Устройство для лазерного флуоресцентного детектирования единичных атомов и молекул

(56) 1. Ра 1 гЬапс Ъ 7.М. НапзсЬ Т,Ы.БсЬаю 1 ою А,1., АЬзо 1 иге шеазигешепгоГ чегу 1 ою зойинп-чарог ЙепздГезцзпп 1 азег гезопапзе Й 1 цогезсепсе3. Оргса 1 Яос. Ашег, 1975, ч. 65,В 2, р. 199-204,2, Балыкин В.И., Летохов .В.СМишин В.И. Лазерное фруоресцентноедетектирование единичных атомов.Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1979, Т, 77, В 12,с. 53-61 .(прототип).(54)(57) УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНОГОФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЕДИНИЧНЫХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ, включающееперестраиваемый по частоте лазер 801 2 4 А для возбуждения флуоресценции единичных атомов в аналитической зоне, систему фокусировки вторичного излучения из аналитической зоны на два фотоприемника, симметрично расположенных по обе стороны зоны, включенныхчерез последовательно соединенныеусилители"дискриминаторы в схему совпадений, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью увеличения соотношения сигнал/шум при наличии ваналитической зоне мешающего излучения, фотоприемники выполнены в видематриц светочувствительных элементов,в устройство введены дополнительныесхемы совпадений, при этом противоположно расположенные светочувствительные элементы разных матриц, накоторые сфокусирована одна и та жечасть аналитической зоны, попарновключены в отдельные схемы совпадений.Изобретение относится к областилазерного спектрального анализаультрамалых концентраций атомов имолекул и может найти применение дляанализа атомов и молекул в вакууме 5или в газовой фазе, при анализесверхчистых веществ, а также приизучении кинетики газофазных химических реакций.Известно устройство для лазерного 10",флуоресцентного детектированияультрамалых концентраций атомов 1,Однако с помощью этого устройства нельзя достичь хорошей чувствительности, так как лишь небольшая 5часть излучения, несущего аналитическую информацию, попадает на фотоприемник,Наиболее близким к изобретениюявляется устройство, включающее перестраиваемый по частоте лазер длявозбуждения флоуресценции в аналитической зоне, систему сбора Фотонов,фотоприемники, симметрично расположенные по обе стороны эоны, усилитель, дискриминаторы, электроннуюсхему регистрации сигналов совпадения, при использовании которого можно достичь более низкие пределыобнаружения на уровне единичных ато- ЗОмов 2 .Однако с помощью известного устройства практически невозможно детектировать единичные атомы при наличии постороннего мешающего излучения, например в пламенах. Областьлинейности градуировочной характеристики известного метода небольшая, поскольку случаи попадания взону лазерного луча одного атома и 40большего числа атомов неразличимы.Кроме того, с помощью известногоустроства возможно детектировать лишьнебольшой класс элементов, энергетические уровни которых образуютдвухуровневую систему (например Ыа,Сб)Целью изобретения является увеличение соотношения сигнал/шум при наличии в аналитической зоне мешающего излучения.Поставленная цель достигается тем, что в устройстве лазерного флуоресцентного детектирования единичных атомов и молекул, включающем пере 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 небольшойчасти площади (ячейке) координаточувствительных фотоприемников. Еслив схему 6 совпадений включить только те ячейки фотоприемников, на которых сформировано изображение регистрируемого атома, то излучение отдругих точек аналитического объемане будет давать никакого сигнала,Для того, чтобы различить сигналы от двух или более атомов, каждую пару ячеек (или И ячеек для случая В 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 позволяет3 1существенно расширить диапазон линейности градуировочной характеристики,Дискриминаторы 5 служат для того,чтобы пропускать только те сигналыс ячеек, значения которых превышаютуровень дискриминации, выбираемыйв зависимости от величины мешающегоизлучения и целей каждой конкретнойзадачи,П р и м е р. Рассчитаем в качествепримера вероятности регистрации атомов Яа в аналитическом объеме (например в пламени) и вероятностипоявления ложного сигнала при наличии собственного излучения аналитигческого объема с интенсивностью(квантов/с). Поскольку вероятностьрегистрации фотонов фотоприемникомопределяется распределением Пуанаона,то вероятность появления ложногосигнала от любой пары ячеек (или Иячеек для случая И Фотоприемников)будет определяться следующим соотношением где и - уровень дискриминации Н - число координаточувствительных фотоприемников (на фиг. 1 их показано два), ,Я - телесный угол сбора фотонов, й - длительность импульса излучения флуоресценции,- квантовая эффективность фотоприемника; Я - число ячеек в фотоприемнике,Вероятность регистрации единичного атома будет определяться соотношением1 к НЯфЗ 4 ф М П лб ко К 1 . 7 л где- время жизни возбужденного состояния атома. В случае регистрации атома Ыа в пламени с помощью лазерной системы длительность импульса излучения-5импульса излучения лазера= 10 сгПричем Р = цср ,= 0,2, дляатома Иа ь = 1,6 10 с. Задаваявероятности регистрации сигналафлоуресценции, например, Р = 0,8для случая М = 2 и Р = 0,44 дляслучая Б = 3, находим из формулы (2)необходимые значения для уровней 1 О дискриминации а = 4 и и = 3 соответственно. Как это видно из формул1 и 2 вероятность появления шумовогосигнала сильно зависит от числаячееки уменьшается примерно кдк 15 1/5 , Например, для 8 = 1000 с ошутимой вероятностью РП1 О 2 будетрегистрироваться ложный сигнал, отвечающий интенсивности собственногоизлучения аналитического объема 20 Зс ) 10 квантов/с на частотеизлучения флуоресценции регистрируемого атома (в нашем примере атомаИа). Для обычных пламен и аналитическом объеме порядка 1 см значе 3 25 ния Зс оказываются практически всегдаменьше 1 О квантов/с.оТаким образом, предлагаемое устройство, обеспечивая пределы обнаружения на уровне единичных атомов ЗО и молекул, позволяет увеличить соотношение сигнал/шум, позволяет проводить детектирование единичныхатомов и молекул как в вакууме, таки в различных пламенахи в гаэовоифазе, позволяет существенно расширить диапазон линейности градуировочной характеристики. Кроме того, впламенах и в плазме в результатестолкновений происходит быстрое 4 О тушение метастабильности состоянийрегистрируемых атомов, в связи счем атом может вернуться в то состояние, с которого происходит его лазер"ное возбуждение значительно быстрее,чем это происходит в вакууме и, следовательно, за одинаковый промежуток времени излучить большее числофотонов. Это дает возможность существенно увеличить сигнал флуоресценции для трех-четырех уровней атомов, а значит и существенно увеличитькласс элементов, одиночные атомы которых можно надежно детектировать.ВНИЦДК Заказ 8129/35 Тираж 822 Подцисиое Филиал ППП ффПаиатф, Г.Ужгород, ул.Проектаае, А