基于原子阱的高精度81Kr定年系统的研制

赵志霞, 严京文, 李 浩, 蒋 蔚, 3*, 卢征天, Florian Ritterbusch, 杨国民

基于原子阱的高精度81Kr定年系统的研制

赵志霞1, 2, 严京文1, 2, 李 浩2, 3, 蒋 蔚1, 2, 3*, 卢征天1, 2, Florian Ritterbusch2, 3, 杨国民2, 3

(1. 中国科学技术大学 物理学院, 安徽 合肥 230026; 2. 中国科学院 量子信息与量子科技创新研究院, 安徽 合肥 230026; 3. 中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心 安徽 合肥 230026)

介绍了基于原子阱的高精度放射性Kr定年系统的搭建工作。该系统可以测量ng/L水平的81Kr同位素的相对丰度。为了提高测量的精度, 系统采用了基于拍频锁的高稳定激光系统, 通过“跳频”的方法实现了81Kr同位素和参考同位素83Kr测量的快速切换, 抑制了由系统效率缓慢漂移带来的影响。另外, 参考同位素83Kr装载率通过离子电流方法精密测量, 测量精度可以达到0.2‰。通过以上改进, 系统单次测量标准样品81Kr同位素相对丰度的精度可达2%的水平, 并且相同条件下测量标准样品的结果具有可重复性。该系统结合系统误差校正将可实现高精度的81Kr同位素定年应用。

81Kr定年; 放射性氪氩定年; 原子阱痕量分析

0 引 言

81Kr是一种宇生核素, 半衰期为0.23 Ma。它在全球大气中分布均匀, 并且化学性质稳定, 这使它成为了古地下水定年的理想示踪同位素(Loosli and Oeschger, 1969; Loosli et al., 2000; Lu et al., 2014), 覆盖的年龄范围从几万年一直到1.3 Ma。81Kr同位素丰度极低(～10−13), 非常难探测。但是最近原子阱痕量分析技术实现了81Kr定年, 并将其成功地应用到地下水研究中(Jiang et al., 2012, 2019; Aggarwal et al., 2015; Gerber et al., 2017; Matsumoto et al., 2018, 2020; Yechieli et al., 2019; Yokochi et al., 2019;)。目前世界上在运行的两台Kr同位素原子阱痕量检测装置分别在美国阿贡国家实验室和中国科学技术大学。这两台仪器受限于分析精度, 目前的定年下限只能到0.04 Ma左右, 无法直接和14C定年方法进行对比。因此有必要进一步提高81Kr的分析精度, 扩展81Kr定年下限。另外, 高精度的81Kr定年技术和14C定年结合使用也可以用来研究地下水输运过程中的混合与扩散过程。本研究将介绍一套基于原子阱技术的高精度放射性Kr定年系统的搭建。该系统可以测量ng/L水平的81Kr同位素的相对丰度。测量现代标准样品的精度可达2%, 且结果具有可重复性。该系统结合系统误差校正将可实现高精度的81Kr同位素定年应用。

1 高精度81Kr原子阱系统

1.1 原子阱系统总体结构及基本原理

原子阱的总体结构如图1所示。样品气体在进入真空系统后经过射频激发区形成亚稳态Kr原子束, 飞向位于原子阱系统末端的磁光阱捕获区。在飞行过程中, 利用多束激光将原子束准直、聚焦、减速, 最终将要检测的同位素原子俘获在由6束激光构成的磁光阱(magneto-optical trap, MOT)中, 进行荧光探测(Jiang et al., 2012; Yang et al., 2013)。

为了得到样品中81Kr的相对丰度, 首先要用原子阱系统测量样品中81Kr同位素与稳定同位素83Kr装载速率的比值, 这一步是为了消除测量中系统效率缓慢漂移带来的影响。其次, 再用原子阱系统测量1个标准现代样品中81Kr与83Kr装载速率的比值。这两个比值的比给出的就是样品中81Kr的相对丰度:

式中:表示相对丰度; 下标sample和modern分别表示待测样品和标准现代样品;表示同位素丰度。81Kr同位素的测量采用数原子的方法。81Kr原子在磁光阱中会不断地放出荧光, 利用灵敏的EMCCD相机探测这些荧光, 并根据其强度数出阱中81Kr原子数, 从而得到其装载速率。阱中会俘获108量级的83Kr原子, 无法用数原子的办法测量。因此, 对其装载速率的测量采用测量MOT中离子电流的方法。

