基于激光共振電離質譜的釓奇宇稱高激發態研究

張鈞堯, 薛 軼, 周鴻儒

(粒子輸運與富集國防重點實驗室, 天津市 300180)

1 引 言

鑭系元素的光譜數據在原子物理學、原子核物理學和天體物理學等多個研究領域均有重要應用[1-3]，也對痕量元素同位素分析[4]、開發金屬鹵化物高強度放電燈[5]等具有重要意義. 隨著近年來針對鑭系元素中具有放射性治療或成像價值的醫用放射性同位素的研究興起，針對前體核素的激光同位素分離工作同樣發展迅速[6-9]，這需要相應的高激發態等光譜數據作為支撐.

鋱(Tb，Z=65)具有4種具有醫用價值的放射性同位素：149Tb、152Tb、155Tb和161Tb，其中161Tb具有與177Lu相近的衰變特性，可實現癌癥靶向治療與SPECT成像診斷，也可與152Tb、155Tb配合作為“診斷-治療”配對使用，具有廣闊的發展空間[10]. 然而，四種鋱同位素的生產主要采用基于釓同位素的輕粒子核反應，如160Gd(n，γ)161Tb，因缺少合適的常溫氣態化合物與多步高效光電離路徑，釓同位素僅采用電磁法分離，難以提供大量高豐度的釓同位素靶材，因此161Tb等的研究與應用仍受到嚴重制約[11]. 除作為醫用同位素前體外，155Gd和157Gd因具有高熱中子吸收截面，可用于提升核反應堆的安全性與經濟性. 因此，獲取釓的光譜數據，為發展適用于釓的多步高效光電離路徑提供基礎條件，具有重要意義.

釓(Gd，Z=64)的基態電子結構為[Xe]4f75d6s2，有著復雜的原子結構和躍遷譜線. 絕大多數釓光譜文獻僅開展了針對自基態或亞穩態出發，到達偶宇稱激發態的單步躍遷過程的研究工作，少有針對基于多步躍遷的奇宇稱高激發態的研究. 1991年，瞿佳男等[12]采用共振電離譜法研究了釓的高激發態，獲取了11條J=4～7的新激發態能級；1996年，Miyabe等[13]同樣采用共振電離譜法，完成了寬能區范圍內的高激發態譜線掃描，共獲取了38條新高激發態能級，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態均處于31000～37000 cm-1內，對更高能區的高激發態能級尚無報道. 釓的高激發態能級仍有大量空白區域，亟待進一步獲取更多高激發態能級數據.

激光共振電離質譜(Resonance ionization mass spectroscopy，RIMS)結合了激光共振電離譜的單原子探測與質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，實現共振光電離并完成離子的質譜分析. RIMS方法可將大量原子激發到高能級上，同時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雜能級結構，特別適用于高激發態、自電離態的光譜研究工作，已被廣泛應用于鑭系、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譜技術在36900～37600 cm-1范圍內測得的奇宇稱高激發態能級及可能的J值.

2 實驗系統

研究釓高激發態光譜的RIMS實驗系統如圖1所示，主要包括激光系統和飛行時間質譜系統.

圖1 RIMS試驗系統示意圖：(1)延時發生器；(2)Nd：YAG激光器；(3)染料激光器；(4)波長計及閉環調節系統；(5)光纖合束器；(6)鏡組；(7)原子爐；(8)質量分析器；(9)離子檢測器；(10)工控機. 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.

激光系統為自主設計研發的固體激光器泵浦的可調諧染料激光器系統. 固體激光器采用波長為532 nm的Nd：YAG激光器，工作重頻為10 kHz，脈寬小于100 ns，輸出功率可調范圍為20～100 W，可通過延時信號發生器改變固體激光器的觸發時序來調整泵浦光之間的延遲. 兩臺染料激光器均采用Littman腔型，波長可調范圍為550～670 nm，實驗中采用羅丹明6G激光染料，激光波長為555～575 nm，波長設定精度為0.1 pm，功率范圍為0.2～3W，線寬約為1GHz，并配置了波長閉環控制系統，線寬和波長穩定性均好于0.2 pm，脈寬為30 ns. 每束激光的一部分在激光器腔內被光纖采集、傳輸至激光波長計，用于定點波長的閉環控制和固定步長的掃描控制. 為保證多束染料激光的光斑重合，將激光經光纖合束器入纖、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，聚焦到飛行時間質譜的加速區位置.

