游翔宇，王明東，董洪松，曾俊康，朱亞洲，馮高平

(1.中國衛(wèi)星海上測控部， 江蘇 江陰 214400;2.航天工程大學(xué) 激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點實驗室， 北京 101400)

放射性示蹤同位素是自然界的天然時鐘，一般只由宇宙射線產(chǎn)生，在大氣中迅速混合均勻，自然界中含量比較穩(wěn)定[1]。放射性同位素進(jìn)入樣品后，一旦與外界脫離停止交換，其含量將隨時間作指數(shù)衰減，通過測量相應(yīng)同位素含量，根據(jù)其半衰期即可計算出樣品所處的年代。長壽命放射性惰性氣體同位素由于其穩(wěn)定的化學(xué)和物理性質(zhì)、較長的半衰期，可以長期穩(wěn)定地存在于大氣中，被視為理想的示蹤同位素。

大氣環(huán)境中的長壽命放射性惰性氣體同位素主要有85Kr(同位素豐度2×10-11)、81Kr(同位素豐度1×10-12)和39Ar(同位素豐度8×10-16)3種[2]。它們的半衰期各不相同，斷代年限覆蓋了3年到100萬年：81Kr半衰期23萬年，適用于對5～100萬年的空氣樣品(或者溶解空氣的水和冰)樣品進(jìn)行年代斷定[3]；39Ar半衰期268年，可用于對50～500年的洋流水樣品進(jìn)行年代斷定[4-5]；85Kr半衰期10.8年，可用于對3～100年的年輕地下水進(jìn)行年代斷定[3]。此外，235U同位素發(fā)生核裂變反應(yīng)時會產(chǎn)生85Kr原子，85Kr還可以作為人類核活動的高靈敏度監(jiān)測計[6]。上述3種同位素恰好彌補(bǔ)了14C數(shù)百年到五萬年測年范圍的缺陷，3種同位素相結(jié)合可以完整地覆蓋從1年到100萬年的年代斷定，在環(huán)境與地球科學(xué)等領(lǐng)域研究極具應(yīng)用價值[7]。

惰性氣體元素在大氣中含量低，同時放射性同位素在各自元素中所占比例極少[8]，對于檢測方法的效率和靈敏度有著極高要求。傳統(tǒng)的低輻射計數(shù)法和加速器質(zhì)譜法在85Kr、85Kr和39Ar檢測上存在檢測效率低、樣品用量大、檢測時間長的不足，限制了其在長壽命放射性惰性氣體同位素檢測中的應(yīng)用前景。以激光冷卻和囚禁技術(shù)為基礎(chǔ)的原子阱痕量檢測技術(shù)[9]，具有單原子級別探測靈敏度、同位素級別分辨率和零本底探測的獨(dú)特優(yōu)勢，是唯一一種在85Kr、81Kr、39Ar 3種同位素測量中均能兼具高效率和高靈敏度的檢測方法，在地下水年代測定、氣候變化、大氣環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景[7]。

介紹了低輻射計數(shù)法、加速器質(zhì)譜法和原子阱痕量檢測技術(shù)3種同位素檢測方法，重點分析了原子阱痕量檢測流程和基本原理，并結(jié)合應(yīng)用前景概述了原子阱痕量檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀。

1 低輻射計數(shù)法

1949年，W.Libby等首次測量了自然樣品中的14C同位素(半衰期約為5700年，同位素豐度1×10-12)，證實了14C同位素探測在考古學(xué)年段斷定中的應(yīng)用[10]。自此，較為成熟的低輻射計數(shù)法開始廣泛應(yīng)用于各種同位素(豐度高于10-6)的檢測。低輻射計數(shù)法(Low Level Counting，LLC)是一種直接測量放射性同位素衰變次數(shù)的方法，可于檢測自然樣品(如空氣和地下水樣品)中的放射性同位素含量。放射性同位素會以α衰變、β衰變、γ衰變3種方式進(jìn)行衰變，衰變過程中將以電磁波或高能粒子的形式向外輻射能量，單次衰變輻射能量約104～107ev，利用高靈敏探測器對衰變能量進(jìn)行探測，可直接對檢測時間內(nèi)樣品中發(fā)生的衰變事件進(jìn)行計數(shù)。對于一定量的待測樣品，LLC方法檢測效率取決于檢測時間內(nèi)衰變發(fā)生的次數(shù)，其檢測效率與檢測時長成正比，與半衰期時長成反比，這表明LLC方法對長壽命放射性同位素的檢測效率較差。對于半衰期較長的放射性同位素，半衰期遠(yuǎn)長于檢測時長，此時檢測效率可以近似為