要实现高精度的81Kr同位素分析, 需要对原子阱痕量分析系统的不确定度进行精确地控制。首先要控制的是激光系统的漂移, 包括激光频率、激光光强、激光偏振以及激光指向的漂移, 使81Kr和83Kr的装载速率尽可能地稳定。其次,81Kr的原子计数率需要足够高, 以便在测量时间内能够有足够的原子计数, 使统计误差小于2%。最后对83Kr装载速率测量需要采用高精度的方法, 使其不确定度远小于2%。为此, 本研究开展了高稳定度的激光系统和高精度的参考同位素测量系统的搭建工作。

1.2 高稳定激光系统

整个激光系统被分成几个模块化的子系统, 每个子系统有独立的功能并安装在独立的光学平板上。子系统之间通过保偏光纤连接。这样的设计减少了由镜架以及其他光机械元件漂移带来的影响。因为各子系统之间相互独立, 因此, 如果某个子系统发生漂移, 只需要将该子系统重新调节即可, 不会影响到其他子系统。对于关键部位的激光, 比如用来俘获原子的激光, 我们使用光强稳定系统将光强的变化稳定到小于1%。除此之外, 光束的整形系统采用笼式结构并稳固地安装在真空系统上, 整形后的激光光束通过真空系统上的窗口射入到内部光学元件上。这个设计保证了入射激光与真空系统内光学元件相对位置的稳定性。即使真空腔体发生微小移动, 入射激光也会和真空腔体一起移动, 保证入射激光相对腔内光学元件的入射角保持不变。以上措施减小了系统的漂移, 整个激光系统可在半年内保持稳定。

图1 原子阱痕量分析系统结构示意图

除了机械稳定性以外, 激光的频率稳定性也是需要重点考虑的问题。图2显示了测量到的参考同位素的离子电流与激光频率的关系(参考同位素的离子电流可以用来精确测量原子阱装载速率, 1.3节会进行详细介绍)。可以看到, 即使将激光频率选在峰顶的位置, 1 MHz的频率偏移依然会给离子电流带来2.5%的变化。如果将激光频率选择在峰腰的位置, 1 MHz的频率偏移甚至可以导致离子电流15%的变化。

图2 83Kr离子电流信号与激光频率的关系图

我们设计搭建了一套拍频锁激光稳频系统来实现以上的方案(图3), 一台参考激光通过调制转移光谱锁定在84Kr的循环跃迁上。用来做原子阱痕量分析的激光通过光学锁相环与参考激光拍频锁定在一起。光学锁相环的本振是一台频率相对精度达2×10−6的直接数字合成频率源(direct digital synthesizer, DDS)。通过控制本振的频率可以调节分析激光与参考激光的频率差, 使分析激光与81Kr或83Kr共振。图4显示了激光频率锁定后频谱分析仪显示的拍频信号, 信号的3dB线宽已经达到了频谱分析仪带宽的极限, 实际线宽小于12 Hz。高精度的本振频率源可以保证跳频时81Kr分析激光与83Kr分析激光的频率差精确等于它们同位素位移差。81Kr与83Kr循环跃迁同位素位移的差大约为129 MHz, 所以由本振频率不确定度带来的影响约为0.3 kHz, 相当于81Kr 或83Kr装载速率相对变化的0.1‰的水平, 远远小于原子计数测量的统计误差, 因此可以忽略不计。

图3 拍频锁激光稳频系统

频率扫描范围为100 Hz, 3dB线宽为12 Hz(受限于频谱仪分辨率); 横坐标的零点频率对应84Kr循环跃迁频率(参考激光频率)蓝移646.75 Mhz(俘获81Kr的激光频率相对于84Kr循环跃迁频率的频移为646.75 MHz)。

1.3 高精度参考同位素装载率测量系统

在81Kr相对丰度分析中需要对参考同位素83Kr的装载速率进行精确测量。为此我们采用了测量来自MOT中离子电流的方法(Jiang et al., 2014)。83Kr同位素在MOT中相互碰撞时会发生潘宁电离或者缔合电离过程, 电离产生的Kr+或者Kr2+离子会通过电场加速然后被一个法拉第杯收集。原子装载到MOT中的速率方程如下:

