Киреев Оптические методы детектирования долгоживусчих изотопов ёда 2010

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

устанавливались перпендикулярно к оптической оси лазера. Лазер генерировал три продольные моды, имеющие круговые поляризации, с общей мощностью ≈ 0,1 Вт. С помощью четвертьволновой

пластинки	и	поляризатора	+	, σ	-	–	компоненты
			выделялисьσ

поляризации (c/2L = 270 МГц).

1

2

3

Рис. 3.5. Зависимости сигнала флуоресценции 127I2 от частотного сдвига линии усиления 3He-20Ne лазера при различных давлениях воздуха: 1 – 0 Торр; 2 – 64 Торр; 3 – 121 Торр.

Нуль шкалы соответствует условиям возбуждения флуоресценции в отсутствие магнитного поля

Лазерное излучение модулировалось низкочастотным прерывателем луча и поступало в ячейку. Флуоресценция выделялась на фоне рассеянного лазерного излучения с помощью абсорбционного светофильтра с областью пропускания650–800 нм (стоксовая часть), поскольку в этом диапазоне имеет место большая интенсивность по сравнению с антистоксовой областью. Концентрация йода в ячейке всегда была равной 1.1016 см-3.

На рис. 3.5 приведена типичная зависимость сигнала флуоресценции от частоты излучения лазера(под частотой излучения под-

101

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

разумевается частота центральной моды) для атмосферного воздуха.

Отметим, что данная зависимость построена с учетом коэффициентов, компенсирующих ослабление сигнала из-за тушения флуоресценции (масштаб кривых 2 и 3 увеличен вследствие их малой интенсивности флуоресценции). Как видно из рисунка, уже при давлениях буфера ~ 100 Торр контур линии поглощения существенно уширен.

С целью определения параметров столкновительного уширения линии поглощения 6–3 P(33) измерялась зависимость относительной

ширины наблюдаемого контура линииDω1/ 2 /Dω1/0 2 (где Dω1/0 2 –

ширина линии в отсутствие буфера) от давления различных буферных газов. На рис. 3.6 показан пример такой зависимости для атмо-

сферного воздуха. Связь Dω1/ 2 /DωD и γст /DωD , как известно, может быть получена с помощью интеграла Фойгта (рис. 3.7). Учет многомодовости излучения лазера проводился путем введения по-

правки к измеряемой ширине Dω1/ 2 . Величина этой поправки оп-

ределялась			как разность доплеровской ширины	линии6–3 P(33)
( Dω	D	≈ 850 МГц [113]) и измеренной ширины ( Dω0		=1,3±0,2 ГГц).
			1/2
На рис.			3.8 приведены полученные из эксперимента зависимо-

сти γст от давления рассматриваемых буферных газов. Соответствующие значения полученных констант столкнови-

тельного уширения kст [МГц/Торр] для ряда инертных газов, атмосферного воздуха и диоксида углерода приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Газ	Не	Ne	Ar	Kr	Xe	Воздух	CO2
kст, МГц/Торр	6,2	6,4	6,6	7,6	9,4	10,4	11,9

В отличие от констант столкновительного тушения флуоресценции kВ, найденные значения kст незначительно различаются для разных по физико-химическим свойствам буферных газов. Это соответствует результатам модели [262] – достаточно слабым степенным зависимостям столкновительной ширины линии от - пара метров молекул буфера.

102

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Рис. 3.6. Зависимость относительной ширины контура линии 6–3 Р(33) йода-127 от давления воздуха

Рис. 3.7. Зависимости величины Dω1/ 2 /DωD

от величины γ/Dω D

103

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Воздух

Рис. 3.8. Зависимости γст от давления буферных газов

Правомерность использования данной теоретической модели следует из анализа отношения столкновительной ширины линии к сдвигу ее центра.

Экспериментально наблюдался сдвиг в длинноволновую часть спектра центра линии 6–3 Р(33) с ростом давления буферных газов, причем отношение столкновительной ширины(определенной в рамках данной модели) к сдвигу (измерявшемуся экспериментально) для разных буферных газов составляло3,4/0,3, что находится в хорошем согласии с теорией. Следовательно, можно сделать вывод о том, что основной вклад в столкновительное уширение линии поглощения должны вносить упругие взаимодействия молекул йода и буфера.

