碰撞诱导振动能量转移K_2[1~1Σ_u~+(v′=2)]+He,H_2→K2[1~1Σ_u~+(v′=1,3)]+He,H_2

在样品池条件下,利用激光诱导荧光方法研究了K2[11Σ+u(v′=2)]+He,H2→K2[11Σ+u(v′=1,3)]+He,H2的碰撞能量转移。池温保持在420 K,He和H2气压在40~250 Pa之间变化。脉冲激光激发K2基态至11Σ+u(v′=2)态,荧光中含有直接和碰撞转移荧光成分,记录直接11Σ+u(v′=2)→11Σ+g(v″=0)荧光发射的时间分辨强度。在发射开始时v′=2能级的布居未受v′=1,3→v′=2碰撞转移的影响,因此光强为一纯指数曲线,从强度的对数值给出的直线斜率得到有效寿命,由Stern-Volmer方程得到v′=2→v″=0的辐射寿命为(36±7)ns,v′=2与He和H2碰撞的总的转移截面分别为(3.0±0.5)×10-16cm2和(6.4±1.2)×10-15cm2。在不同的He和H2气压下,测量v′=1,2,3→v″=0的时间积分荧光强度,结合11Σ+u(v′=1,3)能量辐射率的测量,得到了v′=2→v′=1和v′=2→v′=3的碰撞转移面分别为(1.4±0.5)×10-16cm2,(1.2±0.4)×10-16cm2(对K2+He)和(3.2±1.0)×10-15cm2,(2.6±0.9)×10-15cm2(对K2+H2)。     

冬虫夏草中甘露醇和虫草素的TOF-SIMS分析

用飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)分析研究了冬虫夏草中两个最重要的药效活性物质,甘露醇和虫草素,重点研究对应质量数251 amu的质谱峰含有的化学信息。利用TOF-SIMS高质量分辨率的优势, 检测并识别251和252 amu质谱峰的信号有可能不是保健药理活性物质虫草素C₁₀H₁₃N₅O₃(251 amu)产生的分子离子峰M+,[M+H]+,这或许就是文献中有关研究虫草素存在争论的原因。TOF-SIMS分析结果为进一步解读251 amu质谱峰的化学内含、深入研究冬虫夏草中虫草素提供了依据;同时就甘露醇对应的(181 amu附近)TOF-SIMS负离子质谱峰做了细致的解读, 确认181 amu质谱峰是识别冬虫夏草中甘露醇的可靠依据。本研究证明, TOF-SIMS是分析、研究、鉴别冬虫夏草的有效手段。     

Cs(6D_J)+(H_2,H_e)的反应与非反应碰撞能量转移

在样品池条件下,利用原子荧光光谱方法,测量了Cs(6DJ)与H2,He碰撞中的反应与非反应能量转移截面.利用脉冲激光886nm线双光子激发Cs(6S)到Cs(6D3/2)态,原子荧光中除含有6D3/2→6P的直接荧光外,还含有6D5/2→6P的转移荧光.利用三能级模型的速率方程分析,在不同的He和H2密度下,分别测垦直接荧光与转移荧光的时间积分荧光强度比,得到了6D3/2与H2和He碰撞的精细结构转移截面分别为σ=(55±13)×10-16和(16±4)×10-16 cm2,同时确定了6D5/2与H2和He的碰撞猝灭速率系数.6D5/2态与H2的碰撞猝灭速率系数比6D5/2与He的大,它是反应与非反应速率系数之和,利用实验数据确定非反应速率系数为6.3×10-10 cm3·s-1,得到6D5/2与H2的反应截面为(2.0±0.8)×10-16 cm2.利用不同H2(或He)密度下6D5/2→6P3/2时间积分荧光强度,得到6D3/2与H2反应截面为(4.0±1.6)×10-16 cm2,6D3/2与H2反应的活性大于6D5/2.     

