問題,待測(cè)譜線的不確定度為0.002 nm,該?？谭桨傅南到y(tǒng)不確定度被評(píng)估為0.001 nm,但是這種?？谭桨讣纫x擇合適的惰性氣體譜線,還得考慮合適的電子束能量,有很大的局限性.

在光譜測(cè)量中,?？滔到y(tǒng)導(dǎo)致的不確定度主要源于?？坦庠磁cEBIT 阱中離子光源位置不能完美重合.本文基于復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所的高溫超導(dǎo)電子束離子阱(SH-HtscEBIT)裝置,設(shè)計(jì)了一種共軛的光譜外?？谭桨?主要通過透鏡使?？坦庠丛贓BIT 的阱區(qū)中心成實(shí)像,從而使得?？坦庠磁cEBIT 中心的離子云重合,這種校刻方式能夠有效避免外?？桃鸬妮^大的波長(zhǎng)偏移,同時(shí)相比于使用惰性氣體的內(nèi)?？谭桨妇哂懈玫钠者m性.基于新的外?？滔到y(tǒng),測(cè)量了標(biāo)準(zhǔn)Ne 燈的光譜,并將其與EBIT 內(nèi)注入Ne 氣得到的Ne 原子線光譜進(jìn)行了對(duì)比分析,從而評(píng)估了這套新的外?？滔到y(tǒng)的不確定度:新的光譜?？滔到y(tǒng)在可見光波段引起的波長(zhǎng)不確定度降低到了0.002 nm.最后為了更好地驗(yàn)證新的?？滔到y(tǒng)的可靠性,開展了Ar13+離子1s22s22p2P1/2—2P3/2磁偶極M1 躍遷波長(zhǎng)的精密測(cè)量,實(shí)驗(yàn)得到的躍遷波長(zhǎng)為(441.2567 ±0.0026)nm,測(cè)量結(jié)果比之前在SH-HtscEBIT 上的測(cè)量精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),為下一步開展高電荷態(tài)離子超精細(xì)分裂[28]和同位素位移[29]等精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).

2 EBIT 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

2.1 上海高溫超導(dǎo)電子束離子阱(SHHtscEBIT)

復(fù)旦大學(xué)的上海高溫超導(dǎo)電子束離子阱SHHtscEBIT 裝置原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示.SH-Htsc EBIT 的核心主要由電子槍、高溫超導(dǎo)線圈、漂移管和電子收集器等組成.漂移管主要由漂移管1、漂移管2 (中心漂移管)和漂移管3 這三部分組成.SH-HtscEBIT 可以產(chǎn)生的電子束能量在30—4000 eV,主要參數(shù)參見表1.電子束從熱陰極電子槍發(fā)出,被漂移管和電子槍之間的高電壓差加速,進(jìn)入漂移管時(shí)候達(dá)到目標(biāo)能量,與此同時(shí),電子束在徑向會(huì)被包圍在漂移管外的高溫超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)約束.在漂移管中電子與注入EBIT 的原子或者分子發(fā)生電子碰撞電離,使得原子的核外電子被不斷地剝離,電荷態(tài)不斷升高,直至電離平衡.產(chǎn)生的高電荷態(tài)離子在漂移管中會(huì)受到三重約束:1)電子束的空間電荷效應(yīng)對(duì)離子的徑向約束;2)高溫超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)離子的徑向約束;3)在漂移管偏壓下形成的勢(shì)阱對(duì)離子的軸向約束.高溫超導(dǎo)線圈可以產(chǎn)生最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度是0.25 T,線圈的最大電流是30 A,高溫超導(dǎo)線圈的冷卻通過液氮實(shí)現(xiàn),線圈浸泡在容積約為4.7 L 的液氮罐中,液氮的消耗速率與EBIT 運(yùn)行的電子束能量相關(guān),在0.6—1.5 L/h 變化.液氮冷卻系統(tǒng)在維持超導(dǎo)線圈正常工作的同時(shí)還可以使得中心漂移管內(nèi)的真空度進(jìn)一步提高.通過調(diào)節(jié)電子束能量的大小可以改變阱區(qū)中高電荷態(tài)離子的電荷態(tài)分布.電子經(jīng)過漂移管后減速,被電子收集器收集.在目前的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,EBIT 的主體本底氣壓被控制在1×10—9Torr (1 Torr=1.33322×102Pa)左右,高真空度增加了電子碰撞電離產(chǎn)生目標(biāo)高電荷態(tài)離子的概率.