Отношения сечений тушения флуоресценции127I2 буферными га-

зами и эффективных сечений столкновительного уширения линии 6–3 Р(33) 127I2 изменяются в диапазоне от 3 (для CO2) до 80 (для He). Это

104

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

означает, что столкновения, приводящие к уширению линии поглощения, являются гораздо более вероятными. Такие столкновения происходят даже в несколько раз чаще стандартных газокинетических столкновений (что следует из сравнения соответствующих сечений). Следовательно, основной вклад в столкновительное уширение линий поглощения йода вносят слабыеупругие взаимодействия йода и буфера, приводящие лишь к сбоям фазы при поглощении молекулой йода электромагнитной волны.

Полученные значения параметров столкновительного уширения линий поглощения йода могут быть использованы в целом ряде научных и прикладных задач. В частности, в настоящей работе они позволили определить оптимальное давление атмосферного воздуха в измерительной ячейке (с точки зрения максимальной чувствительности детектирования изотопов йода лазерно-флуоресцентным методом на базе гелий-неонового лазера).

3.2.2. Оптимальное давление буферного газа при детектировании изотопов йода в атмосфере

При решении вопроса об оптимизации давления буферного газа (в данном случае атмосферного воздуха) в задаче детектирования изотопов молекулярного йода в атмосфере проанализируем зависимость интенсивности флуоресценции йода от полного давления газовой смеси, состоящей из йода и воздуха. Для этого сначала запишем выражение для интенсивности флуоресценции в виде

n	n		nI
F(nI ; nB ) = åFi (nI ; nB ) = åCiσiпогл (nI ; nB )					,
		i		i
i=1	i=1	1+ kS nI +kB nB

где Ci = Iτi0βi / τiфл , а суммирование происходит по всем линиям

поглощения.

Заметим, во-первых, что для концентраций йода меньше, чем 1015 см-3 (что соответствует возможным концентрациям йода в атмо-

сферном воздухе), kS nI << 1, а сечение поглощения практически не

зависит от концентрации йода. Во-вторых, в реальных условиях проведения измерений при изменении давления в ячейке остается неизменным соотношение между концентрациями йода и воздуха.

105

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Введя полную концентрацию газовой смеси в ячейкеnсм, это условие можно записать следующим образом: nI = a1nсм; nB = a2nсм.

Тогда:

	n		a1 pсм	/ kT
F ( pсм ) = åCi		i
		σпогл ( pсм )			.
			i
	i =1		1 + kB a2 pсм / kT
Величина	(a1 pсм / kT ) / (1 + kBi a2 pсм / kT )			возрастает		с	увеличе-
нием pсм и	достигает	максимального		значенияa / k i			a	2	при
					1	B

kBi a2 pсм / kT >>1 (pсм > 5–10 Торр, см. гл. 2).

Что касается сечения поглощения, то характер его зависимости от давления определяется взаимным расположением частоты возбуждения и линии поглощения йода. При их совпадении уширение линии с ростом давления будет приводить к уменьшению погло-

щения. Если же частота возбуждающего излучения попадает на крыло линии поглощения, то можно предположить, что увеличение давления в определенном диапазоне будет способствовать возрастанию поглощения. В общем случае для молекулы йода, имеющей несколько линий поглощения вблизи частоты излучения гелийнеонового лазера, суммарное поглощение будет определяться степенью перекрытия отдельных линий и изменением их формы при изменении давления.

С помощью определенных значений коэффициентов тушения и столкновительного уширения линий поглощения были проведены расчеты зависимостей интенсивности флуоресценции изотопов молекулярного йода-129 и йода-127 от давления газовой смеси. Расчеты проводились при использовании в качестве буферного газа атмосферного воздуха, при температуре газовой смеси в поглощающей ячейке 300 К, на частоте w0, соответствующей частоте He- 20Ne лазера и при отношении a1/ a2 = 10-4.