式中:为原子数目; d为微分符号;为时间;为原子装载速率;/为背景气体碰撞造成的损失,为原子在MOT中的寿命;2为Kr原子相互碰撞电离造成的损失;为碰撞系数。稳态下, 如果电离过程造成的MOT中原子损失是最主要的一项, 那么离子电流的强度正比于83Kr的装载速率。因此, 可以通过测量离子电流来对83Kr的装载速率进行精确测量。图5是为了收集离子电流而设计的高压电极和法拉第杯。与Jiang et al. (2014)的研究不同的是, 为了减小激光照射到电极产生的散射光, 我们加大了电极间距, 并对其位置进行优化。这样就无需将电极表面用特殊的导电黑漆进行覆盖, 消除了因为黑漆造成的放气和放电等问题。这套高压系统可以在5 kV电压下稳定工作, 不产生放电。在高压电场的作用下, 从MOT中心产生的离子被推到法拉第收集杯上, 通过电流放大器放大后被数据采集卡读取。每个工作周期测量离子电流的时间约为0.3 min。通过长时间测量的83Kr平均装载速率精度可达0.2‰。

(a) 为离子电流收集装置结构设计图, 装置由四片半环形电极和一个法拉第杯组成, 红色球体代表原子阱中心的原子团; (b) 为离子电流装置的电场模拟图, 电极1～4的电压分别为4000 V、2200 V、2300 V和1100 V; 蓝色线条表示离子飞行轨迹, 红色线条为电场等势线。

图5 离子电流收集系统示意图

Fig.5 Schematic of ion-current-collecting system

2 测量结果与讨论

2.1 测量流程

为了实现高精度的81Kr相对丰度测量, 我们采用了以下测量流程: ①交替测量81Kr同位素和参考同位素83Kr。测量时间分别为2 min和0.3 min。通过快速切换, 可以将系统效率缓慢漂移带来的影响消除; ②81Kr的测量通过单原子计数的方法来完成,83Kr的测量通过离子电流的方法来完成。

2.2 测量误差

原子阱痕量检测装置测量的是81Kr和83Kr装载率的比值。其测量误差包括81Kr的测量误差和83Kr的测量误差。表示为如下的公式:

式中: σ(81Kr)为81Kr装载率的测量误差, 其来源主要是原子计数的统计误差, 在实验中原子计数一般会达到2500个原子左右, 相对统计误差为2%; σ(83Kr)为电流法测量83Kr装载率的误差。每次测量相对误差在千分之几的水平。整个实验过程中要对83Kr装载率进行多次测量, 最后得到的平均装载率的误差大约为0.2‰, 远远小于81Kr装载率的测量误差。根据上面的误差合成公式, 总测量误差的贡献主要来自于81Kr的测量误差(约2%),83Kr的测量误差贡献可以忽略不计。

2.3 稳定性测试

为了测量系统的稳定性和可重复性, 我们在10 d内对一个标准现代Kr样品进行了多次测量。测量中控制系统的工作气压恒定。测量结果如图6所示。可以看到系统的稳定性很好, 所有测量结果在误差范围内是自洽的。单次测量的误差可以达到2%。

例3（2007年全国高考理二第12题）设F为抛物线y2=4x的焦点，A、B、C为该抛物线上三点，若，则

2.4 系统误差

由于在实际测量中样品气体的气压会不可避免地发生改变, 因此需要研究由工作气压变化引起的系统误差。为此测量了同一个标准现代Kr样品在不同工作气压下81Kr/83Kr值。图7显示了在两种不同工作模式下81Kr/83Kr值对气压的依赖关系。第一种是流气模式, 此模式下进入系统的样品气体会被分子泵抽走, 测量过程中需要不断进样以维持ATTA系统中的气压。这个模式对应的是标准现代Kr样品的测量。在此模式下可以看到随着工作气压的增加,81Kr/83Kr值有一个线性的变化。气压从2.3×10−4Pa变到3.8×10−4Pa的过程中,81Kr/83Kr值的相对变化约为10%(图7a)。

第二种工作模式是闭循环模式。此模式下, 进入系统的样品气体不会被分子泵抽走, 而是被送到真空系统的前端重新循环。在测量过程中只需在开始时将样品一次性放入真空系统, 后续测量时真空系统内气体进行内循环。由于Kr在经过系统射频激发区的过程中会有部分样品被电离注入到真空系统腔壁, 因此测量时系统中Kr样品量会缓慢减少。为了使射频激发区工作状态稳定, 需要缓慢地向系统内加入Xe以保持总工作气压的恒定。在这个模式下测得的81Kr/83Kr值对残余气体分析器(residual gas analyzer, RGA)分析得到的Kr气压的依赖关系如图7b所示。在Kr分压从2.0×10−4Pa变化到3.7×10−4Pa 时,81Kr/83Kr值的相对变化大约为12%。另外与流气模式不同, 在这个模式下81Kr/83Kr值对气压的依赖呈现了一个比较复杂的关系, 不能用一个简单的线性关系来描述。这可能与闭循环测量过程中系统内Kr与Xe的分压一直在变化有关, 需要进一步的实验来揭示其原因和建立校正这一系统误差的方法。

