СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ ПОЛОС ПОГЛОЩЕНИЯ ЛЬДОВ В СРЕДНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ В УСЛОВИЯХ СВЕРХВЫСОКОГО ВАКУУМА И НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР Российский патент 2025 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения сил полос поглощения льдов в среднем инфракрасном диапазоне. Изобретение может быть использовано в астрофизических лабораториях для определения сил полос поглощения льдов с помощью сверхвысоковакуумных криогенных установок.

В межзвёздной среде молекулы конденсируются и образуют лёд на поверхности пылинок. Лёд межзвёздной среды можно изучать не только с помощью телескопов, но и в наземных лабораториях. Для этого льды выращивают в лабораторных вакуумных установках при криогенной температуре и проводят исследования их физики и химии. Полученные результаты распространяют на льды межзвёздной среды. Исследования производят преимущественно с помощью спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне (2.5-20 мкм).

Для определения лучевых концентраций молекул во льде, выращенном в установке, используют параметры сил полос поглощения (см. статью Bouilloud M., Fray N., Benilan Y., Cottin H., Gazeau M.-C., Jolly A. Bibliographic review and new measurements of the infrared band strengths of pure molecules at 25 K: H₂O, CO₂, CO, CH₄, NH₃, CH₃OH, HCOOH and H₂CO // MNRAS. - 2015. - V. 451, 2145 - 2160.). Также их используют для определения лучевых концентраций молекул в межзвёздных льда. Льды выращивают конденсацией из газовой фазы. В сверхвысоковакуумную камеру с предварительно охлаждённой до температуры порядка 15 К подложкой подают газ, молекулы которого при соударении с охлаждённой подложкой конденсируются и образуют лёд. Сила полосы поглощения представляет из себя интегральную интенсивность полосы поглощения, измеренную в относительных единицах оптической толщины на инфракрасном спектре пропускания льда исследуемого вещества, отнесённую к лучевой концентрации поглощающих молекул исследуемого вещества во льде.

Если известна сила одной из полос поглощения и измерена её интегральная интенсивность на инфракрасном спектре льда данного вещества, то можно определить лучевую концентрацию молекул данного вещества во льде в лабораторной установке по формуле 1:

N=S/A' (1)

N - лучевая концентрация молекул исследуемого вещества в выращенном льде (см^-2);

S - площадь полосы поглощения льда исследуемого вещества (см^-1);

A' - табличная сила данной полосы поглощения (см²).

Известен способ определения сил полос поглощения с помощью лазерной интерферометрии льдов, выращенных в сверхвысоковакуумной установке (см. статью Rachid M. G., Brunken N., de Boe D., Fedoseev G., Boogert A. C. A., Linnartz H. Infrared spectra of complex organic molecules in astronomically relevant ice mixtures // A&A. - 2021. - V. 653, № A116.), включающий выращивание льда в сверхвысоковакуумной камере на, охлаждённой гелиевым криостатом до температуры 15 К, подложке, непрерывную регистрацию интерференционных картин, сформированных при интерференции на выращиваемом льде двух лазерных лучей, падающих на выращенный лёд в одном и том же месте под разными углами и генерирующих две интерференционные картины, съёмку инфракрасного спектра пропускания выращенного льда в среднем инфракрасном диапазоне и измерение интегральных интенсивностей полос поглощения выращенного льда.

По известной формуле, в которую подставляют параметры интерференционных картин и углы падения лазерных лучей определяют показатель преломления и толщину выращенного льда. Плотность льда получают с помощью уравнения Лоренца-Лорентца с использованием предварительно определённого показателя преломления выращенного льда. По известной формуле определяют силу полосы поглощения, используя измеренную толщину льда и его плотность.

К недостаткам данного способа относится использование сложного и трудоёмкого для реализации способа лазерной интерферометрии в условиях сверхвысокого вакуума.

Изобретение позволяет определять силы полос поглощения льдов ещё одним способом. Изобретение решает проблему сложности и трудоёмкости определения сил полос поглощения, поскольку не требует определения показателя преломления, толщины и плотности выращенного льда, что приводит к отсутствию необходимости использования лазерной интерферометрии.

