Киреев Оптические методы детектирования долгоживусчих изотопов ёда 2010

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

химическим свойствам газов (от одноатомных инертных до многоатомных молекул) составляют 7–12 МГц/Торр;

· доплеровское уширение, исследованное экспериментально на разных длинах волн видимой области спектра, приводит к величине эффективной DwD » 800–900 МГц.

Что касается столкновительного сдвига, то его величина может быть определена из следующего соотношения:

D » γ с т / 2 , 8 .

Для оценки времен спонтанной предиссоциации можно использовать результаты, полученные в [116–118], а излучательных времен жизни – соотношение, полученное в [119] и справедливое для колебательных уровней В-состояния от 0 до 70:

1 τ fl =1, 2 ×106 - 230 × E(v') ,

где где E(v’) – энергия чисто колебательного состояния.

Таким образом, исходя из изложенного, зависимость интенсивности флуоресценции от температуры и частоты может быть представлена в следующем виде:

n

F0 (ω; T ) = nI I åCi σiпогл (ω;T )βi( v''; J '') (T ), i=1

где Ci = (τi0 τiфл )(1+ kSi nI ) и не зависит от w и Т.

Отметим, что расчеты σпогл проводились для различного числа мод и их распределения. Оказалось, что полученные значения σпогл

практически не зависят от распределения мод лазера и отличаются друг от друга не более, чем на 1–2 % при числе продольных мод ³ 3. В дальнейшем приводятся результаты расчетов для пяти продольных мод (c/2L = 150 МГц). При этом под частотой излучения будет подразумеваться частота центральной моды в лазерном переходе.

Рассмотрим более подробно результаты исследований зависимостей F0 (ω; T ) для изотопов йода-127 и йода-129.

91

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

На рис. 3.1а приведены расчетные зависимости σпогл для линий

поглощения 11–5 R(127) и 6–3 P(33) йода-127 от температуры на частоте w0 излучения He-20Ne лазера, относительно которой центры линий 6–3 P(33) и 11–5 R(127) смещены в длинноволновую область спектра на 0,85 и 0,18 ГГц соответственно.

2

1

Рис. 3.1а. Зависимости сечения поглощения йода-127 от температуры его паров для линий поглощения

11–5 R(127) (1) и 6–3 P(33) (2)

Из-за сдвига центров линий относительноw0 при увеличении температуры σпогл сначала возрастает. Поскольку центр линии 11– 5 R(127) расположен существенно ближе к w0 по сравнению с центром линии 6–3 P(33), то, во-первых, σпогл линии 11–5 R(127) превышает σпогл линии 6–3 P(33) и, во-вторых, уже при T ³ 200 К на-

92

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

чинает уменьшаться, в то время как для линии 6–3 P(33) σпогл уве-

личивается до T ≈ 750 К (приблизительно в 1,7 раз в диапазоне от 300 до 750 К), а затем практически не меняется.

1

2

Рис. 3.1б. Зависимости населенностей уровней (3, 33) (1) и (5, 127) (2) йода-127 от температуры

Что касается населенностей уровней (3, 33) и (5, 127), то, как следует из рис. 3.1б, в рассматриваемом температурном диапазоне населенность колебательно-вращательного уровня(3, 33) превышает населенность уровня (5, 127). В диапазоне температур300– 600 К населенность уровня(3, 33) увеличивается примерно в2 раза, а затем начинает уменьшаться за счет заселения более высокорасположенных уровней, в то время как населенность уровня

93

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

(5, 127) продолжает увеличиваться вплоть до температуры ≈ 1500 К за счет обеднения низколежащих уровней(в том числе и уровня (3, 33)). Поэтому, несмотря на то, что при нормальной температуре (300 К) населенность уровня (5, 127) не превышает 1% от населенности уровня (3, 33), то уже при температуре ≈ 1500 К эта величина составляет около 40%.

1

2

Рис. 3.1в. Зависимости интенсивностей флуоресценции, соответствующих линиям поглощения йода-127 6–3 P(33) (1) и 11–5 R(127) (2), от температуры.

