高强度亚稳态氪原子束流制备技术研究

With the advantages of particular physical and chemical inertness, two radioactive isotopes of Krypton nuclide, Kr-81, Kr-85, have played an important role as tracers in the researches of groundwater dating, ocean current, polar glacier, nuclear-arms control, etc. ATTA is one of the most sensitive techniques for detecting the radioactive Krypton isotopes. However, it is challenged by the problem about how to produce metastable krypton atomic beam with high intensity. In this project, an innovative beam generation method is proposed, which is implemented in two aspects. Firstly, a method of low-pressure gas discharge driven by dual-frequency RF is introduced to independently adjust the energy and density of electrons in the plasma, and consequently improve the excitation efficiency of the metastable krypton. Then a permanent magnet Zeeman slower is employed to decelerate the metastable krypton atomic beam. Transverse cooling is inserted in the gap of the permanent magnets to decrease the beam divergence and increase the density of the low-speed beam in the longitudinal direction. The density and spatial distribution of the neutron metastable krypton beam can be measured via secondary electrons ejected from the outermost layer of a metal surface which is hit by the metastable krypton atoms. The research in this project will improve the loading rate of magneto-optical trap, shorten the measurement time, and raise the detecting sensitivity of the ATTA system. And the achievement is expected to expand the application of ATTA method to many other research fields.

氪原子所特有的物理和化学惰性，使其放射性同位素氪-81和氪-85非常适合作为示踪元素，广泛应用于地下水测年、全球洋流循环、极地冰川演化、核安全与核污染监测等领域。基于激光冷却原理的原子阱痕量分析方法是目前放射性氪同位素检测灵敏度最高的方法之一。如何产生高强度亚稳态氪原子束流，是该方法的关键技术瓶颈之一。本项目首先采用双频率射频驱动低压气体放电的方法，对等离子体中电子密度和能量进行独立调节，以提高亚稳态氪原子的激发效率；其次采用环形永磁体塞曼减速器实现原子减速，并在减速器中对束流进行横向冷却以减小束流发散角，获得低速度、高强度的亚稳态原子束流；最后利用亚稳态氪原子在金属表面退激发产生的二次电子，建立中性原子束流强度空间分布检测方法，实现束流的精确测量与表征。本项目研究的高强度亚稳态氪原子束流制备方法，可有效提高磁光阱装载率，缩短测量时间，提高检测灵敏度，进一步拓展原子阱痕量分析方法应用范围。

氪原子所特有的物理和化学惰性，使其放射性同位素氪-81和氪-85非常适合作为示踪元素，广泛应用于地下水测年、全球洋流循环、极地冰川演化、核安全与核污染监测等领域。基于激光冷却原理的原子阱痕量分析方法是目前放射性氪同位素检测灵敏度最高的方法之一。如何产生高强度亚稳态氪原子束流，是该方法的关键技术瓶颈之一。本项目完成了螺旋线圈共振频率随线圈匝数、射频接入点位置、导线直径、螺距等参数的变化规律测试；提出了同轴式与串列式两种双线圈射频气体放电结构设计，发现了同轴式双线圈射频放电存在屏蔽效应，利用串列式双线圈射频放电可提高亚稳态氪原子束流强度约1.9倍；完成了环形永磁体塞曼减速器设计、组装与测试，采用环形永磁体构建了亚稳态氪原子塞曼减速器，提高了磁场利用率，缩短减速器长度，实现了亚稳态氪原子束流减速；提出了一种圆柱形永磁体塞曼减速器结构设计，采用圆柱形永磁体塞曼减速器可以同时进行亚稳态氪原子束流的纵向减速与横向准直；完成了基于退激发电子的亚稳态氪原子束流探测器设计与测试，能够将亚稳态氪原子束流成像到电子倍增器MCP上并成像显示，实现了亚稳态氪原子束流强度与空间分布的检测。本项目研究的高强度亚稳态氪原子束流制备方法，可有效提高磁光阱装载率，缩短测量时间，提高系统检测灵敏度，并进一步拓展原子阱痕量分析方法的应用范围。