張鈞堯, 薛 軼, 周鴻儒

(粒子輸運(yùn)與富集國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津市 300180)

1 引 言

鑭系元素的光譜數(shù)據(jù)在原子物理學(xué)、原子核物理學(xué)和天體物理學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域均有重要應(yīng)用[1-3]，也對(duì)痕量元素同位素分析[4]、開發(fā)金屬鹵化物高強(qiáng)度放電燈[5]等具有重要意義. 隨著近年來針對(duì)鑭系元素中具有放射性治療或成像價(jià)值的醫(yī)用放射性同位素的研究興起，針對(duì)前體核素的激光同位素分離工作同樣發(fā)展迅速[6-9]，這需要相應(yīng)的高激發(fā)態(tài)等光譜數(shù)據(jù)作為支撐.

鋱(Tb，Z=65)具有4種具有醫(yī)用價(jià)值的放射性同位素：149Tb、152Tb、155Tb和161Tb，其中161Tb具有與177Lu相近的衰變特性，可實(shí)現(xiàn)癌癥靶向治療與SPECT成像診斷，也可與152Tb、155Tb配合作為“診斷-治療”配對(duì)使用，具有廣闊的發(fā)展空間[10]. 然而，四種鋱同位素的生產(chǎn)主要采用基于釓?fù)凰氐妮p粒子核反應(yīng)，如160Gd(n，γ)161Tb，因缺少合適的常溫氣態(tài)化合物與多步高效光電離路徑，釓?fù)凰貎H采用電磁法分離，難以提供大量高豐度的釓?fù)凰匕胁?，因?61Tb等的研究與應(yīng)用仍受到嚴(yán)重制約[11]. 除作為醫(yī)用同位素前體外，155Gd和157Gd因具有高熱中子吸收截面，可用于提升核反應(yīng)堆的安全性與經(jīng)濟(jì)性. 因此，獲取釓的光譜數(shù)據(jù)，為發(fā)展適用于釓的多步高效光電離路徑提供基礎(chǔ)條件，具有重要意義.

釓(Gd，Z=64)的基態(tài)電子結(jié)構(gòu)為[Xe]4f75d6s2，有著復(fù)雜的原子結(jié)構(gòu)和躍遷譜線. 絕大多數(shù)釓光譜文獻(xiàn)僅開展了針對(duì)自基態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)出發(fā)，到達(dá)偶宇稱激發(fā)態(tài)的單步躍遷過程的研究工作，少有針對(duì)基于多步躍遷的奇宇稱高激發(fā)態(tài)的研究. 1991年，瞿佳男等[12]采用共振電離譜法研究了釓的高激發(fā)態(tài)，獲取了11條J=4～7的新激發(fā)態(tài)能級(jí)；1996年，Miyabe等[13]同樣采用共振電離譜法，完成了寬能區(qū)范圍內(nèi)的高激發(fā)態(tài)譜線掃描，共獲取了38條新高激發(fā)態(tài)能級(jí)，并利用躍遷選擇定則確定了J值. 以上激光光譜工作獲取的釓原子奇宇稱高激發(fā)態(tài)均處于31000～37000 cm-1內(nèi)，對(duì)更高能區(qū)的高激發(fā)態(tài)能級(jí)尚無報(bào)道. 釓的高激發(fā)態(tài)能級(jí)仍有大量空白區(qū)域，亟待進(jìn)一步獲取更多高激發(fā)態(tài)能級(jí)數(shù)據(jù).

激光共振電離質(zhì)譜(Resonance ionization mass spectroscopy，RIMS)結(jié)合了激光共振電離譜的單原子探測(cè)與質(zhì)譜的高同位素分辨能力，可利用多步共振激光將原子泵浦至特定的能級(jí)，實(shí)現(xiàn)共振光電離并完成離子的質(zhì)譜分析. RIMS方法可將大量原子激發(fā)到高能級(jí)上，同時(shí)解決了各同位素躍遷譜線重疊的問題，具有高光譜分辨能力，因此可用于研究重元素的復(fù)雜能級(jí)結(jié)構(gòu)，特別適用于高激發(fā)態(tài)、自電離態(tài)的光譜研究工作，已被廣泛應(yīng)用于鑭系、錒系元素及人工超重元素的前沿研究工作[14-17].