Давление йода – 0,2 Торр, буферные газы отсутствуют

Зависимости интенсивностей флуоресценции от температуры для отдельных уровней йода-127 приведены на рис. 3.1в. Расчеты проводились для стоксовой части спектра флуоресценции йода (640–800 нм). Во всем рассматриваемом диапазоне вклад в величину флуоресценции в большей степени определяется переходом6–3

94

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Р(33), что объясняется тем, что населенность уровня (3, 33) существенно превышает населенность уровня (5, 127).

На рис. 3.1г приведена зависимость суммарной интенсивности флуоресценции йода-127 от температуры. Максимум интенсивности соответствует температуре ≈ 600 К и превышает интенсивность при комнатной температуре приблизительно в 1,6 раза.

На рис. 3.2 приведена зависимость интенсивности флуоресценции йода-127 от температуры его паров и частоты возбуждающего излучения.

Рис. 3.1г. Зависимость интенсивности флуоресценции йода-127 от температуры.

Давление йода – 0,2 Торр, буферные газы отсутствуют

Наибольшая величина интенсивности флуоресценции достигается при температуре T1 = 615 К и частоте излучения w1, смещенной относительно w0 на 0,85 ГГц в длинноволновую часть спектра.

Существенно, что она превышает интенсивность флуоресценции при температуре паров йода 300 К и частоте w0 почти в 20 раз. Положение максимума определяется, главным образом, поведением

95

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

населенности уровня (3, 33) и положением центра линии поглощения 6–3 P(33) относительно w0.

F0, отн. ед.

,

,

Рис. 3.2. Зависимость интенсивности флуоресценции 127I2 от температуры и частоты возбуждающего излучения

Расчеты F0 проводились также и для антистоксовой части спек-

тра флуоресценции йода. В этой части спектра зависимость F0 (ω; T ) может иметь несколько иной вид из-за увеличения влия-

ния в этом диапазоне линии поглощения 11–5 R(127). Это связано с тем, что в антистоксовой части спектра коэффициенты Франка– Кондона для линии 6–3 P(33) существенно меньше соответствующих коэффициентов для линии 11–5 R(127) и, как следствие, линия 11–5 R(127) в большей степени(по сравнению со стоксовой областью) определяет поведение флуоресценции йода-127. Однако, как показали проведенные расчеты, зависимости интенсивности флуоресценции от температуры паров йода и частоты возбуждающего излучения в стоксовой и антистоксовой частях спектра практически одинаковы, а абсолютные значения интенсивности в антистоксовой части спектра примерно в5 раз слабее интенсивности в

96

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

стоксовой части спектра из-за меньшего числа спектральных линий в этой области.

Аналогичные расчеты проводились для йода-129. На рис. 3.3 приведена зависимость интенсивности флуоресценции йода-129 от температуры его паров и частоты возбуждающего излучения, полученная при учете всех линий поглощения.

F0, отн. ед.

,

,

Рис. 3.3. Зависимость интенсивности флуоресценции 129I2 от температуры и частоты возбуждающего излучения.

Концентрация йода – 1016 см-3 , буферные газы отсутствуют

Зависимость имеет два максимума. Первый из них соответствует температуре ≈900 К (при этой температуре достигается наибольшая населенность уровней (4,54) и (4,60)) и частоте, близкой к w0. Этот максимум определяется, главным образом, линиями поглощения 8–4 P(54) и 8–4 R(60). Второй максимум определяется

97

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

линией поглощения 6–3 P(33) и достигается при температуре T2 = = 605 K и частоте w2, сдвинутой относительно w0 на 1,8 ГГц в коротковолновую часть спектра.

Интенсивность флуоресценции во втором максимуме превышает соответствующее значение в первом приблизительно на30%, а по сравнению с величиной при температуре300 К и w0 увеличивается в 25 раз. Переход к антистоксовой области спектра флуоресценции йода-129 привел к тем же результатам, что и для йода-127: уменьшение интенсивности приблизительно в пять раз практически без изменения положения максимумов.

