激光冷却原子痕量探测技术与应用

放射性同位素原子分析与高灵敏的测定技术在天文、地球与环境科学、材料、生命与医学以及考古研究中都有广泛的应用。由于惰性元素稳定的物理和化学特性，并且在大气中有比较稳定的比例，所以放射性的惰性元素是比较理想的原子标记。地球上放射性的⁸¹Kr（半衰期23万年，同位素丰度I.A. 6E-13），主要来源于宇宙射线与大气层上部的相互作用，十分适于对5到100万年的空气（以及溶解了空气的水或者冰）样品进行年代测定。氪原子的另一个放射性的同位素⁸⁵Kr（半衰期10.8 年，I.A. 1E-11），则作为人类核活动的副产物之一，比较适合于对核活动的监测或年轻水样品的年代测定。然而其主要困难是样品浓度太低，例如每千克水样品中仅仅溶解了约1000个⁸¹Kr原子。

冷原子阱痕量分析（ATTA）是一种新的放射性同位素痕量分析方法。它的基本原理是通过激光冷却，将要分析的同位素选择性地捕获在磁光阱（MOT）中，一个一个地“数”出被捕获的原子数目，进而确定该同位素的相对丰度。该方法因为可以实现单原子水平的计数，所以具有很高的灵敏度；由于不同同位素原子对应的激光频率不同，所以有高度的同位素选择性；同时这种方法只需要桌面设备即可完成，代价相对较低。

我们已经成功地在合肥搭建基于激光冷却原子阱技术的痕量同位素分析实验装置（ATTA@USTC）。通过技术改进，获得了更好的原子冷却、收集和检测效率，目前已经将Kr同位素测年实际应用所需的样品量减小到1ul氪气（或20kg地下水），并已经实现将实际样品测年。这目前是国际上仅有的两套已进行定量测量的ATTA装置之一。我们也是目前国际上唯一的有能力实现地下水采样、气体分离提纯和ATTA同位素分析这一完整流程的实验室。该技术将在地下水循环、冰川运动、地球古气候史、核安全、资源环境等方面具有重要应用。


• ATTA-USTC System
  
  
• One Billion Kr-84 Atoms trapped in MOT (CCD Image)
  
  
• Single Radio-active Kr-85 (I.A. 2E-11) Trapped
  (Image detected by an EMCCD)
  
  
• Sampling groundwater, Xinjiang, Aug 2014.
  
  

Recent Publications:

• Analysis of Kr-85 and Kr-81 in a few liters of air,
  Le-Yi Tu, Guo-Min Yang, Cun-Feng Cheng, Gu-Liang Liu, Xiang-Yang Zhang, Shui-Ming Hu*
  Analytical Chemistry, 86: 4002-4007, 2014. (Full Text: PDF, 313KB) [DOI: 10.1021/ac500415a ]
  
  
• Analysis of ⁸⁵Kr: a comparison at the 10^-14 level using micro-liter samples,
  G.-M. Yang, C.-F. Cheng, W. Jiang, Z.-T. Lu, R. Purtschert, Y.-R. Sun, L.-Y. Tu, S.-M. Hu*,
  Scientific Reports, 3: 1596, 2013. (Full Text: PDF, 609KB) [DOI:10.1038/srep01596]
  
  
• Ar-39 Detection at the 10^-16 Isotopic Abundance Level with Atom Trap Trace Analysis,
  W. Jiang, W. D. Williams, K. Bailey, A.M. Davis, S.-M. Hu, Z.-T. Lu, T.P. O'Connor, R. Purtschert, N.C. Sturchio, Y.R. Sun, P. Mueller*,
  Phys. Rev. Lett., 106:103001, 2011. (Full Text: PDF, 0.9MB) [DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.103001]
  
  
• An Efficient Magneto-Optical Trap of Metastable Krypton Atoms,
  C.-F. Cheng, W. Jiang, G.-M. Yang, Y.-R. Sun, H. Pan, Y. Gao, A.-W. Liu, S.-M. Hu*,
  Rev. Sci. Instrum., 81:123106, 2010. (Full Text: PDF, 220KB) [DOI:10.1063/1.3520133].