Результат изобретения достигается тем, что разработан способ определения сил полос поглощения льдов в среднем инфракрасном диапазоне в условиях сверхвысокого вакуума и низких температур, включающий охлаждение гелиевым криостатом до температуры менее 15 К полупрозрачной в инфракрасном диапазоне подложки, находящейся в непрерывно откачиваемой турбонасосом сверхвысоковакуумной камере; в которую подают исследуемое вещество в газофазной форме в течение не менее 30 минут для выращивания льда на подложке, по истечение времени подачу газа прекращают; далее регистрируют инфракрасный спектр пропускания выращенного на подложке льда исследуемого вещества в среднем инфракрасном диапазоне; во время подачи газа исследуемого вещества в сверхвысоковакуумную камеру его парциальное давление отслеживают с помощью масс-спектрометра и поддерживают постоянным не превышая величины 10^-6 торр по показаниям вакуумметра; предварительно перед охлаждением гелиевым криостатом подложки определяют калибровочную константу установки, для чего выращивают лёд калибровочного вещества описанным способом и снимают его инфракрасный спектр пропускания; на полученном инфракрасном спектре льда калибровочного вещества выбирают одну из инфракрасных полос поглощения и определяют калибровочную константу установки по формуле:

G=A'_k√m_kS_k/P_k/t_k, (2)

G - калибровочная константа установки (см с^-1 кг^0.5 торр^-1);

A'_k - табличное значение силы выбранной инфракрасной полосы поглощения льда калибровочного вещества (см²);

m_k - табличная масса молекулы калибровочного вещества (кг);

S_k - площадь выбранной инфракрасной полосы поглощения льда калибровочного вещества (см^-1);

P_k - среднее давление калибровочного вещества в сверхвысоковакуумной камере во время подачи его в камеру, измеренное с помощью масс-спектрометра (торр);

t_k - время подачи калибровочного вещества в сверхвысоковакуумную камеру (с);

после определения калибровочной константы установки выбирают полосу поглощения на инфракрасном спектре льда исследуемого вещества и определяют её силу поглощения по формуле:

A_i'=GP_it_i/√m_i/S_i, (3)

A_i' - сила выбранной инфракрасной полосы поглощения льда исследуемого вещества (см²);

G - калибровочная константа установки (см с^-1 кг^0.5 торр^-1);

P_i - среднее давление исследуемого вещества в сверхвысоковакуумной камере во время подачи его в камеру, измеренное с помощью масс-спектрометра (торр);

t_i - время подачи исследуемого вещества в сверхвысоковакуумную камеру (с);

m_i - табличная масса молекулы исследуемого вещества (кг);

S_i - площадь выбранной инфракрасной полосы поглощения льда исследуемого вещества (см^-1).

Сущность изобретения заключается в следующем. Во время осаждения молекул из газовой фазы на охлаждённую подложку, поток молекул на поверхность подложки тем больше, чем больше парциальное давление данного вещества в газовой фазе, чем больше коэффициент прилипания молекул данного вещества и чем больше скорость молекул в газовой фазе. При температурах менее 15 К коэффициент прилипания близок к 1 у большинства интересуемых молекул, поэтому его можно не рассматривать. Скорость молекулы в газе обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы. Тогда можно записать уравнение, используя средние величины потока и парциального давления исследуемого вещества за некоторое время:

J~P/√m (4)

J - средний поток молекул исследуемого вещества на поверхность подложки (см^-2 с^-1);

P - среднее парциальное давление исследуемого вещества в камере во время его подачи (торр);

m - табличное значение массы молекулы исследуемого вещества (кг).

Средний поток вещества на подложку за время его подачи представляет из себя количество вещества, которое сконденсировалось на подложку за единицу времени:

J=N/t, (5)

J - средний поток молекул исследуемого вещества на поверхность подложки (см^-2 с^-1);

N - лучевая концентрация молекул исследуемого вещества в выращенном льде (см^-2);

t - время подачи газофазного исследуемого вещества в камеру (с).

Подставим уравнения 1 и 4 в уравнение 5 и выразим силу полосы поглощения:

A'~Pt/√m/S (6)

A' - сила данной полосы поглощения льда исследуемого вещества (см²);

P - среднее парциальное давление исследуемого вещества в камере во время его подачи (торр);

t - время подачи газофазного исследуемого вещества в камеру (с);

m - табличное значение массы молекулы исследуемого вещества (кг);

S - площадь данной инфракрасной полосы поглощения льда исследуемого вещества (см^-1).