(1)

式中：tD為檢測時間；t1/2為半衰期。取檢測時間tD為1 d，則LLC方法對于85Kr檢測效率約10-4。通過延長檢測時間至1周，可提升檢測效率至103量級。同樣檢測時長為1周時，81Kr 檢測效率約10-7，39Ar檢測效率約10-5。

由于放射性衰變釋放的能量較為微弱，檢測時需要考慮外部輻射帶來的背景干擾，盡可能分辨、消除和減弱與待測原子無關(guān)的計數(shù)。外部輻射來源主要有三方面[11]：一是宇宙射線及次級效應(yīng)產(chǎn)生粒子所帶來的干擾；二是測量環(huán)境中的放射性元素(主要為40K、222Rn以及U、Ac、Th、Np四大衰變鏈)帶來的干擾；三是測量裝置和探測儀器材料中放射性雜質(zhì)(主要有Th、Ra以及其子體產(chǎn)物210Pb)的干擾。如圖1所示，為降低背景干擾，提升測量精度，LLC實驗室通常建在約35 m深的地底，其內(nèi)壁常采用鉛、鎘和銅板等材料進(jìn)行多層屏蔽。探測器外設(shè)置屏蔽層，并且探測器和屏蔽層必須采用低輻射材料制成[5]。待測樣品中的其他放射性同位素必須預(yù)先除去，避免對檢測造成干擾。除上述被動屏蔽方法外，LLC方法還采用了由帶孔的塑料閃爍體組成的反符合探測器等主動屏蔽方法，減弱宇宙和環(huán)境輻射干擾[5]。

圖1 低輻射計數(shù)法裝置結(jié)構(gòu)示意圖

盡管LLC方法實驗條件嚴(yán)格，但其優(yōu)勢仍然明顯，由于是直接測量樣品中放射性元素衰變時間次數(shù)，LLC方法目前仍是測量85Kr和39Ar含量最準(zhǔn)確的方法。對于85Kr，標(biāo)準(zhǔn)檢測時長為1周，標(biāo)準(zhǔn)樣品用量為20 L空氣或300 L水(約含標(biāo)準(zhǔn)狀況下0.02 mL氪氣)，標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)1 400個/d(探測器效率70%)。對于39Ar，LLC方法標(biāo)準(zhǔn)樣品用量為2 000 L水(約含0.7升標(biāo)準(zhǔn)狀況下氬氣)，標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)70個/d(探測器效率70%)，標(biāo)準(zhǔn)檢測時長為6周。

瑞士Bern大學(xué)的Loosli團(tuán)隊曾經(jīng)嘗試用LLC方法檢測81Kr原子，并成功實現(xiàn)了1300多個81Kr原子計數(shù)，但隨著20世紀(jì)人類核活動增加，85Kr豐度迅速提高，已無法從大量的85Kr 信號中分離出81Kr信號，目前無法實現(xiàn)對81Kr原子的檢測。81Kr和85Kr原子無法通過化學(xué)手段分離[12]，81Kr的半衰期(23萬年)遠(yuǎn)長于85Kr(10.8年)，其單位時間內(nèi)的衰減次數(shù)遠(yuǎn)少于85Kr，81Kr信號會被大量的85Kr信號掩蓋，難以區(qū)分。

2 加速器質(zhì)譜法

加速器質(zhì)譜法(Accelerator Mass Spectrometry，AMS)是將粒子加速器與質(zhì)譜法結(jié)合產(chǎn)生的一種新方法[13]。加速器質(zhì)譜法采用直接計數(shù)法取代衰變計數(shù)法，直接對待測同位素原子數(shù)目進(jìn)行計數(shù)，檢測效率不受限于同位素半衰期，在長壽命放射性同位素上優(yōu)于低輻射計數(shù)法[14]。