飛行時間質譜系統核心是國內自主搭建的高分辨飛行時間質譜，主要包括原子爐和質量分析器兩部分. 利用電阻加熱方式，使盛放鉭質試管中的毫克量級固態金屬樣品蒸發形成原子流，經直徑2 mm小孔束流后進入飛行時間質譜的加速區，加熱溫度最高達1700 ℃，可實現多種元素的蒸發. 質量分析器采用多次反射式設計，進入加速區的原子經多束染料激光共振激發、電離，在質量分析器中沿“W”形狀的飛行路徑經過加速區、無場飛行區和多級反射區，最終到達離子檢測器，信號經采集、傳輸、處理后在工控機上呈現為譜峰圖. 該飛行時間質譜利用三次反射過程大大延長了離子的飛行時間，質量分辨率可達10000 FWHM，如圖2所示為釓單色光電離所獲取的質譜圖，可見全部7種同位素.

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

3 結果與討論

表1 光譜實驗所用第一步躍遷譜線

圖3為固定λ1=556.129 nm，λ2在560～566 nm范圍內以3 pm/s步長掃描的結果圖，共分辨出9條可能的高激發態能級，如圖3上部的標號所示. 其中，標號為①、④的兩條躍遷譜線分別對應了已知的高激發態37544.290 cm-1和37463.818 cm-1，通過掃描確定的能級位置與NIST數據庫差異在±0.2 cm-1內，從而對實驗結果的可信度進行了初步檢驗. 在利用共振電離方法研究釓原子能級時，由于釓的能級結構復雜，可能出現“λ1+λ1+λ1”等單色多光子電離過程，為排除該類型信號對確定高激發態能級的干擾，將λ1擋光并重掃該波段，結果如圖3下部所示，可見標號為③、⑤、⑥的三條躍遷譜線均對應單色多光子電離過程，而標號為②、⑦、⑧、⑨的四條躍遷譜線可能對應新的奇宇稱高激發態能級.

圖3 釓的高激發態能級掃描部分結果Fig. 3 Part of the results of the high energy level scanning of Gd

為進一步驗證高激發態掃描結果，利用表1中不同的第一激發態重復掃描36900～37450 cm-1范圍. 由角動量躍遷選擇定則ΔJ=0，±1可知，因561.601 nm和556.129 nm對應的激發態能級均有J=5，利用這兩條譜線掃描得到的高激發態應一致，而利用563.035 nm掃描得到的高激發態可能存在差異. 同時，對掃描得到的新能級，以0.5 pm/s的步長進行精確掃描，并對多次掃描獲得的譜峰數據進行Voigt線型擬合處理，以得到與共振躍遷過程對應的最優λ2數值，如圖4所示.

圖4 掃描譜峰的Voigt擬合結果Fig. 4 Voigt fitting for the scanning spectrum

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

表2 釓的新發現奇宇稱高激發態能級及其J值

在研究高激發態能級的同時，在555～575 nm的掃描范圍內發現了4條較強的單色光電離譜線，表3總結了僅由λ2單色多光子電離產生的譜峰，根據譜峰信號強度將其分為強(S)、中(M)、弱(W)三個等級，并對照NIST數據庫給出了可能的躍遷過程. 其中，λ=563.060 nm對應的單色躍遷過程(即圖3中⑤)的信號強度與雙色三光子過程相當，因僅需一束激光即可實現釓的光電離，該過程可用于激光共振電離質譜的性能檢驗等過程，如圖2所示.

表3 555～575 nm內的單色光電離躍遷過程

4 結 論

利用激光共振電離質譜，通過雙色三步光電離過程研究了釓的36900～37700 cm-1能區，獲得了7條新的奇宇稱高激發態能級，能級位置準確度可達±0.1 cm-1，基于角動量選擇定則，確定了能級可能的J值. 同時，發現了4條較強的單色光電離譜線，其中1條可用于質譜性能檢驗. 該工作是釓原子共振電離路徑研究的一部分，將在此基礎上進行自電離態研究等工作，尋找最佳釓原子光電離方案.