Независимо определить поток вещества на подложку затруднительно, поскольку он зависит от геометрии установки. Для учёта геометрии установки необходимо ввести в формулу 6 калибровочную константу пропорциональности, что приведено в формуле 3. Для её определения необходимо вырастить лёд вещества с заранее известными силами одной или нескольких полос поглощения в среднем инфракрасном диапазоне и подставить полученные параметры в формулу 2.

Способ был проверен на сверхвысоковакуумной криогенной установке для астрохимических исследований, схема которой приведена на фиг. 1. Схема содержит следующие элементы:

1 - Выращиваемый лёд.

2 - Германиевая подложка, закреплённая на держателе.

3 - Окна из селенида цинка.

4 - Вакуумные натекатели для подачи газа.

5 - Турбомолекулярный насос.

6 - Вакуумметр.

7 - Масс-спектрометр.

8 - Сверхвысоковакуумная камера.

Тремя стрелками обозначен ход луча инфракрасного спектрометра.

Устройство установки следующее. Камера с шестью выходами соединения CF160 из нержавеющей стали, подключается к турбомолекулярному насосу (ВЦМО, KBT-400), используемому в сочетании с вакуумным насосом (Kashiyama NeoDry 15E). Вся установка размещена на алюминиевой раме. В центре основной камеры расположена германиевая подложка (ООО «Эллорит») толщиной 1 мм. Подложка устанавливается на криогенный держатель, температура которого регулируется гелиевым криостатом (Sumitomo F-40H), подключенным к регулятору температуры (LakeShore 335). Измерение температуры производится с помощью кремниевого диода, установленного на держателе подложки. Перед экспериментами остаточное давление в основной камере поддерживается на уровне 10^-9 мбар. Давление измеряется с помощью вакуумметра с холодным катодом (Pfeiffer, IKR-270). Газы подаются в камеру через один из натекателей (Kurt Lesker). Натекатели соединены с вакуумируемой линией подачи газа. Она используется для хранения газов во время выращивания льда. Натекатели расположены в камере вертикально и не направлены непосредственно на подложку для обеспечения симметричного осаждения льда с обеих её сторон подложки и статистического соударения молекул газа с поверхностью подложки. Используется инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье (Thermofisher, Nicolet iS50) с детектором MCT-A (Thermo Nicolet). Оптический путь луча спектрометра за пределами основной камеры продувается азотом в режиме 24/7 для устранения полос поглощения атмосферных H₂O и CO₂ из получаемых спектров. Состав газовой фазы в камере измеряется с помощью квадрупольного масс-спектрометра SRS RGA200.

Способ осуществляется следующим образом на примере бензола и метанола. Бензол выбран в качестве калибровочного вещества. Метанол в качестве исследуемого вещества. Линию подачи газов заполняют парами бензола. После охлаждения подложки до температуры 10 К переводят масс-спектрометр в режим съёмки в зависимости от времени. В качестве отслеживаемой ионной массы выбирают 78 ионную массу. После чего снимают инфракрасный спектр сравнения с накоплением 128 сканов, затем начинают съёмку масс-спектра и открывают натекатель для подачи газофазного бензола в камеру до давления 10^-7 мбар по показаниям вакуумметра. Во время подачи газа в камеру, чтобы ток 78 ионной массы оставался на одном уровне, регулируя положение вентиля натекателя. Выращивание льда в данном режиме проводят 40 минут. По окончании времени натекатель закрывают и снимают инфракрасный спектр с накоплением 128 сканов. Затем отключают криостат, откачивают линию подачи и ожидают в течение 10 часов для полного испарения и откачки бензола.

По формуле 5 определяют калибровочную константу по параметрам, полученным для бензола:

G=A'_b√m_bS_b/P_b/t_b, (5)

G - калибровочная константа установки (см с^-1 кг^0.5 торр^-1);

A'_b - табличное значение силы выбранной инфракрасной полосы поглощения льда бензола (см²);

m_b - табличная масса молекулы бензола (кг);

S_b - площадь выбранной полосы поглощения на инфракрасном спектре льда бензола (см^- 1);

P_b - среднее давление бензола в сверхвысоковакуумной камере во время его подачи, рассчитанное из показаний масс-спектрометра (торр);

t_b - время подачи бензола в сверхвысоковакуумную камеру (с).

