Устройство для лазерного флуоресцентного детектирования единичных атомов и молекул

 

УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНОГО ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЕДИНИЧНЫХ АТОМОВ И МОЛЕ1(УЛ, включающее перестраиваемый по частоте лазер для воэбзтдения флуоресценции единичных атомов в аналитической зоне, тему фокусировки вторичного излучения из аналитической зоны на два фотоприемника , симметрично расположенных по обе стороны зоны, включенных через последовательно соединенные усилители-дискриминаторы в схему совпадений , отличающееся тем, что, с целью увеличения соотношения сигнал/шум при наличии в аналитической зоне мешающего излучения , фотоприемники выполнены в виде матриц светочувствительных элементов, в устройство введены дополнительные схемы совпадений, при этом противо- I положно расположенные светочувстви (Л тельные элементы разных матриц, на которые сфокусирована одна и та же с часть аналитической зоны, попарно включены в отдельные схемы совпаде§ ний .

,СО03 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

s(511 G 01 М 21/39

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС (21) 3518042/18-25 (22) 01 12.82, (46) 07. 11.84. Бюл. й- 41 (72) О.И. Матвеев и В.А. Прибытков (53) 535.37(088.8) (56) 1. Fairbank W.M. Hansch Т.W. Schawlow А.L. Absolute measurement

of very low sodium-vapor densities

using laser resonanse fluorescence

J. Optical Soc. Amer, 1975, v. 65, В 2, р. 199-204.

2. Балыкин В.И., Летохов .В.С., Мишин В.И. Лазерное фруоресцентное детектирование единичных атомов.

Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1979, Т. 77, к= 12, с. 53-61 .(прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНОГО

ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЕДИНИЧНЫХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ, включающее перестраиваемый по частоте лазер

„„SU„„1 2 4 А для возбуждения флуоресценции единичных атомов в аналитической зоне, сис» тему фокусировки вторичного излучения из аналитической зоны на два фотоприемника, симметрично расположенных по обе стороны зоны, включенных через последовательно соединенные усилители-дискриминаторы в схему совпадений, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения соотношения сигнал/шум при наличии в аналитической зоне мешающего излучения, фотоприемники выполнены в виде матриц светочувствительных элементов, в устройство введены дополнительные схемы совпадений, при этом противоположно расположенные светочувствительные элементы разных матриц, на которые сфокусирована одна и та же часть аналитической зоны, попарно включены в отдельные схемы совпадений. li22934

Изобретение относится к области лазерного спектрального анализа ультрамалых концентраций атомов и молекул и может найти применение для анализа атомов и молекул в вакууме или в газовой фазе, при анализе сверхчистых веществ, а также при изучении кинетики газофазных химических реакций.

Известно устройство для лазерного 10

",флуоресцентного детектирования ультрамалых концентраций атомов (1$.

Однако с помощью этого устройства нельзя достичь хорошей чувствительности, так как лишь небольшая !5 часть излучения, несущего аналитическую информацию, попадает на фотоприемник.

Наиболее близким к изобретению является устройство, включающее пере- 20 страиваемый по частоте лазер для

- возбуждения флоуресценции в аналитической зоне, систему сбора фотонов, фотоприемники, симметрично расположенные по обе стороны эоны, усили- 25 тель, дискриминаторы, электронную схему регистрации сигналов совпадения, при использовании которого можно достичь. более низкие пределы обнаружения на уровне единичных ато- Зп мов (2J .

Однако с помощью известного устройства практически невозможно детектировать единичные атомы при наличии постороннего мешающего излучения, например в пламенах. Область линейности градуировочной характеристики известного метода небольшая, поскольку случаи попадания в зону лазерного луча одного атома и 40 большего числа атомов неразличимы.

Кроме того, с помощью известного устроства возможно детектировать лишь небольшой класс элементов, энергетические уровни которых образуют двухуровневую систему (например Na, К, ГЬ, Сб).

Целью изобретения является увеличение соотношения сигнал/шум при наличии в аналитической зоне мешаю- 50 щего излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве лазерного флуоресцентного детектирования единичных атомов и молекул, включающем пере- 55 страиваемый по частоте лазер для возбуждения флуоресценции атомов в ,аналитической зоне, систему фукусировки вторичного излучения иэ зоны на два фотоприемника, симметрично расположенных по обе стороны зоны и включенных через последовательно соединенные усилители-дискриминаторы в схему совладений, фотоприемники выполнены в виде матриц светочувствительных элементов, в устройство введены дополнительные схемы совпадений, при этом противоположно расположенные светочувствительные элементы разных матриц, на которые сфокусирована одна и та же часть аналитической зоны, попарно включены в отдельные схемы совпадений.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит аналитическую зону 1, регистрируемый атом 2, систему фокусировки вторичного излучения в виде объектива 3, фотоприемники

4, дискриминаторы 5, схему 6 совпадений, систему 7 счета сигналов совпадений.