NaK高位6~1∑~+态与H_2碰撞中转移能配置

脉冲激光激发NaK 2~1Σ~+←1~1Σ~+跃迁,单模Ti宝石激光器激发2~1Σ~+至高位态6~1Σ~+,研究了6~1Σ~+与H_2碰撞中的碰撞转移。3D→4P(1.7μm)和5S→4P(1.24μm)荧光发射说明了预解离和碰撞解离的产生。在不同的H_2密度下,通过以上能级的荧光测量得到了预解离率,碰撞解离及碰撞转移速率系数Γ_(3D)~P=(5.3±2.5)×10~8 s~(-1),Γ_(5S)~P=(3.1±1.5)×10~8 s~(-1),k_(3D)=(3.7±1.7)×10~(-11)cm~3·s~(-1),k_(5S)=(2.9±1.4)×10~(-11)cm~3·s~(-1),k_(4P→4S)=(1.1±0.5)×10~(-11)cm~3·s~(-1),k_(3D→4P)=(6.5±3.1)×10~(-12)cm~3·s~(-1),k_(5S→4P)=(4.1±1.9)×10~(-12)cm~3·s~(-1)在不同H_2密度下,记录时间分辨荧光,由Stern-Volmer公式得到6~1Σ~+→2~1Σ~+,2~1Σ~+→1~1Σ~+的自发辐射寿命分别为(28±10)ns和(15±4)ns。6~1Σ~+→2~1Σ~+6~1Σ~+→1~1Σ~+及2~1Σ~+→1~1Σ~+分子态间与H_2的碰撞转移速率系数分别为(1.8±0.6)×10~(-11)cm~3·s~(-1),(1.6±0.5)×10~(-10)cm~3·s~(-1)和(6.3±1.9)×10~(-11)cm~3·s~(-1)。转移到H_2的振动、转动和平动能各占总转移能的0.58,0.03和0.39。主要能量转移至振动和平动能,支持6~1Σ~+-H_2间的共线型碰撞机制。     

K(4P_J)-N_2,He碰撞转移及猝灭截面的测量

利用770nm脉冲激光激发基态K原子到K(4P1/2)态,在样品池中,利用原子荧光光谱方法,测量了K(4PJ)和N2、He碰撞的精细结构转移截面和碰撞猝灭截面。在不同N2、He气体密度下,通过对4P1/2→4S1/2共振荧光与4P3/2→4S1/2转移荧光的时间积分荧光强度进行测量,得到其荧光强度比与N2、He密度成线性关系。从荧光强度比R与(Nv)-1线性关系图中的直线斜率可以得到4P1/2→4P3/2转移截面为(2.77±0.69)×10-15cm2和4P3/2→4P1/2的碰撞转移截面为(1.62±0.41)×10-15cm2,从直线的截距计算出K(4P3/2)与N2、He的碰撞猝灭截面为(0.40±0.12)×10-15cm2和(0.60±0.18)×10-16cm2。     

高位K2(1Λg) 与基态原子的碰撞转移

在K原子密度约为0.5～5×1016cm-3的样品池中,脉冲激光710 nm线双光子激发K2基态到高位1Λg态,研究了K2(1Λg)+ K(4S)碰撞转移过程.K原子密度由测量KD2线蓝翼对白光的吸收得到.测量不同K密度下1Λg态发射的时间分辨荧光强度,它是一条指数衰减曲线,由此得到1Λg态的有效寿命,从描绘出的有效寿命倒数与K原子密度关系直线的斜率得到1Λg态总的碰撞猝灭截面为(2.1±0.2)×10-14cm2,从截距得到的辐射寿命为(22±2)ns.测量了K的6S →4P3/2和4D→4P3/2在不同K密度下的时间积分荧光强度,得到了K2(1Λg)+K→K2(11∑ +g)+K(6S,4D)碰撞转移截面为(1.5±0.3)×10-15cm2(对转移到6S)和(8.5±3.0)×10-15cm2(对转移到4D).     

高位K_2分子与基态K原子及H_2分子间的激发转移

激光双光子激发K2至1Λg高位态,利用分子荧光光谱方法,研究了1Λg-3Λg间的碰撞转移截面。在纯K实验中,池温控制在553至603 K之间,K原子密度由光学吸收法测量得到。探测1Λg-11Σu+的直接时间分辨荧光的光强,它是一条纯指数衰减曲线,由此得到1Λg+态的有效寿命,有效寿命的倒数与K密度成线性关系,从直线的斜率得到1Λg态的猝灭截面为(2.5±0.3)×10-14cm2,从截距得到辐射寿命为(20±2)ns。由3Λg→13Σu+转移荧光的时间分辨谱,用类似的方法得到3Λg的猝灭截面为(2.5±0.6)×10-14cm2,辐射寿命为(16.0±3.2)ns。由1Λg→11Σu+与3Λg→13Σu+的时间积分强度比得到K2(1Λg)+K→K2(3Λg)+K的转移截面为(1.1±0.3)×10-14cm2。在K2-H2碰撞实验中,池温保持在553 K,K密度为5×1015cm-3,H2气压在40~400 Pa之间,其中K2-K碰撞效应是不能略去的,但可以用纯K结果扣除,得到K2(1Λg)+H2→K2(3Λg)+H2的碰撞转移截面为(2.7±1.1)×10-15cm2。K2(3Λg)+H2→K2(3Λg)以外态+H2的猝灭截面为(6.8±2.7)×10-15cm2。     