質(zhì)譜法(Mass Spectrometry)是利用電磁場將離子(帶電荷的原子和分子)按照荷質(zhì)比分離檢測的方法。質(zhì)譜法工作原理如圖2所示，首先將待測樣品電離，產(chǎn)生各種荷質(zhì)比不同的離子，利用不同荷質(zhì)比離子在靜電場和磁場中作用力不同進(jìn)行分離，然后針對分離出的某一種離子，進(jìn)行檢測和分析。質(zhì)譜法靈敏度相當(dāng)高，可以檢測同位素豐度高于10-9的放射性同位素樣品，但是對于同位素豐度更低的放射性同位素樣品，常規(guī)的質(zhì)譜法難以奏效。并且，豐度更低的同位素樣品往往存在著高豐度同量異位素的干擾，如14C檢測中(14N)+6對(14C)+6存在干擾，同量異位素之間質(zhì)量差小于10-5，荷質(zhì)比極為接近，常規(guī)質(zhì)譜法難以區(qū)分[15]。

圖2 質(zhì)譜法工作原理示意圖

為了排除同量異位素帶來的干擾，1977年Muller提出采用加速器分離14C和10Be的高豐度同量異位素[16]，隨后McMaster大學(xué)和Rochester大學(xué)結(jié)合質(zhì)譜法和串聯(lián)加速器，分別完成了對14C的測量，形成了集加速器技術(shù)、質(zhì)譜檢測方法、粒子分辨和探測技術(shù)于一體的新型同位素檢測方法，即加速器質(zhì)譜方法。如圖3所示，加速器質(zhì)譜裝置通常包括負(fù)離子源、低能注入與分析系統(tǒng)、加速器(常用串列加速器)、高能離子傳輸與分析系統(tǒng)、粒子探測器[17]。AMS檢測可劃分為以下5個階段：

1) 采用銫濺射負(fù)離子源對樣品進(jìn)行電離，樣品被銫離子濺射后形成負(fù)離子流，并在電場的作用下從負(fù)離子源引出；

2) 負(fù)離子流經(jīng)過低能注入系統(tǒng)中磁分析器，對引出離子的質(zhì)量進(jìn)行預(yù)選擇，然后通過預(yù)加速將選定離子加速到100 keV左右，再注入加速器中繼續(xù)加速。這一加速過程將剔除掉一些不穩(wěn)定的同量異位素；

3) 負(fù)離子在第一級加速電場中加速至MeV能量后，經(jīng)膜(或氣體)剝離器剝?nèi)ネ鈱与娮映蔀檎x子，隨后進(jìn)行第二級加速得到較高能量的正離子；

4) 從加速器中引出高能離子，通過高能分析傳輸系統(tǒng)中磁分析器和靜電分析器(或速度選擇器)可以選定目標(biāo)離子的質(zhì)荷比M/q；

5) 離子束流經(jīng)高能分析后，與待測離子具有相同質(zhì)荷比M/q的同量異位素仍不能排除，需要借助ΔE-E氣體探測器或飛行時間探測器等高分辨率離子探測技術(shù)進(jìn)一步區(qū)分。

圖3 加速器質(zhì)譜裝置示意圖

憑借高靈敏度和高分辨率的優(yōu)勢，AMS方法已經(jīng)逐步取代LLC方法成為14C的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，但AMS方法在惰性氣體同位素檢測上遇到了極大挑戰(zhàn)。惰性氣體原子是閉殼層組態(tài)原子，難以再得到電子形成負(fù)離子，常規(guī)的AMS檢測手段無法對其進(jìn)行分析。1997年，Collon團(tuán)隊對常規(guī)的AMS裝置做了一些改進(jìn)[18]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用超導(dǎo)回旋電子振蕩器正離子源替代傳統(tǒng)的負(fù)離子源，并選用了能量更高的回旋加速器(約4 GeV)替代常用的串列加速器，利用改進(jìn)后的AMS裝置首次測量到20～40萬年前的地下水樣品中的81Kr同位素，總檢測效率約10-5，年代測量精度為15%，共使用了16 t地下水(約0.5 mL標(biāo)況下氪氣)。Collon團(tuán)隊采用同樣方法在美國阿貢國家實驗室的線性加速器平臺上對亞特蘭大洋流水樣品中的39Ar原子進(jìn)行計數(shù)，得到39Ar的同位素豐度為8×10-16，其檢測效率約10-3。此外，AMS方法對85Kr的檢測方法與81Kr基本相同。

圖4 密西根州立大學(xué)加速器質(zhì)譜裝置結(jié)構(gòu)示意圖

AMS方法的主要缺點在于其無法完全解決同量異位素的干擾。為分離81Kr的同量異位素81Br，往往需要剝離81Kr和81Br原子所有電子，需要用到超導(dǎo)回旋電子振蕩器和回旋加速器等昂貴設(shè)備，最終分離效果也不甚理想。同樣，39Ar的同量異位素81K同樣存在干擾情況。同量異位素的干擾限制了AMS方法在長壽命放射性惰性氣體同位素檢測中的應(yīng)用前景。

