159159TbII超精细结构光谱测量

　第14卷　第1期

　2002年1月强激光与粒子束H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S . 14, N o . 1　V o l Jan . , 2002　文章编号:　100124322(2002) 0120143203

　Tb II 超精细结构光谱测量

3. 中国工程物理研究院, 四川绵阳621900) 159Ξ黎光武1, 2, 　马洪良1, 　李茂生1, 　张雪梅1, 　陆福全1, 　彭先觉3, 　杨福家1(1. 复旦大学现代物理研究所, 上海200433; 　2. 中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川绵阳621900;

　　摘　要:　利用具有光谱高分辨和选择性激发等特点的共线快离子束激光光谱学方法研究了159

97092, 3 2) 的超精细结构光谱, 所有光谱线可以很好地分辨; 并T b II 亚稳态4f 5d H 8和激发态4f 6p 3 2(15

由实验测量到的高分辨超精细结构光谱, 给出了相应能级的超精细结构常数。

　　关键词:　共线快离子束激光光谱学; 　超精细结构; 　T b II ; 　共振激发

　　中图分类号:　O 43311; 　O 562. 3　　　　文献标识码:　A

　　核外电子在原子核处产生电磁场, 这个电磁场与核自旋角动量、高阶电磁多极矩相互作用使原子光谱产生比精细结构更小的超精细分裂。核磁矩与核处磁场相互作用产生磁偶极超精细结构; 当原子核电荷分布偏离球对称时形成电四极矩, 它与核外电子产生的电场梯度相互作用引起电四极矩超精细结构。通过测量原子的超精细结构光谱, 得到磁偶极矩和电四极矩常数, 由此提供研究原子核和原子结构两方面的信息。因此, 超精细结构的测量对于研究原子和原子核的基本相互作用具有重要意义, 是研究原子能级结构和能级参数等基本物理特性不可缺少的部分, 同时也为物理、化学、生物学的许多现象提供了可能的测试手段。

　　测量超精细结构光谱的方法主要有傅里叶变换分光仪(Fou rier 2tran sfo rm sp ectro scop y ) [1]、共线快离子束激光光谱学(co llinear fast 2i on 2beam laser sp ectro scop y ) [2, 3]和激光射频双共振光谱学(laser 2rf

[4, 5]。在超精细结构的测量中, 由于分裂尺度很小(

线较大的多普勒宽度, 使得采用普通的光谱学技术很难进行精确的测量。而共线快离子束激光光谱学利用聚速效应和共线束相互作用, 极大地提高了分辨率, 从而可以精确测量元素的同位素移位[6]和超精细结构[7, 8]。自八十年代以来, 超精细结构研究十分活跃, 在诸多研究小组中, 美国阿贡国家实验室、加州大学, 丹麦A arhu s 大学, 比利时L euven 大学, 瑞典U pp sala 大学和日本的原子能研究所、N agoya 大学研究小组的工作尤为突出。国内仅少数单位从事基态的超精细结构研究。

139211　　我们曾经对P r II 576nm 光谱线[8]、L a II 亚稳态5d G 4和激发态4f 5d F 3的超精细结构光谱线

以及相互作用常数作了测量[9]。本实验中, 利用共线

快离子束激光光谱学方法测量了159T b II 580. 48nm

和596. 91nm 光谱线的超精细结构光谱及相互作用

常数。

1　实验装置

　　实验装置如图1所示, 由中空阴极离子源

(D anfysik 911A ) 引出的铽离子束, 经过静电加速器

(0～30keV 可调) 加速后, 由同位素分离器(D an 2

159+fysik 1080230) 分离得到同位素纯的T b 离子束。F ig . 1　Schem atic of the experi m ental setup

离子束进入高真空管道, 经过一组准直孔, 进入靶室图1　实验装置示意图

Ξ收稿日期:2001204220; 　　修订日期:2001208230基金项目:国家自然科学基金资助课题(19874015)

作者简介:黎光武(19592) , 男, 博士, 副研究员, 主要从事核物理、原子物理等领域的研究工作; 绵阳9192212信箱。

与激光发生共线相互作用。在靶室末端, 铽离子束被一个外加电场偏转, 并由法拉第筒所收集。离子源装料为铽的氯化物, 束流大小在1～2Λ激发、以及辐A 左右。为了避免在实验过程中离子产生碰撞猝熄、

射捕获, 靶室中的气压保持在1×10-5Pa 以下。

　　来自氩离子激光器(Coheren t Sab ra ) 波长514. 5nm 的激光泵浦染料激光器(CR 899229, Coheren t Inc . ) , 产生的激光束被分成三束。主光束进入靶室, 与离子束反向共线相互作用。另外两束作为参考光束, 一束进入激光波长计, 以监视激光器运行状况, 排除激光器跳模的干扰; 另一束经过碘池, 吸收后被光电管收集, 以获得碘吸收谱, 绝对刻度激光波长计, 并精确测量激光器扫描频率范围。实验中激光染料采用R 6G , 波长在570～625nm 连续可调, 单色线宽为1M H z 。

