ASAS：原子光谱分析与模拟的计算程序

*SoftwareX 6（2017）203原始软件出版物ASAS：原子光谱分析与模拟的计算程序约纳塔河dos Santosa，b，*，Luiz F.N.作者声明：a.Sbampatob，Marcelo G.德斯特罗ba航空技术研究所-ITA，12228-900，São José dos Campos，SP，巴西b巴西SP圣若泽杜斯坎波斯高等研究所-IEAv，ar t i cl e i nf o文章历史记录：2016年7月31日收到2017年7月26日收到修订版，2017年保留字：发射光谱吸收光谱模拟电子跃迁a b st ra ct激光同位素分离过程基于选择性光电离原理，因此，需要知道所需原子的吸收光谱。计算资源已成为不可或缺的实验规划和分析所获得的数据。本文介绍的ASAS（原子光谱分析与模拟）软件是一种用于原子光谱研究的有用工具模拟的输入是友好的，基本上需要一个数据库，其中包含要研究的原子的能级和谱线©2017由Elsevier B.V.这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）的网站上进行了介绍。软件元数据当前软件版本Beta 1.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00062法律软件许可证GNU GPL version 3.0计算平台/操作系统Microsoft Windows（32位或64位）安装要求依赖项NET Framework 4.0或更高版本如果可用，用户手册链接-如果正式出版，请在参考列表https://github.com/JhonathaRicardo/ASAS/blob/master/ASAS%www.example.com问题支持电子邮件jhonatharicardo@gmail.com1. 动机和软件描述光谱学是一门支持科学，它通过观察电磁辐射的发射和吸收光谱原子的原子因此，原子光谱的知识允许例如识别和测量样品中的元素浓度本文介绍了一个原子光谱模拟工具，它可以优化实验计划，并有助于实验数据的分析计算代码是专门通讯作者：高等研究所- IEAv，122280-970，São José dos Campos，SP，巴西。电子邮件地址：jhonatharicardo@gmail.com（J.R. 多斯桑托斯）。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.07.0062352-7110/©2017由Elsevier B. V.发布开发用于光谱研究，旨在激光同位素分离过程[1该计算程序被命名为ASAS（原子光谱分析与模拟本文介绍的ASAS版本（当前版本，013.0 [4]）是用Visual Basic开发的，需要Microsoft Windows系统和.NET框架4.5或更高。ASAS生成的所有图形都是使用Gnuplot图形软件绘制的[5]，该软件与ASAS代码一起打包和需要强调的是，Gnuplot许可证允许其与其他软件一起分发。该ASAS版本有四个功能。（i）能级跃迁：该函数确定特定原子的能级之间可能的能量跃迁。为了做到这一点，该方法应用角动量的选择规则和电偶极矩的宇称规则。考虑从初始期望能级到其它期望能级的转变来执行该模拟。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）的网站上进行了介绍。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx204J.R. dos Santos等人/SoftwareX 6（2017）203±（）=−BTe20guAulkBTeL=Z（λ）=（）kBTe能级;（ii）可能的跃迁：如果用户没有指定初始能级，则该功能定义光谱范围内所有允许的能量跃迁;（iii）光谱模拟：该功能考虑洛伦兹分布来模拟光谱，以便模拟曲线;以及最后（iv）电子温度功能使用玻尔兹曼图方法来执行电子温度的计算这种方法使用实验原子光谱中发现的不同谱线的强度来确定电子温度[6]。目前，ASAS已用于 巴西高等研究院（IEAv）[6，7]。更2.4. 光谱模拟光谱模拟功能使用数据库和输入参数来构建具有洛伦兹曲线轮廓的模拟原子光谱。实验的吸收或发射光谱没有显示出严格的单色线。每个谱线被观察为围绕中心共振频率的强度分布。这种现象是多谱线加宽过程的结果[12，13]。