可连续调节并稳定控制温度的低温下吸收池设计(3)
1.3低温样品吸收池设计的动机
气体在低温状态下的光谱谱线数据不仅仅在我们对空气污染的监控与预测方面具有重大意义，而且在我探索外太空的过程中也起着至关重要的作用。国际上，HITRAN数据库是非常常用的数据库，但是其中给出的低温分子光谱数据大多是从计算中得来的理论值与实际情况有很大的不同，不是很准确。由此可以看出，在低温下HITRAN数据库光谱参数难以满足实际光学工程中应用的需求。为了能够有更加准确的谱线数据，我们就会想到利用恒温控温设备将我们所研究的气体降温到所需要的温度，然后在设备上利于光谱分析的组件就可以非常方便用于样品气体在低温下的光谱分析。
2实现样品气体降温控温的技术手段
为了模拟大气层甚至外太空的环境，最主要的就是将样品气体高效稳定的冷却到需要温度，并且能够稳定的文持在所需要的温度内，温度的波动尽量的小。主要需要考虑的是气体分子的冷却技术，用哪种物质作为冷源以及选用哪种技术对低温进行可靠稳定的恒温。
2.1分子冷却技术的选择
在当前，在国际上的实验室里主要有两种冷却技术可以获得我们所需的低温，从而得到其他分子在此温度下的光谱数据。第一种方法采用气体与腔壁之间的热交换使我们所要研究的气体冷却到我们所需的温度，这种技术被称为静态冷却技术；而另外一种技术被称为碰撞冷却技术[9]，直接将我们要研究的气体与预冷过的低温缓冲气体之间进行热交换以达到降温效果。下面将简单介绍这两种方法。
2.1.1静态冷却技术
有很多文献已经对静态冷却技术进行了很多次的探索与分析。在应用这项技术时，要关注纯气体或者预混合的气体是否是与气体池在同一时刻降温到规定温度的。同时，所有的气体在实验的过程中都有着稳定静态，均衡的分压。在参考文献[2]中，一种选用玻璃为材料，然经过一次成型的气体池有着较好的温度特性，其程长有50cm，真空的双层壁结构将外壁与吸收池分开，当处于210K-283K的温度范围内时，其温度的上下波动小于20C。用于红外光谱的第一个静态冷却池，它的吸收池是由铜金属铸造而成，铜具有良好的温度稳定性，所以温度的波动几乎为零，但是在吸收光学程长上有缺陷，程长仅有4.24cm，只能简单的运用在一些在红外波段上具有强烈吸收的气体分子的红外低温吸收光谱中。伴随着长程低温静态吸收池的发展，根据文献[3]，例如White型气体池，可以用于测量腐蚀气体，工作时最低温度可达144K，但是温度梯度将近8K/cm，空间温度梯度过大，对于我们的实验非常不利。
2.1.2碰撞冷却技术
气体在极低的温度环境中，我们所要测试的样品气体的蒸汽压数值几乎为0，这样的条件下，我们是无法正常的获取气体在这种情况下的光谱实验数据的。然而，到了1984 年De Lucia 等一行人为了微波段的实验测试而引入了一种被称为碰撞冷却的创新技术，这使得我们在当气体的蒸汽压数值几乎为0时，我们依然可以测得接近甚至处于热平衡这个状态的气体的光谱数据。在这样类似的实验当中，首先把某种气态物质（极低温度下经常使用氦气）冷却到与冷却池相同的温度，从而作为碰撞冷却中的降温媒介。然后光谱实验中所需要测试的气体以均匀的速度通过微量进样阀与低温降温媒介混合。最后，实验所研究的气体会在接触甚至凝结在降温池之前与缓冲气体（例如氦气）碰撞且完成热交换，从而使得实验研究气体降到我们所需要的温度。
总得来说，碰撞冷却技术的特点是总压力相对较小，一般小于1 Torr，同时吸收气体分子的浓度也很低，这就防止了聚合物的形成，因为在实验进行时，吸收池里的压力几乎为一个固定值，实验研究的气态分子通过量非常小，并且还会持续的凝结在吸收池的内壁上。上文介绍过，起先，碰撞冷却技术是因为De Lucia 一行人为了微波波段的研究而引进的。到了1994 年时，Mantz 等人[4]对这项工艺进行了改进，使得在15K的低温条件下进行分子的红外光谱分析成为了可能。随后，它们通过努力，又制造了可以达到6.9K的如此极低温度的铜质的吸收池，其程长也达到了16.8cm，这样的设计更是使光谱的灵敏度得到提升以及实验结果的精度更加精确。