Схемы включения остальных пар светочувствительных элементов матричных детекторов аналогичны и условно не показаны.

В случае появления в просвечиваемом лазерным излучением аналитичес" ком объеме 1 регистрируемого атома 2 возникает распространяющееся изотропно излучение флуоресценции. С помощью объективов 3 формируется. иэображение аналитического объема на поверхности матриц фотоприемников 4.

Изображение регистрируемого атома, как центра излучения флуоресценции, буфет сформировано лишь на небольшой части площади (ячейке) координаточувствительных фотоприемников. Если в схему 6 совпадений включить только те ячейки фотоприемников, на которых сформировано изображение регистрируемого атома, то излучение от других точек аналитического объема не будет давать никакого сигнала.

Для того, чтобы различить сигналы от двух или более атомов, каждую пару ячеек (или И ячеек для случая Б фотоприемников) с изображением одного из регистрируемых атомов включают в свою схему совпадений. Таким .образом, в предлагаемом устройстве каждая из ячеек может давать сигнал, благодаря чему становится возможным регистрировать сразу большое число атомов, что позволяет л где — время жизни возбужденного состояния атома.

В случае регистрации атома Na в пламени с помощью лазерной системы длительность импульса излучения

3 1 существенно расширить диапазон линейности градуировочной характеристики.

Дискриминаторы 5 служат для того, чтобы пропускать только те сигналы с ячеек, значения которых превышают уровень дискриминации, выбираемый в зависимости от величины мешающего излучения и целей каждой конкретной задачи.

Пример. Рассчитаем в качестве примера вероятности регистрации атомов Na в аналитическом объеме (например в пламени) и вероятности появления ложного сигнала при наличии собственного излучения аналити1 ческого объема с интенсивностью (квантов/c). Поскольку вероятность регистрации фотонов фотоприемником определяется распределением Пуанаона, то вероятность появления ложного сигнала от любой пары ячеек (или N ячеек для случая N фотоприемников) будет определяться следующим соотношением где n — уровень дискриминации

N — число координаточувствительных фотоприемников (на фиг. 1 их показано два), .g — телесный угол сбора фотонов, t — длительность импульса излучения флуоресценции, — квантовая эффективность фотоприемника;

S — число ячеек в фотоприемнике.

Вероятность регистрации единичного атома будет определяться соотношением 1к и

-вти „(— „° — — 1

5 к о k1 . 7

122934 4 флуоресценции равна длительности

-6 импульса излучения лазера t = 10 с

Причем Р = "ср, = 0,2, для атома Na ь = 1,6.10 с. Задавая вероятности регистрации сигнала флоуресценции, например, Р = 0,8 для случая N = 2 и Р = 0,44 для случая N = 3, находим из формулы (2) необходимые значения для уровней

t0 дискриминации n = 4 и n = 3 соответственно. Как это видно из формул

1 и 2 вероятность появления шумового сигнала сильно зависит от числа ячеек и уменьшается примерно как

tS 1/S . Например, для S = 1000 с ошутимой вероятностью Р > 1О 2 будет регистрироваться ложный сигнал, отвечающий интенсивности собственного излучения аналитического объема

20 .1z > 10 квантов/с на частоте

t0 излучения флуоресценции регистрируемого атома (в нашем примере атома

Na). Для обычных пламен и аналитическом объеме порядка 1 см значе3 ния 3с оказываются практически всегда меньше 1О квантов/с.

<о

Таким образом, предлагаемое устройство, обеспечивая пределы обнаружения на уровне единичных атомов

ЗО и молекул, позволяет увеличить соотношение сигнал/шум, позволяет проводить детектирование единичных атомов и молекул как в вакууме, так и в различных пламенах и в гаэовои фазе, позволяет существенно расширить диапазон линейности градуировочной характеристики. Кроме того, в пламенах и в плазме в результате столкновений происходит быстрое

4g тушение метастабильности состояний регистрируемых атомов, в связи с чем атом может вернуться в то состо яние, с которого происходит его лазерное возбуждение значительно быстрее, чем это происходит в вакууме и, следовательно, за одинаковый промежуток времени излучить большее число фотонов. Это дает возможность существенно увеличить сигнал флуоресценции для трех-четырех уровней атомов, а значит и существенно увеличить класс элементов, одиночные атомы которых можно надежно детектировать.

ВНИИДИ Заказ 8129/35 Тираж 822 Подписное

Филиал HOG "Патеат", г.ужгород, ул.Проектаае, 4