Ядра в лучах лазера - Гангрский Ю.П.
Скачать (прямая ссылка):
Чувствительность лазерного метода определяется тем минимальным числом атомов, которое необходимо
23
для проведения измерений. Она зависит от того, насколько интенсивность излучения возбужденных атомов (световых квантов или ионов) превышает уровень фонового излучения.
В настоящее время разработаны эффективные методы регистрации предельно низких интенсивностей световых квантов и ионов. Достаточный для регистрации и лежащий выше уровня шумов сигнал на выходе фотоумножителя получается при попадании на его катод ионов с энергией выше 10 кэВ или серии фотонов (не менее 10 за время 10~4—10~3 с). Разница в интенсив-ностях ионов и фотонов объясняется тем, что в то время как каждый ион, попадающий на катод, выбивает из него несколько десятков электронов, каждый фотон — лишь один. Из этих электронов только одна десятая часть попадает в ускоряющее поле и вызывает лавину электронов.
Выше уже отмечалось, что ион или серия фотонов могут быть получены при взаимодействии „лазерного излучения с единичным атомом. Таким образом, эффективность регистрации единичных атомов будет определяться эффективностью получения иона или серии фотонов, когда атом находится в поле лазерного излучения. Это зависит, в свою очередь, от структуры атомных уровней. Если времена жизни возбужденных уровней малы (менее 10~5 с) и они распадаются главным образом путем переходов в основное состояние, то с каждого атома можно получить серию фотонов (число их зависит от интенсивности лазерного излучения и времени жизни возбуждаемого уровня). Когда возбужденная частица переходит не в основное, а в изомерное состояние, серия фотонов обрывается. Поэтому для ионизации тех атомов, у которых вероятность такого перехода велика, предпочтительнее использовать двух- или трехступенчатое возбуждение. Этими способами можно успешно регистрировать атомы целого ряда элементов, например Na, Cs, УЬ, U.
Избирательность лазерного метода также весьма высока. Получаемая на опыте ширина резонансной линии составляет Ю-7—10~8 от ее энергии. Это значительно меньше, чем при регистрации ядерного излучения по ионизации вещества (~10~3). Столь малая ширина резонансной линии практически исключает случайные наложения линий от различных элементов и позволяет
24
Y, стад.
700 МГц
10 МГц Ц
I
- |-
290 кэВ
fl A
J 20 кзВ J \
J
I Jl
Рис. 6. Спектр оптического излучения (вверху) и а-спектр (внизу) изотопов плутония с четными числами протоков и нейтронов
разделить линии от отдельных изотопов одного и того же элемента. На рис. 6 представлены спектры четно-четных изотопов плутония: в одном случае спектры а-частиц, испускаемых при их распаде, в другом — спектры четно-четных изотопов плутония резонансно рассеянного лазурного излучения. Наглядно видно лучшее разделение линий в случае лазерного метода. Такая же картина имеет место и для других элементов. Избирательность лазерного метода можно еще более повысить, если проводить двух- и трехкратное резонансное возбуждение, ионизирующее атом. Это позволяет регистрировать одиночные атомы даже при очень высоком уровне фона атомов посторонних элементов (их интенсивность может в 1020 раз превышать интенсивность исследуемых атомов).
Для уверенной регистрации и идентификации иссле-
23
дуемых ядер весьма важно увеличить время их взаимодействия с лазерным излучением, т. е. заставить их дольше находиться в пучке лазера. В идеале это время должно быть таким, чтобы можно было осуществить сканирование (многократное изменение) длины волны лазерного излучения и зафиксировать резонанс, соответствующий энергии возбужденного уровня регистрируемого атома.
Этого можно добиться, например, затормаживая регистрируемые атомы в газе. Тогда время нахождения атомов в луче лазера будет определяться уже не их скоростью, а диффузией в газе и может достигать секунд. Этого вполне достаточно, и для сканирования по частоте лазерного излучения, и для накопления достаточного числа рассеянных фотонов от единичного атома, и для его эффективной ионизации. Однако наличие атомов (или молекул) буферного газа приводит к повышению фона рассеянного светового излучения или ионов.
Уменьшить скорость атомов можно, воздействуя на них световым давлением. Резонансное взаимодействие с атомами лазерного излучения, направленного против их движения, может так снизить скорость атомов, что они будут находиться в зоне лазерного излучения до нескольких минут. В этом методе атомы находятся в вакууме, и фон от посторонних атомов отсутствует. Однако для эффективного торможения (охлаждения) атомов, имеющих значительный разброс скоростей, требуется сложная схема перестройки частоты лазерного излучения.
Кроме двух описанных способов, для увеличения времени взаимодействия вещества с лазерным излучением вместо атомов можно использовать ионы. В этом случае для их удержания применяются электрические или магнитные поля (электромагнитные ловушки). В таких ловушках можно удерживать ионы до нескольких часов. Однако использование ионов позволяет регистрировать только рассеянное световое излучение. Кроме того, резонансные уровни ионов, как правило, выше по энергии, чем у атомов, и лежат нередко в области ультрафиолета.