激光光解NO2产物--NO分子(XIT)与氧原子O(PJ")的REMPI的离子谱研究

利用激光光解NO2分子,通过共振增强多光子电离(REMPI resonance enhanced multiphoto ionization)及飞行时间(TOF time of flight)质谱技术,获得了振转态分辨的NO(X2Π,υ″,J″)与自旋-轨道分辨的氧原子O(2P3PJ″＝2,1,0)离子谱.NO分子与O原子的离子信号强度与UV电离激光能量之间的关系分别能用二次方和三次方曲线很好拟合,它表明:光解产物NO分子和氧原子是分别通过(1+1)和(2+1)多光子吸收过程而被电离的.由氧离子信号得到的氧原子基态三个自旋-轨道支能级布居比f1与f0分别为0.54±0.09和 0.20±0.04,这一比值与统计分布计算的值为0.6和0.2一致.     

K_2(~1∧_g)高位态的预解离和碰撞转移

利用光学双共振和激光光谱技术,测量了K_2(~1A_g)态的预解离率和碰撞转移率.脉冲激光将K_2(1~1∑_g~+)基态激发至1~1∑_u~+态,由连续激光激发1~1∑_u~+至激高位~1A_g态.在不同K密度下,记录~1A_g→~1A_u跃迁的时间分辨荧光,光强的对数与衰变时间成线性关系,从直线的斜率得到~1A_g态的有效寿命,由Stern-Volmer方程得到~1A_g态的辐射率与预解离率之和及总的碰撞去布居截面.在不同的K密度下测量时间积分荧光强度I_3[K_2(~1A_g)→K_2(~1A_u)],I_2[K(6S)→K(4P_(3/2))]和I_1[K(4D)→K(4P_(3/2))],光强比I_1/I_3和I_2/I_3与K密度也成线性关系.从直线的斜率和截距并结合从Stern-Volmer方程得到的结果,确定K_3(~1A_g)的预解离率Γ_(P6S)=(1.2±0.4)×10~7s~(-1),Γ_(P4D)=(0.8±0.3)×10~7s~(-1)和碰撞转移截面σss=(1.9±0.6)×10~(-14)cm~2,σ_(4D)=(9.0±3.0)×10~(-15)cm~2.     

Cs_2(B~1Π_u)态与基态Cs原子间的碰撞激发转移

在Cs2密度约为2×1013 cm-3的纯Cs样品池中,脉冲激光激发Cs2(X1 Σg+)至B 1Πu态,利用原子和分子荧光光谱方法研究了Cs2(B 1Πu)+Cs(6S)的碰撞激发转移过程.用736 nm激发Cs2到B 1Πu(v＜10),这时预解离不发生.由B 1Πu→X1 Σg+时间分辨跃迁信号得到B 1Πu态的辐射寿命为(35±7)ns,B1Πu态与Cs原子碰撞转移总截面为(4.0±0.5)×10-14 cm2.用705 nm激发至B 1Πu(v＞30)态,这时发生预解离,在不同的Cs密度下,测量了I(D1),I(D2)和分子带的时间积分荧光的相对强度,得到了预解离率为(4.3±1.7)×105 s-1(对预解离到6P3/2)和(4.7±1.9)×106 s-1(对预解离至6P1/2);碰撞转移截面为(0.45±0.18)×10-14 cm2(对转移到6 P1/2)和(4.3±1.7)×10-14 cm2(对转移到6P3/2).结果表明,如果B 1Πu(v)是束缚的,6P原子由碰撞转移产生;如果B 1Πu(v)是预解离的,则6P原子由预解离和碰撞转移产生.     