表1 SH-HtscEBIT 的參數(shù)[30]Table 1.Parameters of SH-HtscEBIT.

圖1 電子束離子阱的原理結(jié)構(gòu)圖以及其中發(fā)生的一些原子物理過程Fig.1.Schematic diagram of the electron beam ion trap and some of the atomic physical processes in EBIT.

2.2 光柵光譜儀

實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)于可見光波段光譜的測(cè)量使用的是英國Andor 公司的Shamrock 303i 光譜儀,屬于Czerny-Turner型光柵光譜儀,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示.此光譜儀的焦距為f=303 mm,最大光圈為F/4(F=f/D,f為焦距,D為光圈直徑),進(jìn)光狹縫寬度為0.01—2.5 mm.進(jìn)光的狹縫寬度可以通過電動(dòng)調(diào)節(jié),從而改變進(jìn)光量和分辨率.光圈越小,分辨率就越高,但是變小的光圈會(huì)導(dǎo)致進(jìn)光量變少,對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量中,會(huì)導(dǎo)致待測(cè)譜線的強(qiáng)度不夠,信噪比差.在光譜儀內(nèi)部的電動(dòng)轉(zhuǎn)輪上安裝有3 塊不同參數(shù)的光柵,在本文中的?？滔到y(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及類硼Ar13+離子發(fā)射譜的精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)中使用的光柵參數(shù)為刻線密度1200 l/mm,閃耀波長(zhǎng)500 nm,分辨率0.10 nm,可測(cè)量波長(zhǎng)范圍200—865 nm.同時(shí)光譜儀還配有一臺(tái)電荷耦合器件(charge couple device,CCD)探測(cè)器(ANDOR DU971P-UVB)對(duì)光進(jìn)行檢測(cè)與記錄.

圖2 Andor Shamrock 303i 光譜儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2.Inner structure of the Andor Shamrock 303i spectrograph.

3 光譜標(biāo)定研究

3.1 新?？滔到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

英國Andor 公司的Shamrock 303i 光譜儀對(duì)測(cè)量得到的光譜線具有自?？坦δ?光譜儀中心的波長(zhǎng)不確定度為0.04 nm,給出的波長(zhǎng)的精度僅僅足夠用來參考.為了得到測(cè)量光譜的高精度波長(zhǎng)數(shù)據(jù),需要進(jìn)行光譜校刻.光譜?？叹褪鞘褂霉庾V儀測(cè)量已知波長(zhǎng)?？坦庠吹墓庾V,通過對(duì)?？坦庠吹牟ㄩL(zhǎng)和空間位置使用二次或三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合,得到波長(zhǎng)與光譜線像素位置的關(guān)系,每次?？趟枰男？叹€至少需要用3 條(二次多項(xiàng)式擬合)或4 條(三次多項(xiàng)式擬合)來進(jìn)行擬合,以得到待測(cè)光譜的像素,再擬合得到色散函數(shù),即可得到待測(cè)光譜線的波長(zhǎng)數(shù)據(jù).

圖3 是在光譜測(cè)量過程中使用到的3 種光譜校刻方案,其中圖3(a)是外?？谭桨?使用標(biāo)準(zhǔn)校刻燈在EBIT 外照射進(jìn)行光譜?？?圖3(b)是內(nèi)?？谭桨?通過觀測(cè)注入EBIT 的惰性氣體譜線進(jìn)而開展光譜?？?圖3(c)是本文設(shè)計(jì)的新的光譜校刻系統(tǒng),使用標(biāo)準(zhǔn)?？虩艚Y(jié)合透鏡組成的新共軛光譜?？滔到y(tǒng),屬于優(yōu)化的外?？谭桨?實(shí)驗(yàn)中使用的?？虩羰浅溆械蛪憾栊詺怏w的筆形標(biāo)準(zhǔn)?？虩?在標(biāo)準(zhǔn)校刻燈說明書中包含有對(duì)應(yīng)波段中?？叹€的波長(zhǎng),同時(shí)可以和NIST 數(shù)據(jù)庫中的原子譜線數(shù)據(jù)對(duì)比得到?？叹€的精確波長(zhǎng).