3 原子阱痕量檢測技術(shù)

3.1 原子阱痕量檢測技術(shù)介紹

除上述兩種方法外，基于激光光譜技術(shù)還發(fā)展了共振電離質(zhì)譜法(Resonance Ionization Mass Spectrometry，RIMS)和光脈沖質(zhì)譜法(Photon Burst Mass Spectrometry，PBMS)等質(zhì)譜分析方法。這類方法基于激光與原子共振作用，利用特定頻率激光激發(fā)或電離特定的同位素原子，具有“同位素級別”的超高選擇性。共振電離質(zhì)譜法和光脈沖質(zhì)譜法均可達(dá)到高于10-9的檢測靈敏度，其中共振電離質(zhì)譜法首次利用激光技術(shù)探測到了環(huán)境樣品中81Kr，但由于技術(shù)限制，共振電離質(zhì)譜法和光脈沖質(zhì)譜法均未實現(xiàn)對長壽命放射性惰性氣體的定量測量。

原子阱痕量檢測技術(shù)(Atom Trap Trace Analysis，ATTA)是基于原子激光冷卻與囚禁技術(shù)的全新探測方法[7]，利用特定頻率的激光將特定的同位素原子冷卻并囚禁在磁光阱中心處，通過原子散射熒光強(qiáng)度測定單位時間內(nèi)囚禁的原子個數(shù)，可以實現(xiàn)單原子水平的計數(shù)。ATTA的高靈敏度使得其僅需要十余升空氣樣品即可在數(shù)小時內(nèi)完成檢測。囚禁腔中的磁光阱具有高度選擇性，只有激光頻率調(diào)至目標(biāo)同位素原子共振線附近時，目標(biāo)同位素原子才會被俘獲，檢測中將激光頻率從共振頻率略微調(diào)偏(約10 MHz)，囚禁腔計數(shù)率瞬間降為零，而同位素之間共振頻率一般相差數(shù)百M(fèi)Hz，可見即使附近的同位素豐度是目標(biāo)同位素的數(shù)萬億倍，依然不會產(chǎn)生干擾。

目前美國阿貢國家實驗室和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等機(jī)構(gòu)均已實現(xiàn)對81Kr和85Kr同位素的定量檢測，81Kr和85Kr原子計數(shù)率分別為6 000個原子/小時和400個原子/小時左右，標(biāo)準(zhǔn)樣品用量為2～10 L的空氣或40～200 L水(約0.002～0.01 mL標(biāo)準(zhǔn)狀況下氪氣)，檢測效率約10-3，檢測時長約4 h。此外，德國海德堡大學(xué)利用ATTA裝置對大氣樣品中的39Ar含量進(jìn)行了檢測，樣品用量為0.1 mL空氣或2.5L水，39Ar原子計數(shù)率約4.1個/小時，檢測時長約10 h。

如表 1所示，相比低輻射計數(shù)法，原子阱痕量檢測技術(shù)突破了放射性元素半衰期的限制，實現(xiàn)了6 000個85Kr/小時、400個81Kr/小時和4.1個39Ar/小時的原子計數(shù)率，檢測效率存在數(shù)個量級的提升，樣品用量和檢測時長大幅縮減。與加速器質(zhì)譜法相比較，原子阱痕量檢測技術(shù)的主要突破在于81Kr和39Ar檢測，其檢測效率同樣存在1～2個量級的優(yōu)勢，樣品用量優(yōu)勢明顯，極大地降低了檢測樣品的取樣難度。

表1 長壽命放射性惰性氣體同位素檢測方法對比

原子阱痕量檢測技術(shù)的另一個巨大優(yōu)勢在于其實驗成本較低。低輻射計數(shù)法存在宇宙輻射干擾、測量環(huán)境放射性元素干擾和測量裝置中放射性材料干擾，因此對于實驗環(huán)境和裝置要求較高，需要特制的地下實驗室、多重屏蔽層和低輻射材料制成的實驗儀器，低輻射計數(shù)法實驗室建設(shè)成本極高。此外，加速器質(zhì)譜法中為避免同量異位素干擾，采用超導(dǎo)回旋電子振蕩器和回旋加速器完成待測同位素和同量異位素的分離操作，而超導(dǎo)回旋電子振蕩器和回旋加速器造價極其昂貴，限制了加速器質(zhì)譜法的推廣應(yīng)用。相比之下，原子阱痕量檢測技術(shù)既不需要特殊設(shè)計的實驗室，也不需要價格昂貴的粒子加速器，對于實驗環(huán)境和裝置的要求不高。原子阱痕量檢測技術(shù)只需要一般的光學(xué)潔凈間、數(shù)臺半導(dǎo)體激光器和超高真空裝置，即可在桌面設(shè)備上完成檢測，實驗室造價約數(shù)百萬至一千萬，成本優(yōu)勢明顯。

