Лазерний атомно- фотоіонізаційний спектральний аналіз

Розробка нових аналітичнх методів визначення ультранизьких вмістів елементів в різних речовинах є насьогодні актуальною для багатьох галузей сучасної науки і техіки. Це зумовлено тим, що сьогодня для вирішення великої кількості задач технології високочистих матеріалів, геології та геохімії, токсикології, екології та іншого, те потрібен контроль вмісту деяких елементів в речовині на рівні 10-8 – 10-11%. В деяких випадках таку чутливість аналіза можуть забезпечити традиційні аналітичні методи або їх модифікації: атомно- абсорбційна і атомно- флуорисцентна сектрометрія, нейтронно- активаційний аналіз, іскрова масс- спектроскопія та інші. Проте в більшості випадків чутливість обмежена рівнем 10-7 %.

Очевидний інтерес для аналітичного застосування являють собою лазерні методи детектування одиничних атомів. Вони засновані на методі лазерного збудження флуорисценції атомів і методі лазерної ступінчатої резонансної фотоіонізації атомів. Проте для прямого використання цих методів в аналітичних задачах необхідно вирішити ряд супутніх проблем. Справа в тому, що задача визначення ультранизьких слідів елементів в аналізованій речовині складається з трьох послідовних етапів:

1.Отримання вільних атомів елемента;

2.Транспортування цих атомів в область лазерного прменя;

3.Детектування атомів з допомогою лазерного випромінювання;

СХЕМИ СТУПІНЧАТОЇ ФОТОІОНІЗАЦІЇ.

В методі лазерної багатоступінчатої фотоіонізації атоми збуджуються лазерним випромінюванням в проміжний високолижачий стан в одну або декілька супінів, а потім здійснюється фотоіонізація тільки збуджених атомів. За шляхом іонізації атома з проміжного стану в методі ступінчатої фотоіонізації можна виділити умовно три підхода:

1.Нерезонансна фотоіонізація збудженого атома в контінуум.

2.Іонізація атома з рідберговського стану електричним полем в результаті зіткнення з частинками буферного газу та інше.

3.Резонансна фотоіонізація збудженого атома шляхом збудження в вузький автоіонізаційний стан.

А тепер трішки докладніше про кожен з підходів:

1. Іонізація на переходах в континуум. При такому способі збуджений атом іонізується допоміжним лазерним випромінюванням або випромінюванням, що використовується в на одному з ступінів резонансного збудження. Для ефективного збудження і подальшої фотоіонізації збуджених атомів густини енергії імпульсів повинні задовольняти наступним вимогам, що є частими випадком загальних умов:

Фзбуд≳ Ф нас збуд=Ћɷзбуд /2збуд, Фіон≳ Ф нас збуд=Ћɷіон /2іон,

Для іонізуючого імпульса густини енергії насичення Ф нас збуд лежить в межах 0,01-1 Дж/см2 (для збуджуючих імпульсів відповідні значення Ф нас збуд в 2збуд /іон, разів менше). Такі параметри лазерного випромінювання досягаються існуючими лазерами, коли потрібна частота повторення імпульсів не перевищує декількох десятків герц.

2. Іонізація через рідберговський стан.

В цьму методі, атом з проміжного стану збудження під границю іонізації в рідберговський стан і потім іонізується імпульсом електричного поля. Дослідження продемонстрували, що рідберговські атоми мають унікальну властивість порівняно легко іонізуватись в електричному полі незалежно від виду атома. Причому кожний рідберговський стан характеризується своїм значенням критичного електричного поля, поблизу якого іонізація має пороговий характер. При напруженості електричного поля, великої критичної для даного рідберговського стану, збуджені в такий стан атоми іонізуються з виходом іонів, близьким до одиниці. При цьому зріз іонізіції атома з проміжного стану визначається зрізом його резонансного збудження в рідбергівський стан. Цей зріз на декілька порядків перевищує зріз нерезонансної іонізації в континуум. Збудження атома в рідбергівський стан можна здійснювати в дві або три ступіті випромінюванням імпульсних лазерів на барвниках, що синхронізовані один з одним. Обрання схеми збудження залежить від конкретного атома.