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低温储存环重现空间的化学条件

发布时间:2018-05-15

em马克斯普朗克核物理研究所的研究人员在低温存储环中进行了初步实验。低温储存环可以复制实验室空间中的化学条件。 / em

现在更容易研究空间化学在地球上也是如此。海德堡马克斯普朗克原子核物理研究所(MPIK)的研究人员已经在一个独特的超低温分子静电储存环中进行了初步实验,其中他们再现了太空中发现的条件。花费了数年的时间开发和建造储存环之后,物理学家现在首次保持带负电荷的分子 - 氢氧根离子(OH-)要精确 - 在绝对零度以上的极低几度处在环上的轨道上, ,他们也开始试验这些粒子。 CSR(低温存储环)现在使他们能够调查实验室中星际云的化学特性,并获得对分子内部动力学的基本认识。

太空中的低温并不完全为化学反应提供理想的条件,化学反应通常进行得更好,或者有时候只会有一点点热量。尽管如此,在太空中已经发现了180多种分子。甚至有可能在那里形成基本的生命构件,然后可能已经被带到了地球上的彗星。因此天体物理学家并不是唯一对知道星际云中化学过程如何进行有兴趣的人。很明显,这些遵循完全不同的路线来到地球上的化学。因此,马克斯普朗克原子核物理研究所的科学家们现在希望利用CSR在实验室中研究天体化学过程,他们在位于以色列雷霍沃特的魏兹曼研究所的研究人员的帮助下实现了这一过程

需要大量的实验技巧和一点耐心以模仿实验室的空间条件:花费将近三周的时间才能将储存环冷却至零下263摄氏度左右,即仅比绝对零度高几度。根据初步估计,在此过程中,压力降至10-13毫巴以下;这比正常空气压力的1000万分之一十亿分之一还少。准确测量这种低压很困难。 “纯静电离子光学器件,极低的压力和极低的温度使得甚至可以在极低的量子态中存储非常大的分子离子,”负责CSR发展的Robert Hahn总结说:最重要的特征

星际温度在轨道上十分钟

在CSR研究人员创造这些外部条件之后不久,他们成功地使惰性气体氩环的正离子带正电戒指。这些测试为第一次实验提供了绿灯:“我们在离子源中准备了氢氧根离子,将它们注入CSR并将它们保持在轨道上超过十分钟 - 这本身已经是成功的,”Andreas Wolf解释说。 ,实验者和参与开发CSR的人员之一。 “但我们当然想知道它们是否真的降温到了星际空间的温度。”

这是可调谐激光器发挥作用的地方。它的光束撞击存储的氢氧根离子(OH-),导致它们失去电子。 OH自由基形成并且 - 因为它们没有电荷 - 它们离开轨道并落在检测器上。导致这种情况发生的激光的颜色表示OH-离子被击中时所占据的能级,即它在吸收激光能量之前具有多少内部能量。对数据的初步评估表明,不仅OH-离子的内部振荡尽可能停止,而且它们的旋转也表明分子在储存期间的确确实现了星际温度CSR

“这看起来非常像我们新的'机器'满足了所有的期望,”马克斯普朗克核物理研究所储存和冷却离子部门主管兼主管Klaus Blaum说。 “因此,CSR将能够在我们计划的太空化学实验中充分发挥其优势,”海德堡研究院ASTROLAB Group负责人Holger Kreckel补充道。

超低温储存环的目的是什么?

星际云中的粒子密度极低。温度下降非常接近绝对零度,降至10开尔文,即零下263摄氏度。这就是为什么星际化学与地球上的人走完全不同的道路。在可比较的条件下进行实验对于了解星际分子如何形成和生存是必要的。

研究人员已确定带电分子,分子离子和中性原子和分子之间的过程是空间分子多样性的关键。大多数自由分子离子都是非常活泼的,这就是为什么它们只能在极端真空下才能存在更长时间。

分子的内部动力由其原子核和电子的量子动力学决定。与其他分子的相互作用,光或热辐射可激发分子内的原子并触发化学反应或使分子发光。分子过程的敏感观察,尽可能在CSR中提供对分子内亚微观多粒子量子动力学的洞察,正是这些构成了化学基础。

超酷的储存环

MPIK中的低温存储环(CSR)是这些类型实验的新型独特工具。离子束储存在极低的真空中,由低温产生。 CSR也适用于存储重分子,甚至是几个分子的簇。在它们通过存储环的35.4米电路中,它们通过四个直接相互作用部分,在那里它们与其他原子粒子碰撞或被激光激发。在直线部分,强大的检测仪器还提供有关各个分子反应过程的数据。

只有纯静电离子光学器件可以用于非常重的分子或簇的实验;合适的磁偏转系统必须具有巨大的尺寸。与磁力系统中的设置不同,偏转和聚焦静电单元位于真空室内。该系统总共使用16个四极单位进行光束聚焦和16个偏转单位。真空必须比其他离子存储环好得多:在CSR中,密度必须比大气中低1016倍,相当于10-13毫巴以下的压力。

围绕CSR中离子束的真空室的温度约为零下263摄氏度。环内分布的28个点(接近零下271摄氏度)的温度甚至更低,以便还冻结冷表面上最挥发性的气体。冰箱将液态氦气(最初处于超流态)分布在多次缠绕在环上的管道系统中。根据洋葱皮原理,内壁将地面热辐射筛选到零下230摄氏度或零下180摄氏度。所有这些都发生在外部真空系统 - 绝缘真空中,以防止任何热量传导到外部。

机械设计由低温温度要求决定。几乎所有的材料都会在寒冷的情况下收缩 - 一个1米长的不锈钢管从20摄氏度降至-263摄氏度时会缩小约3毫米。柔性金属波纹管将组件分离,并且离子光学系统的所有组件都分别锚定在混凝土基座上。

来源:马克斯普朗克研究所

图片:核物理的MPI

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