Экспериментальные исследования проводились для различных частот возбуждающего излучения и температур стенок поглощающей ячейки, содержащей 127I2. Подогрев ячейки, изготовленной из молибденового стекла, длиной 10 см и диаметром 2 см обеспечивался с помощью термостата с регулируемой температурой. Концентрация паров йода в ячейке, воздух из которой предварительно откачивался до 1012 см-3, в процессе эксперимента оставалась постоянной и составляла 1016 см-3 благодаря охлаждению отростка с йодом в микрохолодильнике, образованного элементами Пельтье.

Исследования проводились для двух частот излучения: w0 и w1, смещенных относительно w0 приблизительно на 200 МГц в коротковолновую область. Для получения различных частот использовалось различное заполнение активного элемента лазера: в одном случае использовался изотоп неон-20 (w0), а в другом – смесь изо-

топов неона: 80% 20Ne, 20% 22Ne (w1).

Мощность лазерного излучения в обоих случаях составляла примерно 25 мВт. Лазерное излучение модулировалось низкочастотным (200 Гц) механическим прерывателем луча и пропускалось через поглощающую ячейку. Возбуждаемая при этом флуоресценция йода выделялась на фоне рассеянного лазерного излучения с помощью абсорбционного светофильтра с областью пропускания 650–800 нм (стоксовая часть спектра флуоресценции йода) или 570–620 нм (антистоксовая часть) и затем фокусировалась линзами на фотокатод ФЭУ, сигнал с которого регистрировался цифровым вольтметром. Мощность лазерного излучения контролировалась с помощью фотодиодов.

98

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

На рис. 3.4 приведены экспериментальные и расчетные зависимости интенсивностей флуоресценции йода-127 от температуры стенок поглощающей ячейки, соответствующие двум различным частотам возбуждающего излучения. Видно, что в обоих случаях максимальное значение интенсивности флуоресценции достигается приблизительно при температурах 600–650 K. При этом для второго случая (w1) наблюдается более быстрый рост интенсивности при повышении температуры. Однако интенсивность флуоресценции йода-127 на частоте w0 больше. Отметим, что для обоих случаев

экспериментальные и расчетные результаты достаточно хорошо согласуются между собой.

1

2

T, OC

Рис. 3.4. Экспериментальные (точки) и расчетные (линии) зависимости интенсивности флуоресценции йода-127 от температуры: 1 - w0; 2 - w1

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования интенсивности флуоресценции изотопов йода от температуры его паров и частоты возбуждающего излучения в -от сутствие буферного газа показали, что детектирование йода при

99

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

оптимальных диапазонах этих параметров позволяет повысить чувствительность определения его концентрации более чем на порядок по сравнению с измерениями при комнатной температуре и несмещенной частоте излучения He-Ne лазера.

3.2. Исследование влияния давления буферного газа на флуоресценцию изотопов йода

Как уже отмечалось, влияние буферного газа на флуоресценцию проявляется, главным образом, в тушении флуоресценции и уширении линий поглощения. Тушение приводит к существенному уменьшению квантового выхода флуоресценции при увеличении давления буферного газа (см. гл. 2). Что касается уширения линий поглощения изотопов йода, то в зависимости от их расположения относительно частоты возбуждающего излучения оно может привести как к уменьшению, так и к увеличению интенсивности флуоресценции из-за взаимных перекрытий соседних линий поглощения. Поэтому наряду с температурой паров йода и частотой возбуждающего излучения появляется еще один параметр– давление буферного газа – требующий оптимизации относительно достижения наибольшей интенсивности флуоресценции.

3.2.1. Экспериментальное исследование столкновительного уширения линий поглощения изотопов йода

Столкновительное уширение линий поглощения йода для ряда буферных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, CO2 и воздух) исследовалось на примере линии 6–3 P(33) йода-127. Перестройка частоты излучения лазера при одновременной регистрации флуоресценции йода -по зволяла прописывать контур линии поглощения и наблюдать изменение его формы с ростом давления буферных газов. В эксперименте применялся He-20Ne лазер, активный элемент которого помещался в продольное магнитное поле, что обеспечивало диапазон частотной перестройки до 5 ГГц при изменении магнитного поля от 0 до ±1 кЭ. Лазерные окошки имели высококачественное просветление (потери на одной поверхности не превышали0,05 %) и

100