В качестве примера на рис. 3.9 приведены соответствующие зависимости для линий поглощения6–3 P(33), 8–4 P(54), 8–4 R(60) йода-129. Зависимость для линии поглощения 12–6 Р(69) на рисунке не приведена, поскольку из-за низкой населенности уровня(6,

69) интенсивность ее флуоресценции не превышает нескольких

106

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

процентов по сравнению с интенсивностями флуоресценции других линий.

1

2

3

Рис. 3.9. Расчетные зависимости интенсивности флуоресценции для линий 6–3 Р(33) (1), 8–4 Р(54) (2) и 8–4 R(60) (3)

йода-129 от давления смеси йод–воздух. Начальная концентрация йода в ячейке – 1016 см-3

Видно, что характер приведенных кривых примерно одинаков для линий 8–4 P(54), 8–4 R(60) и отличается от поведения зависимости для линии 6–3 P(33). Это обусловлено различным положением частот линий поглощения относительно частоты возбуждающего излучения w0. Центр линии 6–3 P(33) сдвинут относительно w0 на 2 ГГц в коротковолновую область спектра, в то время как центры линий 8–4 P(54), 8–4 R(60) расположены вблизи w0. Поэтому уширение линии 6–3 P(33) при понижении давления воздуха до

250 Торр приводит у росту σпогл , а при больших давлениях воздуха

107

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

σпогл понижается. В то же время для линий 8–4 σпогл уменьшается

уже при давлениях > 60 Торр.

На рис. 3.10 приведена расчетная зависимость результирующей интенсивности флуоресценции йода-129 от давления атмосферного воздуха. Максимум интенсивности достигается при давлении буфера ≈ 100 Торр и превышает интенсивность флуоресценции при атмосферном давлении газовой смеси приблизительно в два раза.

Рис. 3.10. Расчетная зависимость интенсивности флуоресценции йода-129 от давления смеси йод–воздух.

Начальная концентрация йода в ячейке – 1016 см-3

Экспериментальные исследования проводились со смесью изотопов йода 129I2:129I127I:127I2 и с естественным изотопом 127I2 при тех

же условиях, что и расчеты.

На рис. 3.11 приведены экспериментальная (точки) и расчетная (сплошные линии) зависимости интенсивности флуоресценции йода-127 от давления смеси йода и воздуха.

Как видно, наблюдается достаточно хорошее согласие расчетных и экспериментальных результатов. Максимум интенсивности

108

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

флуоресценции достигается при давлении воздуха70 Торр и превышает интенсивность при атмосферном давлении более чем в два раза. Поведение представленной зависимости можно объяснить следующим образом. Поскольку центр линии 6–3 P(33) смещен относительно w0 на 0,85 ГГц, то столкновительное уширение этой линии при увеличении давления до 85–90 Торр способствует росту поглощения. Напротив, центр линии 11–5 R(127) практически совпадает с w0, и уширение этой линии приводит к уменьшению поглощения. Совместный вклад двух линий приводит к максимуму интенсивности при давлении 70 Торр.

Рис. 3.11. Расчетная (линия) и экспериментальная (точки) зависимости интенсивности флуоресценции йода-127 от давления смеси йод–воздух. Начальная концентрация йода в ячейке – 1016 см-3

109

Глава 3. Факторы, влияющие на чувствительность детектирования йода

Расчетные и экспериментальные зависимости интенсивности флуоресценции смеси изотопов йода от давления атмосферного воздуха приведены на рис. 3.12.

1

2

Рис. 3.12. Расчетные (линии) и экспериментальные (точки) зависимости интенсивности флуоресценции смеси изотопов йода

встоксовой (1) и антистоксовой (2) областях спектра от давления смеси йод–воздух. Начальная концентрация йода – 1016 см-3

Встоксовой области максимальная величина интенсивности флуоресценции достигается, как и для расчетной зависимости для

йода-129, при давлении ≈ 100 Торр, что объясняется, главным образом, преобладающим содержанием молекулы 129I2 в смеси. В антистоксовой области поведение зависимостей практически такое же. Общее уменьшение интенсивности флуоресценции (примерно в 5 раз) связано, как уже отмечалось, с меньшим числом спектральных линий в антистоксовом диапазоне спектра йода.

110