靶丸内混合气体的质谱法测量技术

 叙述了四极质谱(QMS)的结构和气体分析质谱(GAM)的定量分析工作原理。四极质谱具有快速扫描响应，较高的响应灵敏度的特点，在经过标准气体校准后，加上独特的气体进样系统，可用于惯性约束聚变(ICF)靶丸内混合气体组分含量及总量的定量分析。同时，在经过坐标尺度放大等手段，可以对混合气体中质量数极为接近的氘(4.028 2)和氦(4.002 6)在高分辨模式下进行基线分离。用四极质谱对各种靶丸结构、不同混合气体种类的气体进行了定量组分分析，为ICF实验用靶提供了同批次实验数据。     

Review of Laser-Induced Plasma,Its Mechanism,and Application to Quantitative Analysis of Hydrogen and Deuterium

Abstract

A comprehensive review of important progress achieved over the last 30 years regarding knowledge of laser-induced plasmas generated by CO₂ and Nd:YAG lasers in a variety of ambient gases is presented in this article, as well as research results on the extension of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for quantitative analysis of light elements, especially hydrogen and deuterium. First, the formation of shock wave–induced expanding secondary plasma in low-pressure ambient gases is discussed along with the dynamic characteristics of the secondary plasma expansion process. The unique advantages of low-pressure gas plasma are explained in relation to the successful detection of the sharp H and D emission lines. The experimental results using helium ambient gas are presented with emphasis on the role of He gas plasma in introducing an additional delayed excitation mechanism involving the helium metastable excited state, which resulted in the complete resolution of H and D emission lines, separated by only 0.18 nm. The development of a laser precleaning treatment and special double-pulse techniques further produced a linear calibration line with zero intercept applicable to quantitative H and D analyses of zircaloy sample, with either low- or high-pressure ambient He gas. More recent use of a transversely excited atmospheric (TEA) CO₂ laser in place of an Nd:YAG laser has demonstrated the much desired larger excited helium plasma and thereby resulted in significant emission enhancement and improved detection sensitivity.     

Search for anomalously heavy isotopes of helium in the earth's atmosphere

Our knowledge of the possible existence in nature of stable exotic particles depends solely upon experimental observation. Using a sensitive laser spectroscopy technique, we searched for a doubly charged particle accompanied by two electrons as an anomalously heavy isotope of helium in the Earth's atmosphere. The concentration of noble-gas-like atoms in the atmosphere and the subsequent very large depletion of the light (3,4)He isotopes allow stringent upper limits to be set on the abundance: 10(-12)-10(-17) per atom in the solar system over the mass range of 20-10 000 amu.     

Recoil-Ion momentum distributions for single and double ionization of helium in strong laser fields

We have measured the momentum distributions of singly and doubly charged helium ions created in the focus of 220 fs, 800 nm laser pulses at intensities of (2.9-6.6)x10(14) W/cm(2). All ions are emitted strongly aligned along the direction of polarization of the light. We find the typical momenta of the He2+ ions to be 5-10 times larger than those of the He1+ ions and a two peak structure at the highest intensity.     

氦,氢,氮空心阴极放电的真空紫外辐射特性

介绍了一种水冷、陶瓷封接结构的空心阴极放电装置.研究了He、H_2、N_2在120nm～20Onm范围内该装置的真空紫外辐射特性,获得了100～600mA电流范围内的辐射强度与放电电流的关系,以及充气气压变化对它的影响.实验表明:在实验条件下,主要发射谱线为氮的原子线和氦的离子线;辐射谱线强度在0.03～0.72mW·cm~(-2);气压改变时,N_2、H_2辐射强度有一极大值,而He的离子线辐射强度则出现二个极大;在He/H_2混合气体放电时,随着He的加入,氢分子带光谱有明显下降.     