图6 81Kr/83Kr系统稳定性测试结果

2.5 系统性能分析

本研究介绍的原子阱痕量分析装置与目前世界上其他几台原子阱装置相比最主要的特点是, 具备进行高精度81Kr相对丰度测量的能力。表1给出了目前世界上几台在运行的原子阱装置的参数。

美国阿贡国家实验室的ATTA-3装置搭建于2012年(Jiang et al., 2012)。这台仪器的测量精度主要受到了较低原子计数率的限制。中科大2017年搭建的ATTA-8101仪器在减少样品量方面取得了重要进展, 除了能测量地下水样品以外, 还能测量小体积的冰芯样品, 但受限于参考同位素的测量精度及样品的交叉污染,81Kr同位素相对丰度的测量精度在4%左右(Jiang et al., 2019)。本研究的目标主要是发展高精度原子阱痕量分析装置, 这台装置在测量精度上有了显著提升, 对81Kr同位素相对丰度的测量精度提高到了2%, 是目前在运行的同类装置中最高的, 主要得益于这台装置的高原子计数率及高精度的参考同位素测量方法。这台高精度原子阱装置需要的样品量比其他两台装置要大, 主要是为了将测量中交叉污染的影响控制在可以忽略的水平(小于0.5%)。对于地下水研究来说, 对样品量的限制比较宽松, 因此较大的样品体积是可以接受的。

图7 流气模式(a)和闭循环模式(b)下81Kr/83Kr值对Kr气压的依赖关系

表1 世界上几台原子阱痕量分析装置参数对照表

注: Kr样品量是指在标准状态(温度为273 K、压强为100 kPa)下的气体体积。

3 结 论

(1) 本研究报道了一套高精度原子阱系统, 通过采用高精度的拍频频率锁定系统和离子电流探测系统实现了81Kr同位素相对丰度的高精度测量。对标准现代样品单次测量的精度可达2%。在这个测量精度下,81Kr定年下限可扩展到0.02 Ma, 对于年轻样品的定年误差约为7000 a。

(2) 本研究在验证高精度原子阱装置稳定性的前提下, 研究了系统工作气压带来的系统误差。实验发现流气模式下的系统误差可以通过简单的线性关系式校正, 但是闭循环模式下的系统误差比较复杂, 需要通过进一步的实验来揭示其原因, 建立校正这一系统误差的方法。

致谢:感谢中国地质科学院水文地质环境地质研究所陈宗宇研究员和中山大学陈建耀教授的建设性意见和建议。

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Atom trap system for high-precision radiokrypton dating

ZHAO Zhixia1, 2, YAN Jingwen1, 2, LI Hao2, 3, JIANG Wei1, 2, 3*, LU Zhengtian1, 2, FLORIAN Ritterbusch2, 3, YANG Guomin2, 3

(1. School of Physical Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China; 2. CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230026, Anhui, China; 3. Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China)

An atom trap system capable of measuring the relative isotopic abundance of the81Kr isotope at a part per trillion level is developed. A beat-lock laser system is used to ensure laser frequency stability and improve measurement precision. Moreover, the trap loading rate of the reference isotope is measured precisely by applying an ion-current method. The results show that the precision and stability of a single measurement of the relative abundance of the81Kr isotope in a modern Kr sample can reach 2%. With future developments that control the systematics, this atom trap system can be used for high-precision radiokrypton dating.

81Kr dating; radiokrypton dating; atom trap trace analysis

O562

A

0379-1726(2022)05-0611-06

10.19700/j.0379-1726.2022.05.009

2021-01-06;

2021-01-27

科技部国家重点研发计划(2016YFA0302200)、国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目(41727901)和安徽省量子通信与量子计算机重大项目引导性项目(AHY110000)联合资助。

赵志霞(1995–), 女, 硕士研究生, 核能与核技术工程专业。E-mail: zhxzhao@mail.ustc.edu.cn

蒋蔚(1979–), 男, 教授, 主要从事超灵敏同位素检测和原子物理方面的研究。E-mail: wjiang1@ustc.edu.cn