一个特定的吸收或发射线由取决于波长λ的强度分布函数I描述：有关软件安装的信息可在其手册中找到[4]。2. 框架软件：功能和数据库介绍了ASAS软件的功能和数据库下面显示的每个函数、数据库和符号的详细信息可以在程序手册[4]中找到2.1. 数据库ASAS的默认数据库集是为高级研究所（IEAv）光子学部门开展的 PASIL 项 目 （ 葡 萄 牙 语 ， Processo Atômico de SeparaçãoIsotópica a Laser）开发的[8]。我们小组研究的原子的多样性需要对每个原子的数据进行组织。PASIL数据库中的光谱数据来自美国国家标准与技术研究所（NIST）数据库。此外，PASIL数据库遵循NIST数据库格式。PASIL中使用的NIST文件格式使用户能够在数据库中包含有关其他原子的信息PASIL数据库分为两个文件目录。第一个与光谱线数据有关，第二个包含信息关于能量水平[4]。当前ASAS的数据库Iδλ1（1）2πδλ2+（λ−λ）2其中：δλ是半峰全宽（FWHM），λ0是跃迁的中心波长总之，用户定义光谱范围、原子和FWHM。根据这些参数，ASAS检查在光谱的每个波长处存在于模拟范围中的每条线的贡献，考虑洛伦兹线轮廓。与其他ASAS功能不同，光谱模拟功能允许用户构建软件数据库中未包含的原子光谱2.5. 电子温度功能电子温度函数使用数据库和实验光谱的强度，使用玻尔兹曼图方法[14从原子发射光谱理论出发，由方程（1）得到谱线相对强度与电子温度的关系。（2）[14、17]：版本包括一些中性原子（Ar I，Ne I，Dy I，Mo I，Ti I、Er I和Nd I），摘自文献[9，10]。的详细信息ln（Iulλul）=C−Eu（二）数据库文件的格式和构建可以在ASAS手册[4]。2.2. 函数来确定从一个级别第一个ASAS功能确定从一个级别的过渡该函数识别给定光谱范围内特定能级的允许电子跃迁。为了做到这一点，ASAS在数据库中执行能级扫描，应用总角动量和宇称的选择规则。只有具有不同奇偶性（奇-偶或偶-奇奇偶性）的能级之间以及具有0或1的总角动量差的能级之间才会有跃迁此函数检查数据库中是否列出了转换，并通过数据表将结果提供给用户。2.3. 函数来确定可能的转换其中Iul是谱线强度，λul是跃迁波长，gu是电子态的统计权重，Aul是爱因斯坦发射系数，kB是玻尔兹曼常数，Te是电子温度，C是方程的常数项。指数u和l分别对应于每个电子跃迁的上能级和下能级（Eu和El利用适当数量的谱线，对数函数ln（ Iulλul/ gu Aul）的图被构建为上能级Eu的函数。电子温度由曲线的线性拟合的斜率拟合的质量由决定系数R2给出。R2的值范围为0到1，值越大表示拟合质量越好。为此，如果R2>0.81，则认为相关性良好[14]。玻尔兹曼绘图方法也适用于吸收光谱。该过程类似于对发射光谱执行的过程。然而，电子温度计算使用- ing方程。（3）[15]，ASAS软件将“可能的跃迁”定义为所有允许的lnAglBluCElkBTe（三）“可能的跃迁”功能使用能级数据库计算光谱范围内所有允许的跃迁，并以与上一个功能（从能级跃迁）相同的方式应用选择规则。然而，搜索不是其中A是所研究的每条线的吸光度，Blu是爱因斯坦吸收系数，El是较低的能级。电子布居的分布由方程给出（4）和（5）：仅限于一个级别[11]，即。跃迁的计算从任何初始能级开始到任何其它能级执行。此功能旨在帮助用户识别NNTglexp（−El）（4）实验光谱中的谱线，结果提供在表. 由于这种搜索产生了大量可能的跃迁，模拟仅限于10 nm的范围Z（Te）=∑gj exp（−Ej）（5）J.R. dos Santos等人/SoftwareX 6（2017）203205表1Dy I在590-600 nm光谱范围内从基态（0.00 cm-1）和其他激发态开始的可能跃迁，列：编号，ASAS数据库中跃迁的代码;λvacuum和λair，真空和空气中的跃迁波长;跃迁的相对强度（R.I）;自发辐射系数A;El和Eu，每个跃迁的上能级和下能级的能量;Ji和Ju，每个跃迁能级的总角动量。