CsH(X1Σ+v)与CO2碰撞能量转移速率系数的测定∗

2019-03-12穆保霞崔秀花

新疆大学学报(自然科学版)（中英文） 2019年1期

穆保霞，崔秀花

(新疆大学物理科学与技术学院，新疆乌鲁木齐830046)

0 引言

近年来，人们已经对激发态分子之间态-态反应非反应碰撞过程进行了大量的理论与实验研究[1−3]，特别是研究振动能级间的碰撞转移和弛豫过程[4−6].通过研究碰撞转移[7,8]，限制激发态分子能级的布居数分布和有效寿命，可以得到不同激发态的分子，对控制分子的物理和化学反应行为起重要作用[9,10].

本文用氮分子染料激光器激光λ=455.5 nm，激发Cs原子至Cs(7P)态，此时Cs(7P)态原子就会与H2反应并生成CsH (X1Σ+，v=0)分子.

利用简并受激超拉曼Degenerate stimulated hyper-Raman (DSHR)泵浦技术，用OPO脉冲激光器做为泵浦光源，激发CsH分子1Σ+(v=0)到高振动态1Σ+(v=16-24).

图1表示CsH分子DSHR过程与探测图.激光诱导荧光LIF光谱不仅用来探测振动态，还用来探测碰撞布居态的分布情况.

1 实验装置与测量方法

实验装置图2中的HP是一个自制的不锈钢热管炉，HP的上端连接着缓冲气体注入系统及实验真空系统，HP其它三个端口都是透明玻璃窗口，激光器的入光和出光从HP水平两端的透明窗口出入，激光感生荧光光谱的收集窗口在HP下端透明窗口[11].

图1 CsH分子DSHR过程与探测图Fig 1 Energy diagram for DSHR and probe scheme

Fig 2 实验装置图Fig 2 Diagram of Experimental Device

保持HP(不锈钢热管炉)T=623K（Cs密度∼1016cm−3）.设定样品池真空度∼10−5Torr，做实验时先对HP抽真空，当真空度达到要求时注入CO2与H2.样品池中PH2=0.5 ∼20 Torr，PCO2=0.01∼50 Torr.CsH分子通过充入H2与Cs 反应得到（见公式1），CO2能够使CsH扩散减缓并与CsH高激发态分子发生碰撞能量转移[6].离窗片约5cm处热管炉包裹着的冷却循环水能够避免池中的蒸气Cs和CsH在三个透明窗片上沉积，从而影响实验光谱测量[12].

滤光片将钛宝石器(450 mW，线宽<5MHz)发出的探测激光衰减至0.1µW，探测激光是用来进一步激发态.通过透镜（焦距∼1m）将钛宝石激光聚焦后引入到HP的中轴线，令泵浦激光/探测激光平行共线于HP中轴线上，在与之垂直方向上探测A1Σ+(v)→X1Σ+(v)的简并受激超拉曼荧光光谱（Degenerate stimulated hyper-Raman），CsH (v,J)能级上的粒子数布居分布能够通过扫描探测X1Σ+(v,J)→A1Σ+(v′,J′)跃迁转移得到.

锁定钛宝石激光器的波长至CO2振转转移中心位置，开始用OPO激发CsH, 用门光子计数器纪录激发荧光光强I与I+∆I.

式中：[CO2]=1.1×1015cm−3，T=623K，B=0.394cm−1.

令

则(4)也满足

式中：I0(J) 为未激发CsH (0000,J)泛频荧光强度，I(J)为已激发CsH (0000,J)泛频荧光强度.

通过式(3)，(4)和(5)可以得到[CO2(0000,J)]，通过Boltzmann分布可知[CO2(0001)]0=5.5×1012cm−3.同理也可得[CO2(0001,J)].[CO∗2(J)]t可由式（6）得到.

由Boltzmann转动分布可得每个态的转移布居，如式（7）所示:

2 结果与讨论

公式（8）与（9）分别表示了激发态CsH 与CO2碰撞猝灭过程.公式（10）表示H2与激发态CsH碰撞猝灭的过程.

建立速率方程

根据公式（8）、（9）和（10）得到以下速率方程：

t=0 时，[CO2]= [CO2]0，[H2]= [H2]0. 则

将式（13）代入（11）得

式中：M为样品池中的任意分子.由于时间非常短，忽略kv,q3、kv,q4.对式（14）求导得

图4表示t=0到t=1µs CO2(0000,J=50)与CO2(0001,J=15)态时间与关系图

图3 CO2(0000,J= 50) CsH (v=23)时间与关系图Fig 3 Diagram of CO2(0000, J= 50) CsH (v=23) and

CO2(0000) [J= 36–60]与CO2(0001) [J= 5–31]的见表1与表2.

表1 CsH (v)+CO2(0000)→CsH(v′

表2 CsH (v)+CO2(0000)→CsH(v′

表3 CO2(0000) [J= 36–60]的总猝灭率Tab 3 Total quenching rates of CO2(0000) [J= 36–60]

表4 CO2(0001) [J= 5–31]的总猝灭率Tab 4 Total quenching rates of CO2(0000) [J= 5–31]

3 结论

本文用激光诱导荧光光谱技术（LIF）、泵浦探测技术和简并受激超拉曼泵浦（DSHR）技术研究了高激发态分子CsH(X1Σ+v)与CO2的碰撞能量转移过程，精确测量了CO2(0000)[J=36–60]与CO2(0001)[J=5–31]的kJv，并计算出了CO2(0000) [J= 36–60]和CO2(0001) [J= 5–31]的总猝灭率.实验数据表明CO2的转动平移能量对高位振动态碰撞能量的变化是非常敏感的.