3.2 原子阱痕量檢測技術(shù)檢測流程

原子阱痕量檢測流程如圖5所示，可以分為亞穩(wěn)態(tài)氪原子激發(fā)、橫向準(zhǔn)直、二維聚焦、塞曼減速和亞穩(wěn)態(tài)氪原子囚禁，共五部分[2,12,19]。

圖5 原子阱痕量檢測流程示意圖

1) 亞穩(wěn)態(tài)氪原子激發(fā)

基態(tài)氪原子到第一激發(fā)態(tài)2P3/25s[3/2]1符合躍遷選擇規(guī)則，屬于循環(huán)躍遷，理論上可用于氪原子的冷卻與囚禁，但是這一躍遷要求波長123.6nm的真空紫外激光器，目前在技術(shù)上難以實現(xiàn)。此外，亞穩(wěn)態(tài)2P3/25s[3/2]3到激發(fā)態(tài)2P3/25p[3/2]3符合躍遷選擇規(guī)則同屬于循環(huán)躍遷，躍遷波長為811.5 nm，目前已有商用激光器。亞穩(wěn)態(tài)氪原子壽命長達(dá)40 s，時間上足夠完成對于氪原子的冷卻、囚禁和檢測，現(xiàn)常采用基于螺旋諧振腔的射頻等離子體放電方法(激發(fā)效率約0.1%)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)氪原子。螺旋諧振腔結(jié)構(gòu)如圖6所示，在一定氣壓下，輸入一定頻率、一定功率的射頻信號到螺旋諧振腔中可以產(chǎn)生氣體等離子體，等離子體中的高能電子與基態(tài)氪原子碰撞激發(fā)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)氪原子，實驗時可通過正交分析法優(yōu)化射頻頻率、射頻功率和放電腔氣壓等放電參數(shù)，得到最強(qiáng)的亞穩(wěn)態(tài)氪原子束流。

圖6 螺旋諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖

基于射頻等離子體放電的亞穩(wěn)態(tài)氪原子束流制備受限于電子碰撞激發(fā)機(jī)理，激發(fā)效率低下，提升空間有限，是限制原子阱痕量檢測技術(shù)檢測效率和靈敏度的主要因素。射頻等離子體放電中，除碰撞激發(fā)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)氪原子之外，還會碰撞電離產(chǎn)生相當(dāng)一部分氪離子。氪離子經(jīng)電磁場加速后會與真空管道壁面碰撞，嵌入內(nèi)壁中，并在下次檢測中被碰撞置換出來，出現(xiàn)樣品交叉污染，因此每次測量樣品之后，需要采用氙氣放電清洗30 h，拉長了循環(huán)檢測周期。

2) 橫向準(zhǔn)直

亞穩(wěn)態(tài)氪原子從放電管中飛出時，橫向速度較高，束流發(fā)散角較大，需要進(jìn)行橫向準(zhǔn)直，限制其束流發(fā)散角。若不對亞穩(wěn)態(tài)氪原子束流進(jìn)行橫向準(zhǔn)直，大部分亞穩(wěn)態(tài)氪原子將與真空腔體壁面碰撞損失，只有很少一部分原子可到達(dá)囚禁腔中磁光阱。橫向準(zhǔn)直部分利用二維光學(xué)黏膠對原子束流橫向速度進(jìn)行減速，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。二維光學(xué)黏膠由兩對兩兩垂直的激光束組成，其激光光強(qiáng)相同，頻率一致且為負(fù)失諧。取相對傳播的兩束激光分析，兩束激光作用力合力可表示為[20]

(2)

