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Sm Ⅱ奇宇称高激发态能级寿命的时间分辨激光光谱测量

作　者: 李鹏飞
导　师: 戴振文
学　校: 吉林大学
专　业: 光学
关键词: 一价钐离子高激发态自发辐射寿命时间分辨激光光谱激光诱导等离子体
分类号: O431.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

元素丰度是指化学元素及其同位素在各类物体中的相对含量,它是解释各类天体演化过程的基础。近些年,随着天文观测技术的发展,越来越多的新星和新的天文现象被发现,而对它们化学成分构成的分析也成为了一个人们感兴趣的问题。天体光谱学就是人们解决此问题的学科,他通过物理方法(主要是光学方法)将天体所辐射或反射的光波分解为光谱,之后根据光谱分析理论和近代物理学理论(主要是理论物理学和原子光谱学)来分析天体的化学构成,即化学组成和元素丰度。而要想对天体光谱进行精确分析,我们就要有大量的光谱数据作为基础,因此,尽快完善重要元素的光谱数据成为目前分析天体形成及其结构等问题的一个重要方面。随着激光器的问世,激光光谱学逐渐发展成为一门成熟的学科,这给我们测量精确的光谱数据提供了可靠的技术支持。因此,目前正是我们开展相关方面研究的一个很好时机。在天体研究领域,人们非常重视天体中重元素丰度的研究,对于许多恒星,重元素(特别是第六周期元素)的核合成理论模型仍需要精确的原子离子辐射跃迁数据来验证,因此,这些数据对于运用天体谱线强度确定精确的元素丰度值至关重要。钐(Sm)是元素周期表中第六周期的镧系稀土元素之一,其原子序数为62。从上个世纪七十年代初开始,人们陆续在一些星体中确认了SmⅠ, SmⅡ,SmⅢ等谱线。而目前天体光球光谱中所确认的钐元素谱线主要来自于钐离子,因此,对钐离子高激发态能级自发辐射寿命的精确测量有助于人们对天体星球的进一步认识。到目前为止,钐离子的部分能级寿命已经被测量过了,但是由于SmⅡ能级结构的复杂性,一些以紫外线辐射为主的高激发态能级辐射寿命并没有得到充分的研究,而这些紫外辐射却可能在天体光谱中占据着主要位置。因此,我们选择一价钐离子作为我们本次的研究对象。时间分辨激光诱导荧光光谱技术是一种能够分辨短时间内发生的物理变化的光谱技术,其最典型的应用就是用来测量原子分子辐射荧光寿命,由于激光的强度高,激光诱导荧光光谱技术不仅可以对跃迁几率比较小的能级实现激发,也可以对高激发态能级进行激发,并使测量结果具有较高的精度。因此我们利用此技术对一价钐离子的高激发态能级寿命进行测量。一价钐离子激发态能级到各低能级的跃迁几率不同并且受选择定则的限制,因此我们测量自发辐射寿命时不能都从基态激发,而为了测量更多激发态能级的辐射寿命,需要通过多个亚稳态和低激发态作为起始能级以获得不同激发态能级的布居。我们知道,激光诱导产生的等离子体由高激发态向低激发态衰变过程中能够使得各亚稳态和低激发态有足够多的布居。因此,我们采用激光诱导等离子体技术来获得离子源。但由于以此产生的离子源中同时含有钐原子和其他各价离子,导致离子源的光谱线变得非常复杂,因此,我们在测量前尽可能的收集所有能查到的钐原子及其各价离子的能级以便能够选择合适的激发通道。在测量寿命时,我们在等离子体中施加一个合适的强磁场以避免等离子体内离子、电子的复合过程导致离子源的不稳定引起的寿命测量的误差,这同时也消除了量子拍效应对寿命测量的影响。另外,通过在合适的激发条件下大范围地增大激发脉冲与烧蚀脉冲间的延迟时间来极大地减小受激钐离子数密度,以减小测量过程中由于粒子间碰撞、超辐射效应和饱和效应对寿命测量造成的影响。而通过选择合适的单色仪狭缝和激发脉冲与烧蚀脉冲间的延迟时间,可以尽可能地减小飞出视场效应对寿命测量的影响。最后,为了获得高信噪比的荧光曲线,我们尽可能地选择较强的荧光观测通道,并且每个采集到的信号都是通过对2000次激发的荧光曲线作平均获得的。对于长寿命能级,对其寿命的评价采用e指数拟合来完成。对于短寿命,为了去除激发光脉宽和探测系统响应函数对寿命测量的影响,在评价寿命值时,用可变参数的e指数曲线和由同一探测系统记录的激发光脉冲曲线做卷积来拟合荧光衰变曲线。本论文利用激光诱导等离子体技术和时间分辨激光诱导荧光光谱技术对一价钐离子奇宇称高激发态能级自发辐射寿命进行测量,并通过对采集到的荧光衰减曲线进行e指数拟合,同时运用误差分析理论对所得寿命进行误差分析,共得到了53个钐离子高激发态能级的自发辐射寿命,他们的能级寿命范围在10.9 ns到271.4 ns之间。其中有7条是高于35000 cm-1的高激发态能级,对这些能级寿命的测量弥补了对这一能级范围内钐离子能级辐射特性研究的不足,为天体光谱分析提供了必要的钐离子高激发态辐射特性的数据。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-17
  1.1 元素丰度  12-13
  1.2 天体物理学  13
  1.3 天体光谱学  13-15
  1.4 激光光谱学  15-16
  1.5 钐元素光谱  16-17
第二章实验基本原理和装置  17-31
  2.1 实验基本原理  17-25
    2.1.1 高激发态能级自发辐射寿命  17-18
    2.1.2 测量能级自发辐射寿命的方法推导  18-19
    2.1.3 测量能级自发辐射寿命的实验方法  19-22
    2.1.4 离子源的获得方法  22-23
    2.1.5 大范围可调谐激光的获得  23-25
  2.2 实验基本装置  25-28
    2.2.1 真空离子束系统装置  25-27
    2.2.2 荧光收集系统  27
    2.2.3 激光系统  27-28
  2.3 自发辐射寿命测量的误差理论  28-31
第三章测量结果及讨论  31-43
  3.1 实验基本过程  31-33
  3.2 实验测量方法  33-37
  3.3 实验结果及讨论  37-43
第四章总结  43-45
参考文献  45-48
致谢  48

Sm Ⅱ奇宇称高激发态能级寿命的时间分辨激光光谱测量

内容摘要

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