2020 年,在SH-HtscEBIT 中進(jìn)行的類氟高電荷態(tài)離子S7+和Cl8+的基態(tài)精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)射光譜的測(cè)量工作中[31],使用如圖3(a)所示的?？谭桨?其中光譜儀與EBIT 中的凸透鏡焦距為f=150 mm,在這種方案中?？坦庠吹奈恢门cEBIT 中待測(cè)離子光源的位置不重合,所以會(huì)引起?？滔到y(tǒng)的很大誤差,從而造成波長(zhǎng)偏移,最終得到躍遷波長(zhǎng)的波長(zhǎng)偏差為0.013—0.016 nm.2019 年,Kimura 等[27,32]在東京CoEBIT 中進(jìn)行的Ba6+和Ba7+離子的發(fā)射光譜的測(cè)量工作中,使用如圖3(b)所示的內(nèi)?？谭桨?最終測(cè)量譜線總的波長(zhǎng)不確定度分別為0.002 和0.003 nm,其中?？滔到y(tǒng)不確定度分別為0.001 和0.0025 nm,與圖3(a)的校刻方法相比,?？滔到y(tǒng)帶來的誤差大大降低.但是這種?？谭桨傅氖褂眯枰m合?？痰亩栊詺怏w光譜線,同時(shí)還需要保證惰性氣體與待測(cè)高電荷態(tài)離子能夠大量共存,所以需要相匹配的電子束能量.如果高電荷態(tài)離子與惰性氣體的電荷態(tài)相差很大,此時(shí)惰性氣體與高電荷態(tài)離子會(huì)發(fā)生電荷交換,使得待測(cè)高電荷態(tài)離子的價(jià)態(tài)降低,導(dǎo)致待測(cè)譜線強(qiáng)度變?nèi)?盡管這種?？谭绞綆淼男？滔到y(tǒng)誤差較小,但是弱的光譜線會(huì)造成信噪比不足,使得統(tǒng)計(jì)誤差變大,因此在使用中存在較大的局限性.

圖3 三種不同的光譜?？谭桨?(a)使用?？虩粼贓BIT 外照射直接校刻方案;(b)通過觀測(cè)注入EBIT 的惰性氣體譜線在EBIT 內(nèi)直接內(nèi)?？谭桨?(c)使用?？虩艚Y(jié)合新的共軛光譜校刻系統(tǒng)的外?？谭桨窮ig.3.Three different spectral calibration schemes:(a)Direct calibration scheme by using the calibration lamp at outside of the EBIT;(b)direct calibration scheme in the EBIT by observing the inert gas spectrum line injected into the EBIT;(c)the external calibration scheme using the calibration lamp combined with the new conjugate spectrum calibration system.

圖3(c)所示為本次使用的新?？谭桨?在EBIT 的左側(cè)使用f=150 mm 的凸透鏡使?？虩艄庠丛贓BIT 的阱區(qū)中心成實(shí)像,圖3(c)中的像距與物距通過透鏡成像公式計(jì)算,以解決?？坦庠吹奈恢门cEBIT 中離子的位置重合問題.這種?？谭绞浇档土藞D3(a)所示校刻方式的?？滔到y(tǒng)誤差,同時(shí)比圖3(b)的普適性更強(qiáng),沒有太多的使用限制.新的光譜校刻系統(tǒng)的校準(zhǔn)是通過圖3(b)所示的內(nèi)?？谭桨竵砦⒄{(diào)如圖3(c)所示新的外校刻方法,使得待測(cè)離子與?？坦庠幢M可能完美地重合,從而有效降低新?？滔到y(tǒng)的不確定度.