После этого заполняют линию подачи парами метанола и повторяют процедуру выращивания льда при тех же условиях, но в качестве отслеживаемой масс-спектрометром выбирают ионную массу 31. Затем определяют силу выбранной полосы поглощения метанола по формуле:

A_m'=GP_mt_m/√m_m/S_m, (6)

A_m' - сила выбранной инфракрасной полосы поглощения льда метанола (см²);

G - калибровочная константа установки (см с^-1 кг^0.5 торр^-1);

P_m - среднее давление метанола в сверхвысоковакуумной камере во время его подачи, рассчитанное из показаний масс-спектрометра (торр);

t_m - время подачи метанола в сверхвысоковакуумную камеру (с);

m_m - табличная масса молекулы метанола (кг);

S_m - площадь выбранной инфракрасной полосы поглощения льда метанола (см^-1).

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и касается способа определения сил полос поглощения льдов в среднем инфракрасном диапазоне в условиях сверхвысокого вакуума и низких температур. Способ включает охлаждение до температуры менее 15 К подложки, находящейся в непрерывно откачиваемой сверхвысоковакуумной камере, в которую подают исследуемое вещество в газофазной форме для выращивания льда на подложке. Далее регистрируют инфракрасный спектр пропускания выращенного льда. Во время подачи газа исследуемого вещества в сверхвысоковакуумную камеру его парциальное давление отслеживают с помощью масс-спектрометра и поддерживают постоянным. Перед охлаждением подложки определяют калибровочную константу установки, для чего выращивают лёд калибровочного вещества, снимают его инфракрасный спектр и определяют калибровочную константу установки. Силу полосы поглощения определяют с учетом калибровочной константы. Технический результат заключается в упрощении способа измерения сил полос поглощения льдов с помощью сверхвысоковакуумных криогенных установок. 1 ил.

Способ определения сил полос поглощения льдов в среднем инфракрасном диапазоне в условиях сверхвысокого вакуума и низких температур, включающий охлаждение гелиевым криостатом до температуры менее 15 К полупрозрачной в инфракрасном диапазоне подложки, находящейся в непрерывно откачиваемой турбонасосом сверхвысоковакуумной камере; в которую подают исследуемое вещество в газофазной форме в течение не менее 30 минут для выращивания льда на подложке, по истечении времени подачу газа прекращают; далее регистрируют инфракрасный спектр пропускания выращенного на подложке льда исследуемого вещества в среднем инфракрасном диапазоне; отличающийся тем, что во время подачи газа исследуемого вещества в сверхвысоковакуумную камеру его парциальное давление отслеживают с помощью масс-спектрометра и поддерживают постоянным, не превышая величины 10^-6 Торр по показаниям вакуумметра; предварительно перед охлаждением гелиевым криостатом подложки определяют калибровочную константу установки, для чего выращивают лёд калибровочного вещества описанным способом и снимают его инфракрасный спектр пропускания; на полученном инфракрасном спектре льда калибровочного вещества выбирают одну из инфракрасных полос поглощения и определяют калибровочную константу установки по формуле:

(1)

G – калибровочная константа установки (см⋅с^-1⋅кг^0.5⋅Торр^-1);

A'_k – табличное значение силы выбранной инфракрасной полосы поглощения льда калибровочного вещества (см²);

m_k – табличная масса молекулы калибровочного вещества (кг);

S_k – площадь выбранной инфракрасной полосы поглощения льда калибровочного вещества (см^-1);

P_k – среднее давление калибровочного вещества в сверхвысоковакуумной камере во время подачи его в камеру, измеренное с помощью масс-спектрометра (Торр);

t_k – время подачи калибровочного вещества в сверхвысоковакуумную камеру (с);

после определения калибровочной константы установки выбирают полосу поглощения на инфракрасном спектре льда исследуемого вещества и определяют её силу поглощения по формуле:

(2)

A_i' – сила выбранной инфракрасной полосы поглощения льда исследуемого вещества (см²);

G – калибровочная константа установки (см⋅с^-1⋅кг^0.5⋅Торр^-1);

P_i – среднее давление исследуемого вещества в сверхвысоковакуумной камере во время подачи его в камеру, измеренное с помощью масс-спектрометра Торр);

t_i – время подачи исследуемого вещества в сверхвысоковакуумную камеру (с);

m_i – табличная масса молекулы исследуемого вещества (кг);

S_i – площадь выбранной инфракрасной полосы поглощения льда исследуемого вещества (см^-1).