数量λ真空（nm）λ空气（nm）R.I.A（s−1）±A（s−1）El（cm−1）JlEu（cm−1）Ju342599.0223598.8595140561000280500.00816693.87700598.1652598.00260000000.00816717.799340597.6143597.4519120420000336000.00816733.20800598.3656598.203000000016693.87733406.06800598.1799598.017300000016693.87733411.25700595.9323595.770300000016693.87733474.30600595.8819595.719900000016693.87733475.72700593.1719593.010600000016693.87733552.39700599.2233599.060400000016717.79933406.06800599.7771599.614100000016733.20833406.06800599.5905599.427500000016733.20833411.25700597.2817597.119300000016733.20833475.72700594.5590594.397300000016733.20833552.397* 值“00 "表示转换信息未知。如果行号为Fig. 1. 多步选择性光电离过程的基本方法。电离态是价电子的能级高于电离极限的束缚原子态。里德伯态是指价电子低于电离极限的状态，原子可以通过小的能量扰动容易地电离[19]。其中Z（Te）是配分函数，NI是特定电子状态下的粒子密度，NT是总粒子密度。3. 示例和结果本节介绍了使用ASAS软件的三个示例。第一个例子显示了激光同位素分离研究中第二个例子介绍了从空心阴极灯放电的某些特征发射谱线的强度确定放电的电子温度。作为最后一个例子，我们有一个演示的发射光谱模拟在一个区域内的利益与不同的分辨率值。3.1. 例1：寻找中性镝原子的可能跃迁激光同位素分离（LIS）过程涉及多个步骤的选择性光电离研究[18]。LIS过程是通过在不同波长处的吸收序列来激发同位素，并且其持续直到原子达到自电离状态或里德伯状态。在5.94 eV的电离阈值下，镝原子通常通过使用可见光波长的三个共振跃迁被电离光谱范围（图①的人。ASAS软件可以在实验进行之前计算出镝原子在所需光谱范围内的可能跃迁表1给出了所需光谱范围内允许跃迁的示例，对应于通过ASAS函数计算的中性镝原子（Dy I）的光电离过程的第一和第二要实现这一点，用户需要在ASAS中设置以下参数：atom(Dy I）;跃迁的初始能级（0.00 cm−1）;光谱范围（590到600 nm）;启用第二个光子参数;光谱类型（吸收）;最后，启用所有过滤器。3.2. 空心阴极放电中中性镝原子在这个例子中，我们估计了在带有缓冲氩气的空心阴极放电中Dy I的电子温度 [20]。首先，有必要获得放电的实验发射光谱，并确定中性镝（DyI）的特征线为此，使用ASAS软件的光谱模拟功能模拟Dy I和Ar I（中性氩）原子光谱图图2显示了在548-568nm光谱范围内借助模拟识别实验光谱中的Dy I线。该过程用于400-600 nm之间的所有在下一阶段，我们确定了每个镝谱线的强度，并在表2中显示。重要的是，所选择的谱线在数据库中具有爱因斯坦系数Aul，因为该信息对于计算电子温度是必需的（第2.5节）。可以使用许多不同的方法来执行此计算，但在我们的情况下，我们使用Origin（OriginLab，Northampton，MA）来估计线强度。使用基线去除背景，并且针对每条谱线调整的洛伦兹曲线下的面积在本文中被视为强度。ASAS软件通过应用宇称和角动量选择规则来确定数据库中存在的电子能级之间的所有可能跃迁然而，一些模拟转换在程序[9，10]使用的文献数据库中没有记录，并且用数字代码00标识。最后，用户设置所需的原子（Dy I），并选择哪些光谱线用于计算温度。在下一个给出了电子温度和分布206J.R. dos Santos等人/SoftwareX 6（2017）20313081.0（±5%）421.8127834.937 8.712688.0（±5%）421.1723736.609 39.0133128.0（±5%）422.5230711.707 5.2图二. 光谱线识别示例。（上图）从镝空心阴极灯获得的实验光谱，其中氩气是缓冲气体。（下图）使用ASAS模拟Dy I和Ar I的光谱由于只有谱线的位置对于识别是重要的，所以镝和氩的光谱分别用0.1 nm的FWHM归一化。图3.第三章。 由40 mA电流和10mbar氩气压力供电的镝空心阴极灯中的放电发射光谱的玻尔兹曼图。在此条件下，电子温度为3462± 106K。用于计算温度的发射谱线数据见表2[20]。表2Dy I的谱线用于电子温度计算。