3.2 新?？滔到y(tǒng)的測(cè)試

對(duì)于新的?？滔到y(tǒng)的測(cè)試,是在圖3(b)和圖3(c)兩種不同的校刻方案下使用光譜儀觀測(cè)Ne I的585.24 nm 躍遷線的像素差異來評(píng)估圖3(c)?？滔到y(tǒng)的不確定度的.在實(shí)驗(yàn)中,光譜儀的進(jìn)光狹縫設(shè)置為30 μm,測(cè)量過程中使用閃耀波長(zhǎng)為500 nm,刻線密度為1200 l/mm 的光柵.圖3(b)的內(nèi)校刻方案通過向EBIT 中注入Ne 氣,控制注氣系統(tǒng)氣壓保持在9.0×10—6Torr,調(diào)節(jié)電子束能量為90 eV,電子束束流為9.6 mA,觀測(cè)Ne 原子與電子碰撞激發(fā)退激產(chǎn)生Ne I 的光譜線,單次測(cè)量時(shí)間為1200 s.圖3(c)新?？滔到y(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)校刻燈Ne 燈,同樣也可以發(fā)出Ne I 585.24 nm 的光譜線,由于?？虩艄鈴?qiáng)度比Ne 的氣體原子發(fā)光強(qiáng)度大,所以單次測(cè)量時(shí)間為300 s.Ne 燈與Ne 氣的光譜圖如圖4(a)所示,實(shí)驗(yàn)中Ne 氣的測(cè)量與Ne 燈的測(cè)量交替進(jìn)行,為了減小測(cè)量過程中的統(tǒng)計(jì)誤差,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多次測(cè)量,得到的Ne 氣與Ne 燈的光譜經(jīng)過處理得到以像素為橫坐標(biāo),計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo)的譜線.使用高斯擬合Ne I 585.24 nm光譜圖中的峰,得到峰的中心像素值,取兩種不同方案測(cè)量的Ne I 的線中心像素值差值的絕對(duì)值,即像素偏移對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)偏移,是目前新的校刻系統(tǒng)帶來的波長(zhǎng)不確定度,如圖4(b)所示,其中正負(fù)表示偏移的方向.新的?？滔到y(tǒng)的波長(zhǎng)不確定度被評(píng)估為10 組測(cè)量結(jié)果絕對(duì)值的平均值,為0.0047 pixels,故新的?？滔到y(tǒng)的波長(zhǎng)不確定度對(duì)應(yīng)為1.76 pm.

圖4 (a)使用新?？滔到y(tǒng)測(cè)量的Ne 燈光譜圖與注入EBIT 的Ne 原子線的光譜圖;(b)?？滔到y(tǒng)多次測(cè)試結(jié)果(正負(fù)表示偏移方向),黑色實(shí)線表示偏移的算數(shù)平均值Fig.4.(a)Spectrum of Ne lamp measured with the new calibration system and the observed spectrum of Ne atomic line injected into the EBIT;(b)the multiple test results of the proof system (positive and negative indicate the offset direction),the black solid line indicates the arithmetic average of the offset.

4 類硼Ar13+離子M1 躍遷精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 Ar13+離子的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為了檢驗(yàn)新的校刻系統(tǒng)標(biāo)定方法和新?？滔到y(tǒng)不確定度的可靠性,獨(dú)立測(cè)量了高電荷態(tài)Ar13+離子基態(tài)精細(xì)結(jié)構(gòu)1s22s22p2P1/2—2P3/2躍遷的發(fā)射光譜.類硼離子的M1 躍遷不僅可用于高精度檢驗(yàn)QED 效應(yīng),并且是高電荷態(tài)離子光鐘的最佳候選躍遷之一,而類硼Ar13+離子的M1 躍遷精密測(cè)量對(duì)實(shí)驗(yàn)室和天體等離子體的溫度和密度診斷起著至關(guān)重要的作用.實(shí)驗(yàn)通過注氣系統(tǒng)使用Ar 氣注入EBIT 中,注氣系統(tǒng)氣壓穩(wěn)定在1.0×10—6Torr,根據(jù)目標(biāo)高電荷態(tài)離子的電離能,調(diào)節(jié)合適的電子束能量,碰撞電離產(chǎn)生所需高電荷態(tài)離子.Ar13+的1s22s22p2P1/2—2P3/2躍遷測(cè)量使用上述的SHHtscEBIT 和圖3(c)的新的?？滔到y(tǒng),每張光譜圖累計(jì)時(shí)長(zhǎng)3600 s,由于測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 h,所以在此期間會(huì)存在溫度變化引起的機(jī)械漂移,導(dǎo)致產(chǎn)生一定的誤差,為降低該誤差,在每次測(cè)量前后都分別做一次校刻,?？探Y(jié)果取光譜測(cè)量前后兩次的平均值,用以消除機(jī)械漂移.通過對(duì)測(cè)量得到的光譜圖進(jìn)行處理,得到如圖5(a)所示的一維?？叹€譜線,通過高斯函數(shù)擬合得到?？叹€的波長(zhǎng)(表2),使用最小二乘法得到色散函數(shù)的二次或三次多項(xiàng)式,用以對(duì)每次光譜測(cè)量進(jìn)行評(píng)估.圖5(b)是一階、二階和三階多項(xiàng)式函數(shù)擬合的色散函數(shù)的殘差.圖5(c)為圖5(b)中二階和三階擬合的色散函數(shù)的殘差的放大圖,用來評(píng)估擬合色散函數(shù)的不確定度,其中淺色帶為擬合一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的置信區(qū)間.