式中:v為原子橫向速度；?為約化普朗克常數(shù)；k為激光波矢；激光頻率失諧δ=ωL-ω0，ωL和ω0分別為激光頻率和二能級系統(tǒng)共振頻率(均為圓頻率)；飽和因子s=I0/I，I為激光光強(qiáng)，I0為能級飽和光強(qiáng)；Γ為躍遷的自然線寬。其中第一項為同向激光對原子作用力，第二項為相向激光對原子作用力。原子運(yùn)動速率較低時，忽略多普勒頻移，兩作用力合力可近似為

(3)

根據(jù)式(3)，激光頻率失諧δ<0，則其合力為阻尼力，大小與原子速度v成正比。光學(xué)黏膠對原子作用力隨速度變化關(guān)系如圖8所示，原子進(jìn)入光學(xué)黏膠后在阻尼力作用下橫向持續(xù)減速冷卻至多普勒極限速度，原子束流發(fā)散角被限制。

圖7 二維光學(xué)黏膠示意圖

圖8 一維光學(xué)黏膠作用力與原子速度關(guān)系曲線

3) 二維聚焦

塞曼減速中原子束流的縱向減速伴隨有橫向加熱效應(yīng)，原子每吸收一個反向運(yùn)動光子的動量實現(xiàn)縱向減速，就會自發(fā)輻射出一個光子，并且輻射方向在空間上隨機(jī)，其反沖動量會導(dǎo)致橫向加熱效應(yīng)。原子縱向速度減小的同時橫向速度增大，原子束流發(fā)散角不斷增大，導(dǎo)致大部分原子與真空管道壁面碰撞退激，或是未能到達(dá)三維磁光阱區(qū)域。為避免賽曼減速過程中，束流發(fā)散角增大造成原子束流發(fā)散損失，需要預(yù)先進(jìn)行二維聚焦。二維聚焦部分利用二維磁光阱產(chǎn)生指向原子束流中心的作用力，對原子束流預(yù)先聚焦，可降低亞穩(wěn)態(tài)氪原子發(fā)散損失。二維磁光阱由反赫姆霍茲線圈和兩對兩兩垂直的光束組成，其工作原理與亞穩(wěn)態(tài)氪原子囚禁中采用的三維磁光阱一致。

4) 塞曼減速

常溫下原子束流縱向速度一般高達(dá)數(shù)百米每秒，難以被囚禁腔中的三維磁光阱俘獲，故需采用塞曼減速對原子束流縱向減速至磁光阱俘獲速度[21]。常采用通電螺線圈產(chǎn)生特定的磁場分布，補(bǔ)償原子減速過程中的多普勒頻移，使原子與縱向減速光始終處于共振狀態(tài)，可持續(xù)減速原子至50 m/s左右。如圖9所示，通電螺線圈塞曼減速器由主減速線圈、副減速線圈和偏置線圈組成，每個線圈由數(shù)層不同匝數(shù)(幾十匝至上百匝)的絕緣皮銅導(dǎo)線繞制而成。3個通電螺線圈的電流分別由3個直流電源精密控制，3個線圈產(chǎn)生的磁場疊加，構(gòu)成了塞曼減速所需磁場。每層線圈在z方向產(chǎn)生的磁場可以表示為

(4)

式中:n為每厘米的匝數(shù)；I為通電線圈電流強(qiáng)度；z1和z2分別為線圈起始段和末端位置，每個線圈產(chǎn)生的磁場可以通過疊加各層線圈產(chǎn)生的磁場得到。

5) 亞穩(wěn)態(tài)氪原子囚禁

圖10所示三維磁光阱(3D-Magneto-Optical Trap)是一種囚禁中性原子的有效手段，由三對兩兩垂直具有特定偏振態(tài)的負(fù)失諧激光束和一對反赫姆霍茲線圈構(gòu)成[22]。如圖11所示，原子激發(fā)態(tài)能級在弱磁場中會分裂為mJ=0，±1三個子塞曼能級。如圖9(a)所示，x、y、z軸方向上均有一對強(qiáng)度相同、相對傳播的σ+和σ—振光，分別對應(yīng)Jg=0→Je=1，mJ=+1、Jg=0→Je=1，mJ=-1的躍遷。以z軸為例，在z>0處，原子與右旋圓偏振光σ—作用較強(qiáng)，由于偏振態(tài)相反，不與左旋圓偏振光σ+作用，兩束光作用力合力指向零坐標(biāo)位置。同樣，在z<0處，原子與左旋圓偏振光σ+作用較強(qiáng)，由于偏振態(tài)相反，不與右旋圓偏振光σ-作用，兩束光作用力合力指向零坐標(biāo)位置?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不均勻磁場和負(fù)失諧激光束的共同作用下，磁光阱內(nèi)的原子受到一個處處指向中心的作用力，被囚禁在磁光阱中心。被囚禁的亞穩(wěn)態(tài)氪原子每秒鐘散射約107個光子，采用高靈敏CCD相機(jī)探測熒光強(qiáng)度，即可對單位時間被囚禁原子個數(shù)進(jìn)行計數(shù)。

