关于束－箔光谱学介绍

[拼音]：shu-boguangpuxue

[外文]：beam-foil spectroscopy

快速离子在穿过固体箔靶的过程中被激发，当它退激时会发射出能量相应的光子。束－箔光谱学就是通过这种“束－箔光”的观察来研究原子、离子等的性质的学科。束－箔光谱学所研究的内容包括原子或离子的光谱、能级、激发态的寿命，原子光谱的精细结构和原子光谱的超精细结构，包括兰姆移位，以及原子和核的极化等，并由此进一步探讨离子同固体原子相互作用机制等。

束－箔光谱学的实验装置如图1所示。通常利用加速产生高速的正离子束，通过磁分析器进行质量分析，选出同位素纯的正离子束，经准直后引入真空靶室。靶室中装有自支撑箔靶（常用厚度为5～20μg/cm2的碳箔，也有用铍、金等其他材料，甚至气体靶的，见核靶制备技术）。离子束穿过箔靶时的电荷交换过程（进一步电离或俘获电子），使它们能处于各种电离态或激发态。这些粒子在穿过箔后的飞行路程中因自发衰变而发射光子。通常在同束垂直的方向上用单色仪等对出射光进行分析。有时离子束还通过一静电分析器以精密测量其速度。最后用法拉第圆筒收集正离子束，束流积分仪记录，用来对光子束流强度进行归一。

（1） 随着全离子加速的发展，几乎可以研究自然界存在的任一种元素。这种光源可以得到同位素纯的发光体而且完全没有轫致辐射的本底，这在传统的离子光源中是办不到的。

（2）可以研究各阶电离态和各种激发态的离子。如主量子数很高的激发态和离子中有二个以上电子处于激发态的多重激发态。还可以用改变离子能量（从几十千电子伏提高到几百兆电子伏）的方法来改变穿过箔后的离子束的电离度，从而获得一般光源无法得到的高阶电离谱线十分丰富的离子光谱。图2是氯－Ⅶ的衰变能级图。其中只有下面的二条谱线曾在其他氯离子光源的光谱中出现，而上面整个能级图都是基于束－箔光谱的测量技术得到的。

（3）发光的粒子几乎以恒定的速度运动，利用飞行时间技术可以测量有关光谱项激发态的寿命。在最简单的情况下，所研究的谱线强度I(x)随着离开箔的距离x按I(x)=I0exp(-x/υτ)的规律减小。测出箔后粒子的速度υ，由x、I(x)等实验数据就可得出待测激发态的能级寿命τ。这个方法的好处是因为离子飞行的速度很大(例如0.4MeV的氦离子的速度约为4.4×106m/s)，可以利用易于达到的毫米量级空间分辨率来测短于纳秒量级的寿命。从测到的寿命可以计算辐射的跃迁几率来验证原子结构的理论模型。此外，在天体物理研究中，通常通过观察光谱线的强度再根据跃迁几率计算而得到太阳和星球中化学元素的含量。束－箔光谱可用来模拟星球上的高激发态和高电离态光谱从而获得有实际意义的跃迁几率。W.惠林等人在1969年用束-箔法测量了铁－I的寿命，证实在太阳的光球里铁的蕴藏量比以前报道的大9倍。这样就消除了过去认为在太阳光球和日冕中测到的铁的丰度不一样的问题。人们也曾用束－箔法对钪、钛、钒、镍、钙等多种同天体物理有关的元素，进行了原子能级寿命的测量。

（4）量子拍，由于箔很薄，离子的速度很高，束－箔光的激发几乎是瞬发的，Δt≤10-14s。因而激发态能量就有不确定性。受激粒子所在的某一激发态（初态）可能是两个或多个间隔极小的能级的叠加。由这样叠加的几个初态能级的跃迁到同一末态时，会产生干涉效应，导致光强除了随时间（或离箔距离）指数衰减以外，还有周期性的调制，称为量子拍。其拍频可用来量度原子或离子能级的裂距。这些能级的分裂可以由精细或超精细相互作用形成，也可由外场作用引起。因此束－箔光谱测量也是研究原子，特别是离子光谱的精细结构和超精细结构的有效方法。图3是氦2s3S1─3p3P三重态3889┱线的无外场量子拍，测得拍频为658.55MHz。它对应的能级裂距只有3889┱这条谱线对应的上下一个能级间距的百万分之一。

（5）当用倾斜箔靶时，由于束－箔作用的非对称性，可以获得极化的原子，并通过超精细相互作用把极化传递给核。这样产生的极化原子核有可能用来进行极化核反应的研究。

（6）束－箔光源也存在某些固有的缺点：运动光源的多普勒频移和展宽（见谱线增宽），限制了波长测量的精度，一般在5000┱处要使谱线宽度小于 0.5┱是很困难的；另外束－箔光谱中经常产生的级联效应（几个能级逐级跃迁）往往限制了测量能级寿命的精确度，把误差降到5％以下通常也难做到。

为了消除级联效应，已有许多束箔光谱实验室又采用了通过激光与离子束相互作用，选择性地使离子共振激发到某一确定的能级的方法。这种方法同样也用于研究原子光谱，能级寿命，精细结构与超精细结构等，实验数据更为精确。事实上束箔光谱学已发展成为“快离子光谱学”。快离子光谱学除了研究离子束同固体箔靶、气体靶作用外还研究离子束同激光的相互作用，离子束同离子束的作用以及离子束同电子束的相互作用等。

参考书目

1. S.Bashkin， ed.， Beam-foil Spectroscopy，Spring-er-Verlag，Berlin，1976.