λair是跃迁在空气中的波长，自发辐射系数A，Eu和Ju分别是各跃迁上能级的能量和总角动量。通过调整洛伦兹曲线，得到了空心阴极灯放电所收集的发射谱线的相对强度I。118 419.48126.0（±5%）23832.07 8 23.0129 421.52208.0（±5%）27851.43 8 12.0131 422.11120.0（±5%）27817.99 8 10.0195.0（±5%）300 554.73 0.3（±10%）18021.89 8 1.2用户通过玻尔兹曼图（图3）和条形图（图4）。（4）分别。电子分布仅显示与温度计算过程中选择的能量跃迁相关的能级的占据概率（表2）。但是用户可以从配分函数和玻尔兹曼分布计算任何能级的占据概率（等式10）。（四））。如果原子的基态是最多的，则LIS过程更有效在我们用作例子的放电中，估计大约62%的镝原子处于基态[18]。3.3. 原子的模拟光谱有两种方法可以在ASAS软件中模拟光谱。第一种方法是模拟软件数据库中已有的原子光谱，第二种方法是导入Numberλ空气（nm）A（106 s−1）Eu（cm−1）Ju我108114416.80418.68192.0（±5%）28119.9423877.756815.025.0J.R. dos Santos等人/SoftwareX 6（2017）203207±见图4。用于通过玻尔兹曼方法确定温度的每个跃迁的能量上能级之间的电子分布（表2）。估计了镝空心阴极灯放电中呈现的电子的百分比分布，电子温度为3462 106 K，配分函数为27.29 [20]。图五. 用ASAS模拟Ne I在500-550 nm之间的光谱。(A)半高宽为0.05 nm的光谱。(B)半高宽为0.2 nm的光谱。包含所需原子信息的文件。在选择最合适的方式后，用户定义所需的波长间隔和FWHM分辨率。 图图5示出了具有两个不同FWHM的中性氖原子（NeI）在500-550nm之间的光谱。4. 影响原子的选择性电离过程利用可调谐染料激光器，并且每种染料覆盖与电磁光谱不同的区域。使用ASAS软件进行跃迁的模拟允许专业人员定义哪种染料组合最适合于将被光电离的每种元素。高级研究所（IEAv）最近的工作显示了ASAS程序的使用在实验程序之前，在铒[7]和镝[6，21]ASAS软件对原子光谱的模拟，有利于实验光谱中元素的识别。这也可以用于其他光谱技术，例如LIBS（激光诱导击穿光谱）[22]或LIF（激光诱导荧光）[23]技术。此外，可以使用ASAS和原子光谱的实验数据计算放电（或等离子体）的温度和能级的电子分布[6，7，20，23]。在原子光谱学的研究中，还没有发现具有ASAS特点的程序。208J.R. dos Santos等人/SoftwareX 6（2017）203→5. 结论原子光谱线的知识对于激光同位素分离过程是必不可少的。在本文中，它提出了一个计算程序标记ASAS，开发，以协助光谱研究。ASAS函数可用于预测吸收线。利用预测的谱线，可以在染料激光光谱覆盖范围内调谐激光源，以获得实验光谱。此外，ASAS软件还可以通过识别谱线、计算电子温度和种群分布来辅助数据分析。附录A.补充数据与本文相关的补充材料可以在http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.07.006上找到。引用[1] Destro M G. 铀金属蒸气中的激光光谱学[论文]。圣若泽杜斯坎波斯：意大利航空技术研究所，1993年。p. 163.[2] KosterU ， Fedoseyev V N ， Mishin V I. 放 射 性 原 子 的 共 振 激 光 电 离 。Spectrochim Acta B2010;58：1047-68.[3] 作者：Kudryavtset Y，Mishin V I.核物理中原子的共振激光电离85.第八十五章：你是我的http：dx.doi.org/10.1088/0031-8949/85/05/058104.[4] [10]李国忠，李国忠，李国忠.ASAS软件分析和模拟原子光谱，Beta版0.0.1.0，IEAv/DCTA ， 2014 年 。 软 件 注 册 号 BR512015000453-0 。https://github.com/JhonathaRicardo/ASAS.[5] Williams T，Kelley C. Geeknet Inc.：Gnuplot。版本4.2[软件] 2008年3月[2015年8月11日访问]。