時間分辨激光誘導熒光光譜法測量釩原子3d34s4p奇宇稱能級自然輻射壽命

姜立運， 賀雅奇， 張 磊， 徐 峰

(陜西理工大學 物理與電信工程學院， 陜西 漢中 723000)

激光誘導熒光光譜法測量原子和離子能級自然輻射壽命是目前公認的較為可靠的測量能級壽命的方法之一。對自然輻射壽命的測量研究可以驗證原子和離子的能級位置、價電子的耦合機制和總角動量量子數(shù)等信息。另外，結(jié)合實驗測量的能級壽命和躍遷分支比確定的振子強度值，被天體物理學家用來計算宇宙星體中元素的豐度值并由此推算星體的年齡、演化過程和表面環(huán)境等相關(guān)的天體物理參數(shù)[1-2]。因此，原子和離子能級的自然輻射壽命等基礎(chǔ)光譜數(shù)據(jù)的測量研究非常重要。

近年來，屬于過渡族元素的金屬釩，因其在冶金、納米材料和綠色環(huán)保電池中的優(yōu)異表現(xiàn)引起了人們的廣泛關(guān)注[3-4]。此外，對宇宙天體輻射光譜的研究中，釩原子的譜線也在太陽光球?qū)雍投鄠€冷A型特殊星(AP星)光譜中被觀測到[5-7]。因此，通過實驗測量和理論計算等手段獲取大量精確的釩原子結(jié)構(gòu)和光譜數(shù)據(jù)，不斷改進和完善釩原子結(jié)構(gòu)模型參數(shù)，以實現(xiàn)更好的開發(fā)利用釩原子是人類目前迫切需要解決的科學問題之一。自1973年開始，利用束-箔技術(shù)、金屬熱蒸發(fā)、激光選擇激發(fā)法和激光誘導熒光光譜法，部分釩原子能級的壽命被測量報道[8-11]。2014年，王茜等[12]運用激光誘導熒光光譜法測量了釩原子79條能級的自然輻射壽命，其中75條為首次報道。同年，Den Hartog等[13]用空芯陰極燈生成原子束的激光誘導熒光光譜法測量了釩原子介于18 086 cm-1至47 702 cm-1之間168條能級的自然輻射壽命，其中61條為首次報道。最近幾年，關(guān)于釩元素的研究多為高階離子理論方面的計算模擬[14-16]，但是所用理論模型參數(shù)仍然需要大量精確實驗數(shù)據(jù)進行不斷修正。

本文在對上述研究工作細致調(diào)研后，測量了釩原子6條高于40 000 cm-1高激發(fā)態(tài)能級的自然輻射壽命值，其中3條能級的壽命為首次報道。這些結(jié)果提供了部分能級存在的實驗依據(jù)，進一步填充了釩原子能級光譜數(shù)據(jù)庫。

1 基本原理

見圖1，被激發(fā)到目標能級Ei上的電子會通過受激輻射、自發(fā)輻射和無輻射等過程躍遷到符合選擇定則的低能級。在實驗過程中，如果激發(fā)光在t=0時刻停止，則可以近似認為能級Ei的弛豫過程只包含自發(fā)輻射過程，粒子數(shù)密度Ni隨時間t變化的關(guān)系由下式?jīng)Q定：

圖1 激發(fā)態(tài)能級Ei輻射過程示意圖Fig.1 Diagram of radiative process from excited energy level Ei

(1)

式中：Ni(0)是t=0時刻能級Ei的粒子數(shù)密度；τi是Ei能級的自發(fā)輻射壽命。

由此可得能級Ei的輻射熒光強度與時間的關(guān)系表達式為：

(2)

式中：Iij(0)表示t=0時刻能級Ei向低能級輻射的熒光強度。由式(2)可看出，激發(fā)態(tài)能級輻射的熒光強度隨時間作自然指數(shù)衰減變化，因此只要通過實驗測量出熒光輻射隨時間變化的曲線就可以得到能級的自發(fā)輻射壽命。

2 實驗裝置

測量釩原子能級壽命的裝置見圖2，大致可分為等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)，激發(fā)系統(tǒng)，真空系統(tǒng)和探測系統(tǒng)四部分。

圖2 釩原子壽命測量實驗裝置圖Fig.2 Experimental setup of lifetimes measurements of V I

2.1 等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)

利用Nd:YAG激光器B(Continuum Precision II)輸出的波長為532 nm，能量為5～10 mJ的激光脈沖經(jīng)過凸透鏡聚焦到安裝在旋轉(zhuǎn)桿上的釩金屬靶片表面，通過燒蝕產(chǎn)生圓錐體形狀的包含原子和低價離子的釩等離子體，見圖3。

圖3 激光燒蝕示意圖Fig.3 Diagram of laser ablation

2.2 激發(fā)系統(tǒng)

運用激光器A(Spectra-Physics Quanta-Ray)輸出的激光脈沖泵浦染料激光器(Sirah Cobra-Stretch)，使用DCM染料時可以獲得輸出波長范圍為604～658 nm的激發(fā)光，經(jīng)過BBO晶體倍頻后波長范圍可拓展到205～220 nm。激發(fā)光沿水平方向入射到釩靶上方8～10 mm處等離子體區(qū)域內(nèi)與其相互作用，自由原子的電子受激躍遷到待測能級上。激發(fā)脈沖與燒蝕脈沖之間的時間延遲由一臺數(shù)字延遲信號發(fā)生器(SRS Model 535)控制。