混合载气高场不对称波形离子迁移谱中He‐N2 比例对挥发性有机物混叠峰分离的影响研究

载气混合是提高高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）离子分离能力的一个重要方法,在生物大分子质谱研究领域已得到广泛应用,但缺乏在环境小分子领域的研究。选取挥发性有机物（VOCs）中芳香烃、醇、烷烃、酸、酮类中的五种物质（邻二甲苯、异丁醇、正己烷、乙酸、丙酮）为研究对象,研究了混合气体中He-N₂比例对VOCs中单体-二聚体离子混叠峰峰位置、分离度及总离子通过率的影响。实验结果表明,随着FAIMS载气中He比例的增加,5种VOCs中单体及二聚体离子峰峰位置发生偏移,且单体峰与二聚体峰偏移程度不同,单体峰偏移量先增加后减少,而二聚体峰峰位置偏移量逐渐增加;随着FAIMS载气中He比例的增加,五种VOCs离子混叠峰的分离度逐渐增加并趋于饱和,邻二甲苯、异丁醇、正己烷、乙酸、丙酮5种样品的混叠峰分离度达到饱和时对应He比例分别是：20%,30%,10%,40%和20%;随着FAIMS载气中He比例的增加,邻二甲苯、异丁醇、正己烷、丙酮的离子信号强度无明显变化,乙酸的离子信号强度下降明显。该研究为提高FAIMS对环境小分子的分离能力提供了一种可行的方法。同时,也验证了高电场下布朗定律在小分子离子应用上的有效性。     

Field evaporation experiments with a magnetic sector atom-probe FIM

A magnetic sector atom-probe FIM has been successfully operated for dc field evaporation of tip materials such as Rh, W, Ir, Mo and Ti. A limited number of evaporated metal ions were clearly identified forming a line spectrum. Field evaporation of Rh in the presence of ³He and ⁴He gases showed that the formation of the helium compound (RhHe)²⁺ is quite sensitive to He gas pressure; no helium compound were observed below 5 × 10^?7 Torr and all ions detected as helium compound above 5 × 10^?5 Torr at 78 K.     

Use of the 447 nm He I line to determine electron concentrations

The helium 447 nm complex line has been excited in a wall-stabilized arc fed at atmospheric pressure by pure He, He-H₂, He-Ne-H₂ or He-Ar-H₂ mixtures. Photoelectric endon observations of the central part of the arc channel were made with high spatial (1/600) and spectral (53,000) resolution.A collection of 88 helium 447 nm line profiles, of which 75 were recorded simultaneously with H_β and Ne I or Ar II line profiles, yielded information about the electron concentration (2 X 10²⁰-2 X 10²² m^-3), temperature and relative ion composition of the plasma. Plots have been made of the forbidden to allowed peak separations (S), forbidden to allowed relative intensities of the peaks (F/A) and dips (i.e. the minimum intensities between lines) to allowed peak intensities (D/A) as functions of electron concentration, temperature and ionic composition in different plasmas.The peak separations depend only on the electron concentration. Other characteristic line-profile parameters (F/A and D/A) show weak ion motion with a strong electron-concentration influence. We propose simple formulae, which may be useful for practical determinations of the electron concentrations in helium-containing plasmas with an accuracy of ±15% and without taking into account either the chemical composition of the plasma or the temperature.     

大气压低温氦等离子体射流的诊断研究

为了加快低温氦气等离子体射流的工程化进程,通过自主设计的同轴式介质阻挡放电等离子体射流发生器,在放电频率10 kHz,一个大气压条件下产生了稳定的氦气等离子体射流。通过分析不同工况下的电压电流波形可以发现单纯增加氦气体积流量只能小幅的增加电流脉冲幅值,而对放电时间、电流脉冲数的影响不大。增加放电峰值电压时电流脉冲幅值会得到较大幅度增加。通过发射光谱法对大气压氦气等离子射流的活性粒子种类、电子激发温度、电子密度进行了诊断。结果表明,大气压氦气等离子体射流中的主要活性粒子为He Ⅰ原子、N₂第二正带系、N+₂的第一负带系、羟基（OH）,H原子的巴尔末线系（H_α和H_β）与O原子,这表明虽然该试验中使用的氦气纯度已达99.99%,但其中仍残留有少量的空气,同时放电时大气中的空气会被卷吸到放电空间发生电离。还可以发现,主要活性粒子的相对光谱强度随氦气体积流量的增加及放电峰值电压的增大均呈现上涨的趋势。选用He Ⅰ原子的四条谱线对不同试验工况下的电子激发温度进行了计算,得到大气压氦气等离子体射流的电子激发温度在3 500~6 300 K之间,电子激发温度随放电峰值电压与氦气体积流量的增大总体上呈现上升的趋势。但由于反向电场的存在,某些峰值电压可能会出现电子激发温度下降的情况;根据Stark展宽原理对大气压氦气等离子体射流的电子密度进行了计算,发现电子密度的数量级可达1015 cm-3,同时增大峰值电压与氦气体积流量均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的研究对氦气等离子体射流在工程实际中的应用具有重要意义。