圖9 通電螺線圈塞曼減速器

圖10 三維磁光阱結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 二能級原子在磁光阱中能級結(jié)構(gòu)

3.3 原子阱痕量檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

原子阱痕量檢測技術(shù)具有單原子級別探測靈敏度、同位素級別分辨率和零本底探測的獨(dú)特優(yōu)勢，在長壽命痕量放射性同位素檢測上具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，國內(nèi)外很多院校和科研機(jī)構(gòu)都開展了相關(guān)的理論和應(yīng)用研究。

美國阿貢國家實驗室是最早開始原子阱痕量檢測技術(shù)相關(guān)研究的團(tuán)隊，目前美國阿貢國家實驗室的ATTA裝置已經(jīng)發(fā)展到第三代，可靠性和檢測效率得到了穩(wěn)步提高，并且首次對自然樣品中的81Kr原子進(jìn)行了單原子計數(shù)[7,23]。美國阿貢國家實驗室的ATTA裝置主要用于檢測地下水樣品中的81Kr含量，通過計算81Kr/83Kr比例對地下水樣品進(jìn)行年代斷定。81Kr的有限斷代年限在15萬年到150萬年間，氪氣標(biāo)準(zhǔn)用量為5 μL(100～200 L水樣品或40～80 kg冰樣品)，標(biāo)準(zhǔn)檢測時長2 h。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的胡水明小組[2,3,12,19,24]與美國阿貢國家實驗室合作，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和阿貢實驗室分別搭建了一套第三代ATTA裝置。兩套裝置結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)基本一致，其主要區(qū)別在于阿貢實驗室采用了實時測量83Kr原子俘獲率的直接測量方案，而中科大采用了以猝滅光源作光開關(guān)，間接測量原子俘獲率的測量方案。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的ATTA裝置同樣用于檢測地下水樣品中的81Kr含量，并對地下水樣品進(jìn)行年代斷定。

德國海德堡大學(xué)的Welte小組[4,25]搭建了一套ATTA裝置用于檢測39Ar原子，目前已實現(xiàn)每小時4.1±0.3個39Ar原子的俘獲率，具備對標(biāo)況下1ml氬氣樣品進(jìn)行檢測的能力。39Ar 半衰期269年，可對50～1500年的環(huán)境樣品進(jìn)行年代斷定，填補(bǔ)了其他同位素測年范圍的空白，目前主要用于全球洋流循環(huán)研究。

美國哥倫比亞大學(xué)物理系的Aprile小組[26]搭建了一套ATTA裝置，用于測量高純度氙氣樣品中84Kr/Xe比例(約10-12)。盡管通過低溫蒸餾從Xe中去除Kr(包括84Kr和85Kr)的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但對于大體積(約100 L)的液態(tài)氙暗物質(zhì)探測器而言，85Kr的放射性衰變污染仍是探測器靈敏度的主要限制，急需發(fā)展一種可用于標(biāo)定85Kr的放射性衰變污染水平的方法。84Kr同位素豐度57%，85Kr同位素豐度約2×10-11，85Kr/84Kr通常穩(wěn)定，那么通過測量84Kr/Xe，再結(jié)合85Kr/84Kr比例，即可計算出85Kr/Xe。

德國洪堡大學(xué)的Daerr小組[27]搭建了一套ATTA裝置，用于檢測核燃料后處理廠釋放的85Kr，其性能指標(biāo)與美國阿貢實驗室ATTA裝置基本相同。如被國際原子能機(jī)構(gòu)采用，該裝置將用于核查《不擴(kuò)散核武器條約》的實行情況。

航天工程大學(xué)的洪延姬小組[28-29]與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的胡水明小組合作搭建了一套第三套ATTA裝置，主要用于檢測大氣中的85Kr含量，可應(yīng)用于核活動和核反應(yīng)堆泄漏的日常監(jiān)測。

