Doppler-free ablation fluorescence spectroscopy of Ca for high-resolution remote isotopic analysis

高分解能遠隔核種分析のためのカルシウムのドップラーフリーアブレーション蛍光分光

宮部 昌文   ; 加藤 政明*; 長谷川 秀一*

Miyabe, Masabumi; Kato, Masaaki*; Hasegawa, Shuichi*

同位体シフトの小さい核種の遠隔核種分析法を開発するために、レーザーアブレーションプルームを用いてCaのドップラーフリー蛍光分光を行った。2台の外部共振器半導体レーザーから対向伝搬するレーザー光をコンクリートのアブレーションプルームに照射し、S P Dの2段階共鳴励起スキームにより、基底状態のCa原子をD状態まで励起させた。その後、D状態からP状態への緩和を伴う蛍光スペクトルを測定した。ヘリウムガス圧70Paでアブレーション後1msの遅延で測定したスペクトルの線幅は70MHz以下であり、ドップラー広がりのある蛍光スペクトルの線幅の約1/30であることがわかった。また、アブレーションから観測までの時間間隔が600マイクロ秒以下の場合には、蛍光スペクトルに幅の広いガウス型のペデスタルが観測され、これは衝突により速度が変化した原子に起因することがわかった。さらに、様々なガス圧で測定したスペクトルから、2段目のP D遷移の圧力拡がり係数を46.0MHz/torrと決定した。天然に存在する3種類のCa同位体(Ca, Ca, Ca)の蛍光信号を用いて、検量線の直線性,検出限界,測定精度などの分析性能を評価し、同位体存在比の検出限界が、バックグラウンドの3基準から0.09%と推定された。これらの結果は、この分光法が同位体シフトの小さな核種の遠隔核種分析に有望であることを示唆している。

To develop remote isotopic analysis for the nuclids with small isotope shifts, Doppler-free fluorescence spectroscopy of Ca was performed using laser ablation plume. Counter-propagating laser beams from two external cavity diode lasers were used to irradiate the plume in order to excite the ground-state Ca atoms to the D state through a double resonance scheme of S P D. Subsequently, we measured fluorescence spectra associated with the relaxation from the D to P states. The linewidth measured at 1 ms delay after ablation under helium gas pressure of 70 Pa was found to be less than 70 MHz, which was about 1/30 of the linewidth of the Doppler-limited fluorescence spectrum. A broad Gaussian pedestal was observed at less than 600 micro-second delay in the temporal variation in fluorescence spectra, and it was most likely due to the velocity-changing collision. Additionally, the pressure broadening rate coefficient for the second-step P D transition was determined to be 46.0 MHz/torr from the spectra measured under various gas pressures. We evaluated analytical performances such as linearity of the calibration curve, limit of detection, and measurement accuracy using fluorescence signals of three naturally occurring Ca isotopes (i.e., Ca, Ca, and Ca). The limit of detection of isotopic abundance was estimated to be 0.09% from the 3-sigma criteria of the background. These results suggest that this spectroscopic technique is promising for remote isotopic analysis of nuclides with small isotope shifts.