可从以下网址获得：http://www.gnuplot.info/[6] 桑托斯河激光富集同位素的镝原子光谱学[学位论文]. 圣若泽杜斯坎波斯：航空航天技术研究所，ITA;2015年。p. 131.[7] 空 心 阴 极 灯 中 中 性 铒 的 光 谱 研 究 ： 电 子 温 度 和 两 步 光 电 流 光 谱 。SpectrochimActaB2016;118： 14-9.http://dx.doi 的 网站 。org/10.1016/j.sab.2016.02。004.[8] Sbampato M E，Barreta L F N，Santos J R，Victor A R，Destro M G，Neri JW. 原子光谱分析软件。In：Encontro de Física，2011 Foz doIguaçu. ParanáSão Paulo：SBF - Sociedade Brasileira de Física;2011.[9] Ralchenko Yu，Kramida A E，Reader J.美国国家标准与技术研究所，Nist原子光谱数据库，马里兰州盖瑟斯堡[引用日期：2015年3月12日]。可从以下网址获得：http://physics.nist.gov/asd3[10] Wickliffe M E，Lawler J E，Nave G.Dy I和Dy II的跃迁概率J Quant SpectroscRadiat Transfer 2000;66：363-404. http://dx.doi.org/10.1016/S0022-4073（99）00173-9.[11] M. 现代物理学基础。第三版Wiley;1963.[12] Demtroder W. 激光光谱学：基本概念和仪器。NewYork：Springer;2003. p.987.[13] Demtroder W. 原子，分子和光子。NewYork：Springer;2006. p. 578.[14] 周X，李Y，王军，黄Z.用原子发射光谱法测量低温化学劳歇等离子体的温度。IEEE跨等离子体科学2001;29.[15] [10]杨文，李文. 脉冲GMAW过程大电流阶段的光谱研究。J Phys D：ApplPhys2010;43.[16] 杨伟，王伟，王伟.用二极管激光吸收光谱和分辨等离子体发射测量n2/ar介质阻挡放电中气体温度。J Phys D：Appl Phys2004;37：1658-63.[17] Sismanoglu B N. 发光微球的发射光谱研究与表征[论文]. 圣若泽杜斯坎波斯：航空技术研究所（ITA）;2010年。p. 201.[18] Schwab C 等 ， 激 光 技 术 应 用 于 铀 的 同 位 素 分 离 。 载 于 ： Enfir III EnamBrazilian Joint Nuclear Conference的Progress in Nuclear Energy Special IssueReviews，第33卷，1997年。p. 217比64[19] 斯米尔诺夫原子和离子物理学-原子和离子的自电离状态。纽约：斯普林格出版社; 2003. p. 206比28[20] 桑托斯河开发用于分析和模拟原子光谱的计算代码[毕业作品]- Faculdade deEngenharia do Campus de Guaratingueta 。 Guaratingueta ： UniversidadeEstadual Paulista;2012. p. 67岁。[21] Barreta L F N，et al. Observation of the162 Dy -164Dy isotope shift for the 01671779 cm−1 optical transition. Appl Spectrosc 2017. http://dx.doi.org/10的网站。1177/0003702817702661。文章首次在线发布。[22] 张文，张文，等.用激光诱导击穿光谱法测量钼的电子碰撞宽度参数.中国科学院学 报 ， 2000 ， 14 （ 1 ） ： 117 - 118. 应 用 物 理 B 2016;122 （ 1 ） ： 21 。http://dx.doi.org/10.1007/s00340-015-6298-3网站。[23] 李晓波.稀土元素铒原子同位素位移的研究[论文]. 圣若泽杜斯坎波斯：航空技术研究所（ITA）;2017年。p. 111.