脉冲平面等离子体膨胀中光学快门调制宽带腔增强吸收光谱

太空中的第一个吸收特征是钙线，是由约翰内斯·哈特曼在1904年观测到的。哈特曼意识到，观测到的恒星发出的光在到达地球之前被部分吸收了。到了20世纪20年代，人们还观察到了钠的吸收特征。1922年，Mary Lea Heger在几个b型恒星的光谱中报告了两条新的固定漫射吸收线。20世纪30年代进一步的系统研究引导天文学家得出结论，星际介质(ISM)中的物种，即存在于恒星之间和周围的空间，可能是观测到的吸收特征的来源。这个结果令人惊讶，因为ISM的密度非常低，远低于实验室中最好的真空。今天，已确定的星间和星周分子包括160多种，是丰富而奇特的化学性质的证据。在Heger发现弥漫吸收带之后，又发现了几个所谓的弥漫星际带(DIBs)， 1975年，对DIBs进行了第一次系统的调查。当时共观察到39例dib。今天，有超过400种DIBs被确认，令人惊讶的是，在近100年后，它们只有一个共同点: no definite carrier has been found for any DIB. See http://dibdata.org/ for a catalogue of publications on DIBs. See also www.iau297.nl. The carriers are generally believed to be molecular and several candidates have been suggested, including polycyclic aromatic hydrocarbon cations, carbon chain radicals, fullerenes and excited hydrogen, but so far without convincing matches.

DIB携带者的鉴定只能通过实验室研究来进行，以显示精确和特定的光谱特征，以匹配观测结果。然而，这种实验室研究并不简单，原因有二:

1. 大多数DIB候选者在地球条件下不稳定，候选者的产生，在寒冷恶劣的条件下类似于星际介质，在大丰度是复杂的
2. 候选物质只能在低丰度下形成，因此需要灵敏的光谱技术来测量吸收特征。鉴于dib的范围从440 nm到近红外，在这一范围内精确识别特定特征非常耗时。

近年来，敏感腔增强吸收光谱(CEAS) [Berden2009]技术被用于寻找载流子。第一个CEAS技术，空腔衰荡光谱(CRD)，是在1988年开发的。在CRD中，来自脉冲激光的光入射到一个光学腔中，该光学腔由2个高反射率(>99.99%)凹面镜构成，其中包含被研究的样品。大部分光线被腔体的前镜反射走;然而，一些光线进入腔体并被困住。光在两个腔镜之间来回传播，在每个镜上都有一部分光漏出。因此，当光穿过腔体时，样品每次都吸收一些光。光漏出的速率由指数衰减给出，并揭示了样品的吸收信息。极弱的吸收，不能通过单次观测看到，可以使用CRD识别，因为平均一个光子进入腔可以通过样品超过10,000次。这大大增加了光的衰减，使吸收可检测。 In the last two decennia, an immense effort has been made in development of CEAS techniques. One such technique is incoherent broadband cavity enhanced absorption spectroscopy (IBBCEAS) [Fiedler2003]. In IBBCEAS, light from a powerful white light source, such as a Xenon Arc lamp, is used to trap light inside the cavity. Light exiting the cavity is focused onto the entrance slit of a wavelength selective devise, such as a spectrograph, which disperses light onto a CCD array. IBBCEAS may provide a prolific tool for the search for DIB carriers, as on each observation a broad wavelength range can be investigated. Crucial to IBBCEAS, is the selection of the detector, the wavelength selective element and CCD. The detector must cover a broad spectral range and at the same time offer a resolution high enough to observe the DIBs, ~0.03 nm, in combination with high sensitivity

实验设置

图1显示了使用IBBCEAS测试DIB候选人的设置示意图。

图1:实验设置示意图。PDN是脉冲放电喷嘴。M1和M2为高反射率(HR)反射镜，R > 99.995%。氮气用于冲洗腔镜，减少等离子体中任何产品对HR反射镜的影响。

正在测试的候选载体是碳链自由基，是在乙炔/氩/氦混合物的脉冲放电中产生的。在脉冲放电喷管(PDN)中，高压放电被放置在高压超音速脉冲膨胀上。这是一种非常成功的技术，可以产生大量的高活性分子瞬态，例如在ISM中发现的那些[Motylewski1999]。当产生的等离子体通过喷嘴膨胀时，它经历了大量的碰撞，导致有效的绝热冷却，达到20 - 30 K之间的电子温度。此外，大量的碰撞导致了许多反应的发生，导致了几十个新物种的形成。一个白色光源，LOT-QuantumDesign 300 W Xe-Arc灯，探测距离PDN下游4到10毫米之间的等离子体。光从腔中入射到光学快门上，仅当等离子体存在时，~500µs才传输光。通过快门传输的光被聚焦到圆形到矩形的光纤束上，光纤束的出口位于三叶草SR-750-A光谱仪的入口狭缝上，该光谱仪配备了13µm的入口狭缝，750 mm的焦距和1800个凹槽/mm的光栅。光谱仪将光分散到Newton DU940P-BV CCD探测器上，该探测器包含2048 x 512平方像素，宽度为13.5微米。一次可以测量覆盖20 nm范围的光谱，典型的光谱分辨率为0.03 nm。

光谱仪/CCD提供了足够的光谱精度和分辨率来识别dib。光被收集了大约15分钟，在520到534 nm之间的样品测量，如图2所示。

图2:等离子体运行时，样品通过光腔传输

图2显示了一个示例观察结果。在图2中，光强度的广泛增加是由于腔体的高反射率反射镜和Xe弧灯光谱的组合。在连续体之上的光强度的急剧增加是由于等离子体本身发出的光，CH发射的一个例子是显著的。连续体以下光强度的急剧下降是由于等离子体吸收来自Xe弧灯的光，C6H吸收的一个例子是显著的。图2表明，等离子体的发射和吸收特征可以在一次观测中测量到一个广阔的区域。观测到的特征可以与dib的天文观测相比较，希望能找到载体。所述技术也可以很容易地应用于研究其他潜在的候选者，如激发氢或多环芳烃阳离子。

结论

寻找dib的载体是天文学中最古老的未解之谜，解决这个难题将导致对宇宙化学理解的巨大发展，并为检查星际介质提供新的诊断资源。这种设置能够快速测试考生，有望使我们离运营商更近一步。

参考文献

• [Berden2009]腔衰光谱技术与应用;万博电脑网页版登录伯登，G.，恩格尔，R.， Eds.;Wiley-Blackwell:奇切斯特，英国，2009。
• [Motylewski1999];林纳兹，H. Rev. Sci。科学通报，1999,30(4):457 - 457。
• [Fiedler2003]李国强，李国强;这些,a;露丝,一个。答:化学。理论物理。科学通报，2003,371,284-294。
• [Walsh2013]李志强;赵,d;Ubachs w;光机械快门调制宽带腔增强吸收光谱的天体物理学兴趣分子瞬态。化学。A (2013) http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp310392n