圖5 (a)Kr 燈校刻線的光譜圖;(b)使用一階(方框)、二階(圓)和三階(叉)多項(xiàng)式擬合色散函數(shù)的所有殘差;(c)二階和三階多項(xiàng)式擬合殘差的放大,淺色帶為二階多項(xiàng)式擬合的一倍標(biāo)準(zhǔn)差置信帶Fig.5.(a)Spectrum of Kr lamp calibration line;(b)all residuals from the dispersion function fit,using first (square),second (circle),and third (cross)degree polynomials;(c)secondand third-degree polynomial residuals (enlarged scale),the light-colored band is a 1-σ confidence band.

表2 Ar13+的光譜?？套V線位置與NIST 數(shù)據(jù)庫中參考波長(zhǎng)Table 2. Pixel positions of the fitted Ar13+ spectral calibration lines and the corresponding reference wavelength in the NIST database.

為尋找譜線強(qiáng)度最高,即信噪比最好的最適電子束能量,分別測(cè)量了在電子束能量為780,800,810,820 和870 eV 的Ar13+1s22s22p2P1/2—2P3/2磁偶極躍遷的可見光光譜,如圖6(a)所示.對(duì)Ar13+的光譜圖的處理是使用上面得到的色散函數(shù)將橫坐標(biāo)像素轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng),然后對(duì)躍遷譜線的峰進(jìn)行高斯擬合,擬合過程中通過調(diào)整高斯擬合間隔來檢查線形中心的偏移,偏移約為10—5nm,遠(yuǎn)小于統(tǒng)計(jì)的不確定度,可以忽略.如圖6(c)所示,為了降低統(tǒng)計(jì)誤差,對(duì)Ar13+離子的光譜在810 eV 電子束能量下進(jìn)行了多次測(cè)量,并對(duì)多次測(cè)量的結(jié)果以擬合的不確定度作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均,最后得到Ar13+離子1s22s22p2P1/2—2P3/2的加權(quán)平均波長(zhǎng)為(441.2567±0.0006)nm.

圖6 (a)用SH-HtscEBIT 在415—465 nm 范圍內(nèi),獲得了標(biāo)稱電子束能量為780,800,810,820 和870 eV Ar13+離子1s22s22p 2P 基態(tài)M1 躍遷的可見光譜;(b)Ar13+的441 nm 躍遷譜線高斯擬合示例;(c)Ar13+躍遷波長(zhǎng)的多次測(cè)量結(jié)果,圖中深色直線表示加權(quán)平均波長(zhǎng),淺色帶表示加權(quán)平均波長(zhǎng)的不確定度Fig.6.(a)With SH-HtscEBIT in the range of 415—465 nm,the visible spectrum of the M1 transition for the 2s22p 2P ground term of Ar13+ with nominal electron beam energy of 780,800,810,820 and 870 eV were obtained;(b)Gaussian fitting example of 441 nm transition spectrum of Ar13+;(c)multiple measurement results of Ar13+ transition wavelength,the dark line in the figure represents the weighted average wavelength,and the light color band represents the uncertainty of the weighted average wavelength.

4.2 不確定度分析

測(cè)量結(jié)果的不確定度主要來源于譜線中心、色散函數(shù)、?？叹€以及?？滔到y(tǒng)的不確定度.譜線中心的不確定度主要是信噪比不足引起的,在擬合的過程中,通過改變譜線中心周圍的擬合間隔來檢查線的輪廓與理想高斯形狀的偏差,使用合理的擬合間隔,最終得到的線形中心的偏移約為10—5nm,遠(yuǎn)低于統(tǒng)計(jì)的不確定度.對(duì)于測(cè)量的高電荷態(tài)Ar13+離子,由電子束空間電荷的斯塔克效應(yīng)引起的線形中心的波長(zhǎng)移動(dòng)和碰撞引起的波長(zhǎng)位移在當(dāng)前的測(cè)量精度下都可以忽略.為了降低統(tǒng)計(jì)誤差,對(duì)目標(biāo)線進(jìn)行了多次測(cè)量,波長(zhǎng)結(jié)果取加權(quán)平均的躍遷波長(zhǎng),最終得到Ar13+離子磁偶極躍遷線形中心的不確定度為0.6 pm.