2.3 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由8面安裝玻璃鏡片的真空室、機械泵和真空泵組成。該系統(tǒng)將真空室氣壓維持在10-3～10-4Pa，沿水平方向的激發(fā)光與豎直方向的燒蝕光產(chǎn)生的等離子體在真空室內(nèi)相互作用，完成電子由基態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)到待測能級的躍遷。

2.4 探測系統(tǒng)

待測能級輻射的熒光經(jīng)過濾波片濾除散射波后被石英透鏡聚焦到單色儀狹縫處，通過單色儀選擇觀測波長，篩選后的熒光由光電倍增管(Hamamatsu R3809U-58，上升時間為163 ps)收集信號并將其傳輸?shù)?.5 GHz示波器((Tektronix DPO 7254)上顯示并測量數(shù)據(jù)。通過恰當選取觀測波長判斷信號的能級歸屬，排除干擾能級后，調(diào)節(jié)出信號較強且受干擾較小的觀測波長來采集熒光信號。

3 壽命測量

根據(jù)美國國家標準與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)原子光譜數(shù)據(jù)庫和Sugar等[17]發(fā)表的文獻提供的釩原子和一價離子能級計算出所有高能級的激發(fā)波長和符合躍遷選擇定則的向低能級輻射波長，以確定激發(fā)方案和熒光信號的觀測波長。以40 693.83 cm-1能級為例，其采集自發(fā)輻射熒光的激發(fā)和觀測波長見圖4。

圖4 40 693.83 cm-1能級激發(fā)和觀測方案圖Fig.4 Excitation and observation scheme diagram of 40 693.83 cm-1

采集熒光衰減曲線數(shù)據(jù)時，通過對信號進行1 000次平均來提高其信噪比。采集10條以上燒蝕激光和激發(fā)激光之間不同延遲時間條件下的熒光曲線，以確保獲得不受激發(fā)光影響的壽命值，見圖5。

圖5 42 245.45 cm-1能級壽命與延遲時間關(guān)系圖Fig.5 Relationship between lifetimes and delaytimes of 42 245.45 cm-1

在采集熒光數(shù)據(jù)的中間和結(jié)尾階段，我們遮擋燒蝕激光并采集激發(fā)光脈沖曲線，通過對熒光衰減曲線作激發(fā)光脈沖和純自然指數(shù)函數(shù)的解卷積擬合來獲得能級的自發(fā)輻射壽命，圖6為42 245.45 cm-1能級的解卷積擬合結(jié)果。對于實驗過程中可能會出現(xiàn)的影響壽命精確度的碰撞效應(yīng)、超輻射效應(yīng)、飽和效應(yīng)、飛出視場效應(yīng)、量子拍效應(yīng)和復合背景光等，我們均采取了有效的措施進行消除或避免[18-19]。

圖6 42 245.45 cm-1能級熒光信號與激發(fā)光解卷積擬合圖Fig.6 Fitted deconvolution curve between fluorescence signal and laser pulse of 42 245.45 cm-1

4 結(jié)果與討論

本文所測量的釩原子奇宇稱能級的自然輻射壽命結(jié)果見表1，共測量了電子組態(tài)為3d34s4p的能級位置高于40 000 cm-1的6條能級壽命結(jié)果，其中3條壽命值為首次報道。為了證明我們實驗測量結(jié)果的可靠性，將文獻中可以查到的Wang等[12]和Den Hartog等[13]測量的部分能級壽命結(jié)果也列入表1中。從比較結(jié)果來看，我們與以上二者的測量結(jié)果符合得很好，誤差范圍不超過±5%，這充分證明了我們所測數(shù)據(jù)是非常可靠的。通過比對我們發(fā)現(xiàn)40 299.87 cm-1和40 437.36 cm-1兩條能級并未收錄到NIST數(shù)據(jù)庫中，這說明在收錄和編輯釩原子能級數(shù)據(jù)時，對于這兩條能級參數(shù)的可靠性是持懷疑態(tài)度的，本文通過實驗測量出二者的能級壽命，很好的證明了這兩條能級光譜參數(shù)的可靠性。

表1 釩原子奇宇稱能級自然輻射壽命及相應(yīng)激發(fā)方案表

5 結(jié) 論

本文共測量了6條釩原子奇宇稱能級的自然輻射壽命值，這些能級均高于40 000 cm-1，所測壽命處于7.3 ns到12.3 ns之間，不確定度不超過±5%。其中3條能級的壽命與Wang等[12]和Den Hartog等[13]測量的結(jié)果比較，在誤差范圍內(nèi)符合得很好，另有3條能級的壽命為首次報道。此外，40 299.87 cm-1和40 437.36 cm-1兩條能級的信息因其可靠性不足未被收錄進NIST數(shù)據(jù)庫，本文通過實驗測量出二者的壽命，有力地證明了其光譜數(shù)據(jù)的可靠性，為豐富釩原子能級數(shù)據(jù)庫提供了實驗依據(jù)。此外，新報道的三條能級壽命結(jié)果有助于聯(lián)合實驗或理論獲得的分支比數(shù)據(jù)確定相應(yīng)譜線的躍遷幾率和振子強度，為原子能級結(jié)構(gòu)、等離子體物理以及天體物理等領(lǐng)域的研究工作提供基本的數(shù)據(jù)參考。