The meta-stable levels 4s 4p $^3P_j$ (J = 0,1,2) of the calcium atom play the central role in the process of two step photo-ionization using two tuned laser beams or a tuned laser and an intense optical light source. Due to the possibility of using this process in the isotope separation of the elements with the two s ($\imath=0$) - electron elements (all alkaline earth elements and actinide elements), the spectroscopy of the ns np $^3p_j$ (J = 0,1,2) levels has attracted much attention, and the present research is also conducted along the same line but with different interest in the purely population dynamics among the selected levels including the meta-stable levels.
According to the previously reported chemi-luminescence work in magnesium, the transition between 4s 4p $^3P_1$ → 4s 4s $^1S_0$ (ground state) is induced in (CO + $N_2O$)medium. In the present experiment the same transition in calcium is induced in the oxy-propane flame, but not the transition 4s 4p $^3P_j$ (J=0,2) → 4s 4s $^1S_0$. It is found the spectrum always accompanies the molecular spectrum of CaO. The same transition characteristics are observed in the carbon-arc excitation of the element. The media are (ⅰ) vacuum ($10^{-3}$ torr, the arc is least stable) (ⅱ) argon gas (5 torr) and (ⅲ) atmospheric air. There is little difference in the emission lines in those three methods of carbon arc excitation.
The next attempt to observe the all three lines between the metastable levels and the ground state is made by electron collision excitation. In this system, non-collimated Ca-atomic beam is excited by thermionic impact. The electrons from the W-filment is oscillated at 60 Hz between -40V ~ + 40V, and the clean and complete Ca spectra are obtained in the whole range of visible range, however, except the 4s 4p $^3P_j$ (J=0,1,2) → 4s 4s $^1S_0$ transitions. Those spectra are identified through reference spectra of He and Ne.
In the electron impact excitation, it is difficult to estimate the populations of 4s 4p $^3p_0$, 4s and 4s 4p $^3p_2$, as the electron impact is relatively mild, so that the I-S coupling holds in the excitation process. Only accumulation process in the population of the $^3p_0$ and $^3p_2$ levels is the fall of the ionized Ca atoms from the continum to these levels. For this process and the breakdown of the selection rule due to L-S coupling, the higher electron accelerating voltage must give better efficiency.
The rate equations for the two steps photo-ionization process is more rigorously derived than previously reported, and the equation for the ionization current is explicitly obtained.
The Ca-atomic beam apparatus for the use with laser beams are developed and constructed for the future work. Necessary data to be obtained before the Ca-atomic beam apparatus in use are checked experimentally and discussed theoretically. This discussion includes the hyperfine structure due to the interaction of nuclear spin I with electronic J and the isotope effect due to the nuclear mass of the Ca isotopes.
Ca 원자의 준 안정 준위인 4s4p $^3P_J$ (J = 0,1,2) 는, 2개의 파장이 조절된 레이저(tuned lases) 나 혹은 파장이 조절된 레이저 1개와 세기가 강력한 光源을 사용하여 2단계 광 이온화 과정을 수행하는 데에 중요한 역활을 한다.
2개의 S (1 = 0) 전자를 가진 원소들 (모든 알칼리 토금속원소와 악티나이드 계열의 원소)의 동위원소는 2단계 광 이온화 과정으로 동위원소를 분리시킬 수 있다는 점에서, 준 안정 준위인 nsnp $^3P_J$ (J = 0,1,2) 에 대한 분광학적 연구는 매우 흥미를 끈다. 하지만 본 연구는 순전히 준 안정순위를 포함한 몇가지 선택된 준위에 대한 population dynamics 만에 관심을 두었다.
이미 발표된 chemi-luminescence 연구에 의하면,$^22)$ 4s4p $^3P_l$→4s4s $^1S_o$ (ground state) 사이의 천위는 산소와 프로판의 불꽃으로써 유도시킬 수 있다. 실험결과 이 천위는 잘 일어났으나, 4S4P $^3P_J$ (J = 0,2)→4s4s $^1S_o$ 의 천위는 일어나지 않았다. 이와 같은 천위의 현상은 Ca 원소의 carbon arc 에서도 관찰되었다. Carbon arc 를 (ⅰ) 진공 (∼$10^{-3}$ torr)(이때는 arc 가 불안정하였다.) (ⅱ) Ar 기체 ($\approx$ 5 torr), (ⅲ) 공기중의 3가지 media에서 각각 실시하였다. 이 3가지의 실험결과 방출된 스펙트럼선에는 별로 차이가 없었다.
준 안정 준위와 기저 준위 사이에 3가지 천위 스펙트럼선을 관찰하기 위하여 전자 충돌 여기방법을 시도하였다. 이 장치에서는, 열전자로써 Ca 원자들을 여기시켰다. 텅스텐 filament 에서 방출된 열전자들은 60Hz ± 40V 의 전압하에서 진동을 하며, 가시 광선 영역에서 (4000 Å ~6600 Å) 깨끗하고, 완벽한 Ca 원자 스트라를 얻었다. 그러나 4s4p $^3P_J$ (J = 0,2) → 4s4s $^1S_o$ 의 천위는 관측되지 않았다. 얻어낸 스펙트럼들은 Ha 과 Ne 의 스펙트럼을 기준으로 하여 파장을 계산했다.
본 실험에서 원자의 L - S coupling 을 파괴하지 못하기때문에 전자로 충돌하여 여기시키는 방법에서는, 4s4p $^3P_J$ (J = 0,2) 의 population 을 측정하기가 어렵다. $^3P_o$ 와 $^3P_2$ 에 원자들이 축적되는 데는 이온화된 Ca 원자들이 전자와 재 결합되면서, 이 상태로 떨어져야 한다. 이러한 이유때문에 Ca 원자를 이온화시키고, L - S coupling 을 파괴하기 위해서는 열전자에게 보다 높은 가속 전압을 가져야 한다.
2단계 광 이온화 과정을 설명하는 rate eguatron 을 정확히 유도하였고, 이 방정식에서 이온전류를 명백하게 구하였다.
2단계 광 이온화 장치는 장래의 실험을 위하여 제작하였다. Ca 원자선 장치는 사용되기 전에 필요한 자료는 실험적으로 확인하였고, 이론적으로 분석하였다. 핵 스핀 $\rightharpoonup{I}$와 핵외 전자 $\rightharpoonup{J}$의 자기적 상호작용(magnetic interaction) 에 대한 동위원소효과(istope effed) 에 대하여도 분석하였다.