色散函數(shù)的不確定度主要來源于?？叹€中心的高斯擬合的不確定度和色散函數(shù)使用二次或三次多項(xiàng)式擬合的統(tǒng)計(jì)不確定度.通過計(jì)算色散函數(shù)擬合的多項(xiàng)式殘差的標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)估擬合引起的色散函數(shù)的不確定度,對(duì)多次測(cè)量結(jié)果的色散函數(shù)的不確定度取平均值,得到Ar13+離子測(cè)量過程中色散函數(shù)的不確定度為0.5 pm.

?？踢^程中使用的校刻線的參考波長(zhǎng)來自于NIST 數(shù)據(jù)庫中的Ritz 波長(zhǎng)(空氣中),不同?？叹€的不確定度不一樣,?？叹€的不確定度取Ar13+離子測(cè)量使用的?？叹€的所有不確定度中的最大值,為0.01 pm.此次使用的新?？滔到y(tǒng)在第3 部分已經(jīng)評(píng)估過不確定度(1.76 pm).實(shí)驗(yàn)室的溫度控制在(20±0.5)℃,因此溫度引起的熱漂移可以被忽略.最終測(cè)量波長(zhǎng)總不確定度是統(tǒng)計(jì)誤差(線形中心的不確定度與色散函數(shù)的不確定度的平方和開根)與系統(tǒng)誤差(?？叹€的不確定度與?？滔到y(tǒng)的不確定度線性相加)直接線性相加得到.Ar13+離子測(cè)量波長(zhǎng)的所有不確定度見表3.最終實(shí)驗(yàn)得到的Ar13+的M1 躍遷波長(zhǎng)為(441.2567±0.0026)nm,與目前國際上最精確的測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)符合(表4)[8,25,33-43].Ar13+離子躍遷線的精密測(cè)量結(jié)果證明了新的校刻方案的可靠性,為下一步開展更高精度的高電荷態(tài)離子精密譜學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).

表3 Ar13+離子測(cè)量波長(zhǎng)的不確定度Table 3.Uncertainties of the measured wavelengths for Ar13+.

表4 Ar13+躍遷波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果比較 (空氣中)Table 4.Comparison of experimental and theoretical results of transition wavelength Ar13+ (in Air).

5 結(jié)論與展望

基于上海高溫超導(dǎo)電子束離子阱,搭建了一套新的光譜外?？滔到y(tǒng),對(duì)新的校刻系統(tǒng)和光譜標(biāo)定方法進(jìn)行測(cè)試,使用Czerny-Turner型光柵光譜儀測(cè)量通過?？滔到y(tǒng)的Ne 標(biāo)準(zhǔn)?？虩艄庾V與注入EBIT 的Ne 氣的光譜,通過對(duì)比同一條譜線的偏移,確定了新的?？滔到y(tǒng)的不確定度為1.76 pm.為了驗(yàn)證新的校刻系統(tǒng),使用SH-HtscEBIT 制備了Ar13+離子,并測(cè)量了其1s22s22p2P1/2—2P3/2的M1躍遷發(fā)射譜,實(shí)驗(yàn)得到的躍遷波長(zhǎng)為(441.2567±0.0026)nm,光譜的測(cè)量結(jié)果與之前在SH-Htsc EBIT 測(cè)量的結(jié)果相比[31],精度提高了1 個(gè)數(shù)量級(jí),與理論計(jì)算的結(jié)果符合[41,42],且與目前國際上最精確的測(cè)量結(jié)果吻合[44].新的光譜外?？滔到y(tǒng)將由外?？桃鸬南到y(tǒng)誤差降低了1 個(gè)數(shù)量級(jí),能夠?yàn)镾H-HtscEBIT 上高電荷態(tài)離子精密譜學(xué)實(shí)驗(yàn)的躍遷波長(zhǎng)的高精度標(biāo)定提供保障,在即將開展的類硼S11+和Cl12+離子基態(tài)精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷波長(zhǎng)精密測(cè)量中,躍遷波長(zhǎng)精度相比于目前NIST 數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)精度有望提高1—2 個(gè)數(shù)量級(jí).這些精密測(cè)量的結(jié)果不僅可以補(bǔ)充和驗(yàn)證相關(guān)的原子譜線數(shù)據(jù),還為將要開展的高電荷態(tài)離子超精細(xì)分裂和同位素位移等精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).