　　为了避免离子束在整个飞行过程中与激光发生作用而产生激发, 在靶室中采用了后加速结构。后加速结构由三部分构成, 外部的两个圆盘接地, 中间是一个悬浮的等势法拉第盒, 保持-1keV 的电压。采用这一结构使得离子束在飞行到后加速区时获得一个额外的能量, 这样局部改变离子能量的结构保证感兴趣的跃迁在后加速区发生, 减少亚稳态不必要的损失。离子激发后退激辐射的荧光经过透镜聚焦进入单色仪, 由单色仪的光栅分析后进入光电倍增管(E M I 9789QB ) 。由于选择荧光波长比激光波长小100nm 以上, 所以光栅可以有效地限制杂散激光进入光电倍增管。实验中, 离子束与本底原子、分子碰撞产生的本底荧光仍然可以进入光电倍增管, 为了消除这部分本底荧光的影响, 在单色仪的入口加滤色片。

2　结果与分析

9　　实验测量的159T b II 部分能级如图2所示, 从亚稳态4f 95d 7H 02, 3 2) 的选择性8到激发态4f 6p 3 2(15

激发由波长为580. 48nm 和596. 91nm 激光来实现, 退激荧光波长为351. 01nm 和356. 95nm 。实验中, 激光频率连续扫描范围为3GH z 。图3是159T b II 580. 48nm 光谱线的超精细结构光谱

。

F ig . 2　Partial energy levels of 　159T b II F ig . 3　T yp ical m easured hyperfine spectrum of 　159T b II in 580. 48nm

图2　159T b II

部分能级示意图图3　159T b II 580. 48nm 光谱线的超精细结构光谱

　　超精细能级分裂一般用一级近似计算[10]作分析, 即忽略高阶相互作用对超精细分裂的贡献, 只考虑磁偶极和电四极相互作用。由∃E 来表示超精细能级分裂的计算式为

K (K +1) -2I (I +1) J (J +1) ∃E =A +B 24I (2I -1) J (2J -1)

K =F (F +1) -J (J +1) I (I +1) (1) (2)

式中:A , B 分别表示磁偶极和电四极超精细相互作用常数; I 表原子核的总角动量, 对于159T b II , I 为3 2; J 分别表示核外电子的总角动量; F 为I 与J 耦合后的总角动量。

　　图3由(F ’-F ) 标识超精结构谱峰对应的159T b II 的量子态跃迁, 其中F ’为下能级量子数, F 为上

9能级量子数。由测得的光谱及公式(2) , 用最小二乘法得出亚稳态4f 95d 7H 02, 3 2) 8到激发态4f 6p 3 2(15

的超精细相互作用常数。实验中得到的超精细结构常数列于表1。

表1　159TbII 超精细相互作用常数实验值

Table 1　Exper i m en tal results of hyperf i ne structure con stan ts of 　159TbII Κnm

580. 48

596. 91-level c m 1A M H z B M H z 11261. 5628488. 8328014. 90541. 0±1. 5641. 0±2. 4614. 3±1. 2662. 0±5. 62036. 3±7. 51388. 6±4. 5

3　结束语

　　我们利用共线快离子束激光光谱学方法测量了159T b II 的超精细结构光谱, 并得到了磁偶极矩超精细结构作用常数A 和电四极矩超精细结构作用常数B 。导致实验结果产生误差的原因, 主要有三个方面的因素:一是加速电压的起伏和漂移变化(5V ) , 致使159T b II 离子的速度发生变化(5eV ) ; 二频率标定误差(1M H z ) ; 三是数据处理对误差的贡献。但是, 加速电压的起伏和漂移变化是主要的误差来源。致　谢　感谢复旦大学陈重阳博士对该项研究工作提出的宝贵的建议及中路2玻尔奖学金的资助。

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ducati on P ress , 2000)

Hyperf i ne structure spectru m m ea surem en t for

PEN G X ian 2jue 3, 　YAN G Fu 2jia 1　159Tb II L I Guang 2w u 1, 2, 　M A Hong 2liang 1, 　L IM ao 2sheng 1, 　LU Fu 2quan 1,

　　(1. Institu te of M od ern P hy sics , F ud an U n iversity , S hang ha i 200433, Ch ina ;

2. Institu te of N uclea r P hy sics and Che m istry , CA E P , P . O . B ox 9192212, M iany ang 621900, Ch ina ;

3. Ch ina A cad e m y of E ng ineering P hy sics , P . O . B ox 91921, M iany ang 621900, Ch ina )

　　Abstract :　T he setup of the co llinear fast i on 2beam 2laser spectro scopy (CF I BL S ) w ith the Fab ry 2P ro t in terferom e 2ter is described and the m ethod of analyzing the experi m en tal data is given . T he hyperfine structu res of the tran siti on s

92, 3 2) fo r 　159T b IIw as m easu red by CF I from m etastab le 4f 95d 7H 0BL S . Fo r the h igh spec 28to excited states 4f 6p 3 2(15

tral (sub 2Dopp ler ) reso lu ti on of CF I BL S , the H FS con stan ts A and B of the invo lved levels w ere ob tained w ith s m all er 2. ro rs

　　Key words :　co llinear fast 2i on 2beam laser spectro scopy ; hyperfine structu re ; T b II ; resonan t excitati on