4 結(jié)論

相比低輻射計數(shù)法和加速器質(zhì)譜法，原子阱痕量檢測技術(shù)既不需要特殊設(shè)計的實驗室，也不需要價格昂貴的粒子加速器，僅需要幾臺價格相對低廉的半導(dǎo)體激光器和桌面設(shè)備即可完成檢測，在地下水年代測定、氣候變化、大氣環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。目前原子阱痕量檢測技術(shù)已實現(xiàn)對于81Kr、85Kr和39Ar原子的檢測，但檢測效率和檢測靈敏度仍存在一定提升空間，下一步可通過研究亞穩(wěn)態(tài)氪原子光學(xué)激發(fā)方法和永磁體塞曼減速器進(jìn)一步提高檢測效率。

1) 亞穩(wěn)態(tài)氪原子光學(xué)激發(fā)方法

2002年，L.Young等提出了一種真空紫外光激發(fā)方法。基態(tài)氪原子首先共振吸收波長123.6 nm真空紫外光子，從基態(tài)躍升到第一激發(fā)態(tài)5s[3/2]1，隨后利用819.2 nm激光照射得到激發(fā)態(tài)原子5p[3/2]2，隨后將自發(fā)輻射出一個光子落到亞穩(wěn)態(tài)5s[3/2]2。相比等離子體放電約0.1%的激發(fā)效率，光學(xué)激發(fā)效率最高可達(dá)5%，對于原子阱痕量檢測技術(shù)來說是飛躍性的提升。此外，光學(xué)激發(fā)方法對工作氣壓沒有要求，可以任意氣壓下激發(fā)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)氪原子束流，可以極大地縮小單次檢測的樣品用量。此外，光學(xué)激發(fā)方法不會出現(xiàn)交叉污染問題，檢測之后不需要進(jìn)行氙氣放電清洗，樣品循環(huán)檢測周期將進(jìn)一步縮短至1天。

光學(xué)激發(fā)方法的最大挑戰(zhàn)在于123.6 nm真空紫外氪燈的獲取，受氣體雜質(zhì)和MgF2窗片退化影響，真空紫外燈的壽命只有數(shù)小時。此外，氪氣較強(qiáng)的自吸收效應(yīng)限制了紫外光強(qiáng)度，僅有10%的123.6 nm光子可以出射。需要進(jìn)一步優(yōu)化真空紫外光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計與激勵方式，延長工作壽命，提高真空紫外光強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上開展真空紫外光激發(fā)各參數(shù)對亞穩(wěn)態(tài)氪原子激發(fā)效率的影響規(guī)律研究。

2) 永磁體塞曼減速器

塞曼減速所需的梯度磁場常用不同形式的通電螺線圈產(chǎn)生。使用過程中，發(fā)現(xiàn)通電螺線圈塞曼減速器存在有效減速區(qū)域短、需要直流電源和冷卻裝置以及安裝和拆卸不便等不足。2007年Ovchinnikov等首次報道了采用圓柱形永磁體設(shè)計塞曼減速器的方法，這種永磁體塞曼減速器結(jié)構(gòu)簡單，便于組裝和調(diào)節(jié)，不需要電流源和冷卻裝置，可以減小系統(tǒng)尺寸與質(zhì)量，便于集成以提高系統(tǒng)可靠性，因而獲得了越來越多的關(guān)注和研究。

塞曼減速中原子束流在縱向上做減速運(yùn)動，橫向上做加速運(yùn)動。橫向加速運(yùn)動會導(dǎo)致束流發(fā)散角增大，大部分原子與真空腔面碰撞損失或是未能到達(dá)三維磁光阱區(qū)域，僅有約1/20的原子被俘獲囚禁。為降低橫向束流損失，可考慮在塞曼減速器中間增加橫向準(zhǔn)直或二維聚焦部件，抵消橫向隨機(jī)加熱效應(yīng)。由于自身結(jié)構(gòu)限制，通電螺線圈塞曼減速器無法預(yù)留出足夠的通光孔，難以在束流減速的同時進(jìn)行準(zhǔn)直或聚焦。而永磁體塞曼減速器在設(shè)計上可以預(yù)留足夠的通光孔，將橫向準(zhǔn)直腔和塞曼減速腔集成為一體的準(zhǔn)直減速腔。準(zhǔn)直減速腔中，可同時進(jìn)行縱向減速和橫向準(zhǔn)直，抵消橫向隨機(jī)加熱效應(yīng)，避免束流橫向發(fā)散損失，可以實現(xiàn)原子俘獲率5倍以上的提高。