本文將介紹利用激光共振電離質(zhì)譜技術(shù)在36900～37600 cm-1范圍內(nèi)測(cè)得的奇宇稱高激發(fā)態(tài)能級(jí)及可能的J值.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

研究釓高激發(fā)態(tài)光譜的RIMS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括激光系統(tǒng)和飛行時(shí)間質(zhì)譜系統(tǒng).

圖1 RIMS試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖：(1)延時(shí)發(fā)生器；(2)Nd：YAG激光器；(3)染料激光器；(4)波長(zhǎng)計(jì)及閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；(5)光纖合束器；(6)鏡組；(7)原子爐；(8)質(zhì)量分析器；(9)離子檢測(cè)器；(10)工控機(jī). Fig. 1 Schematic diagram of RIMS test system：(1)Delay generator；(2)Nd：YAG lasers；(3)dye lasers；(4)wavemeter and closed-loop control system；(5)fiber coupler；(6)lens；(7)atomizer；(8)mass analyzer；(9)ion detector；(10)IPC.

激光系統(tǒng)為自主設(shè)計(jì)研發(fā)的固體激光器泵浦的可調(diào)諧染料激光器系統(tǒng). 固體激光器采用波長(zhǎng)為532 nm的Nd：YAG激光器，工作重頻為10 kHz，脈寬小于100 ns，輸出功率可調(diào)范圍為20～100 W，可通過延時(shí)信號(hào)發(fā)生器改變固體激光器的觸發(fā)時(shí)序來調(diào)整泵浦光之間的延遲. 兩臺(tái)染料激光器均采用Littman腔型，波長(zhǎng)可調(diào)范圍為550～670 nm，實(shí)驗(yàn)中采用羅丹明6G激光染料，激光波長(zhǎng)為555～575 nm，波長(zhǎng)設(shè)定精度為0.1 pm，功率范圍為0.2～3W，線寬約為1GHz，并配置了波長(zhǎng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，線寬和波長(zhǎng)穩(wěn)定性均好于0.2 pm，脈寬為30 ns. 每束激光的一部分在激光器腔內(nèi)被光纖采集、傳輸至激光波長(zhǎng)計(jì)，用于定點(diǎn)波長(zhǎng)的閉環(huán)控制和固定步長(zhǎng)的掃描控制. 為保證多束染料激光的光斑重合，將激光經(jīng)光纖合束器入纖、傳輸，再通過特制激光鏡組整形為直徑4 mm左右的圓形光斑，聚焦到飛行時(shí)間質(zhì)譜的加速區(qū)位置.

飛行時(shí)間質(zhì)譜系統(tǒng)核心是國內(nèi)自主搭建的高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜，主要包括原子爐和質(zhì)量分析器兩部分. 利用電阻加熱方式，使盛放鉭質(zhì)試管中的毫克量級(jí)固態(tài)金屬樣品蒸發(fā)形成原子流，經(jīng)直徑2 mm小孔束流后進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)譜的加速區(qū)，加熱溫度最高達(dá)1700 ℃，可實(shí)現(xiàn)多種元素的蒸發(fā). 質(zhì)量分析器采用多次反射式設(shè)計(jì)，進(jìn)入加速區(qū)的原子經(jīng)多束染料激光共振激發(fā)、電離，在質(zhì)量分析器中沿“W”形狀的飛行路徑經(jīng)過加速區(qū)、無場(chǎng)飛行區(qū)和多級(jí)反射區(qū)，最終到達(dá)離子檢測(cè)器，信號(hào)經(jīng)采集、傳輸、處理后在工控機(jī)上呈現(xiàn)為譜峰圖. 該飛行時(shí)間質(zhì)譜利用三次反射過程大大延長(zhǎng)了離子的飛行時(shí)間，質(zhì)量分辨率可達(dá)10000 FWHM，如圖2所示為釓單色光電離所獲取的質(zhì)譜圖，可見全部7種同位素.

圖2 釓原子的光電離質(zhì)譜圖Fig. 2 The mass spectrum of photoionized Gd atom

3 結(jié)果與討論

表1 光譜實(shí)驗(yàn)所用第一步躍遷譜線

圖3為固定λ1=556.129 nm，λ2在560～566 nm范圍內(nèi)以3 pm/s步長(zhǎng)掃描的結(jié)果圖，共分辨出9條可能的高激發(fā)態(tài)能級(jí)，如圖3上部的標(biāo)號(hào)所示. 其中，標(biāo)號(hào)為①、④的兩條躍遷譜線分別對(duì)應(yīng)了已知的高激發(fā)態(tài)37544.290 cm-1和37463.818 cm-1，通過掃描確定的能級(jí)位置與NIST數(shù)據(jù)庫差異在±0.2 cm-1內(nèi)，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度進(jìn)行了初步檢驗(yàn). 在利用共振電離方法研究釓原子能級(jí)時(shí)，由于釓的能級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能出現(xiàn)“λ1+λ1+λ1”等單色多光子電離過程，為排除該類型信號(hào)對(duì)確定高激發(fā)態(tài)能級(jí)的干擾，將λ1擋光并重掃該波段，結(jié)果如圖3下部所示，可見標(biāo)號(hào)為③、⑤、⑥的三條躍遷譜線均對(duì)應(yīng)單色多光子電離過程，而標(biāo)號(hào)為②、⑦、⑧、⑨的四條躍遷譜線可能對(duì)應(yīng)新的奇宇稱高激發(fā)態(tài)能級(jí).

圖3 釓的高激發(fā)態(tài)能級(jí)掃描部分結(jié)果Fig. 3 Part of the results of the high energy level scanning of Gd

為進(jìn)一步驗(yàn)證高激發(fā)態(tài)掃描結(jié)果，利用表1中不同的第一激發(fā)態(tài)重復(fù)掃描36900～37450 cm-1范圍. 由角動(dòng)量躍遷選擇定則ΔJ=0，±1可知，因561.601 nm和556.129 nm對(duì)應(yīng)的激發(fā)態(tài)能級(jí)均有J=5，利用這兩條譜線掃描得到的高激發(fā)態(tài)應(yīng)一致，而利用563.035 nm掃描得到的高激發(fā)態(tài)可能存在差異. 同時(shí)，對(duì)掃描得到的新能級(jí)，以0.5 pm/s的步長(zhǎng)進(jìn)行精確掃描，并對(duì)多次掃描獲得的譜峰數(shù)據(jù)進(jìn)行Voigt線型擬合處理，以得到與共振躍遷過程對(duì)應(yīng)的最優(yōu)λ2數(shù)值，如圖4所示.

圖4 掃描譜峰的Voigt擬合結(jié)果Fig. 4 Voigt fitting for the scanning spectrum

通過3條不同的第一激發(fā)態(tài)重復(fù)掃描，最終在36900～37700 cm-1范圍內(nèi)獲得了7條新的奇宇稱高激發(fā)態(tài)能級(jí)，并根據(jù)角動(dòng)量躍遷選擇定則(ΔJ=0，±1)給出了能級(jí)可能的J值，如表2所示，其中不同激發(fā)態(tài)的掃描獲取的能級(jí)位置差異在±0.1 cm-1以內(nèi)，通過平均最終確定了能級(jí)位置.

表2 釓的新發(fā)現(xiàn)奇宇稱高激發(fā)態(tài)能級(jí)及其J值

在研究高激發(fā)態(tài)能級(jí)的同時(shí)，在555～575 nm的掃描范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了4條較強(qiáng)的單色光電離譜線，表3總結(jié)了僅由λ2單色多光子電離產(chǎn)生的譜峰，根據(jù)譜峰信號(hào)強(qiáng)度將其分為強(qiáng)(S)、中(M)、弱(W)三個(gè)等級(jí)，并對(duì)照NIST數(shù)據(jù)庫給出了可能的躍遷過程. 其中，λ=563.060 nm對(duì)應(yīng)的單色躍遷過程(即圖3中⑤)的信號(hào)強(qiáng)度與雙色三光子過程相當(dāng)，因僅需一束激光即可實(shí)現(xiàn)釓的光電離，該過程可用于激光共振電離質(zhì)譜的性能檢驗(yàn)等過程，如圖2所示.

表3 555～575 nm內(nèi)的單色光電離躍遷過程

4 結(jié) 論

利用激光共振電離質(zhì)譜，通過雙色三步光電離過程研究了釓的36900～37700 cm-1能區(qū)，獲得了7條新的奇宇稱高激發(fā)態(tài)能級(jí)，能級(jí)位置準(zhǔn)確度可達(dá)±0.1 cm-1，基于角動(dòng)量選擇定則，確定了能級(jí)可能的J值. 同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了4條較強(qiáng)的單色光電離譜線，其中1條可用于質(zhì)譜性能檢驗(yàn). 該工作是釓原子共振電離路徑研究的一部分，將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自電離態(tài)研究等工作，尋找最佳釓原子光電離方案.