Буферный газ — это инертный или негорючий газ . В атмосфере Земли азот действует как буферный газ. Буферный газ добавляет давление в систему и контролирует скорость горения при наличии кислорода . Любой инертный газ, такой как гелий , неон или аргон, будет служить буферным газом.
Буферный газ обычно состоит из атомарно инертных газов , таких как гелий , [1] [2] аргон или азот . [3] Криптон , неон и ксенон также используются, в основном для освещения. [ необходима ссылка ] В большинстве случаев буферные газы используются в сочетании с другими молекулами с главной целью — вызывать столкновения с другими сосуществующими молекулами.
Буферные газы широко используются во многих устройствах, начиная от разрядных ламп высокого давления и заканчивая уменьшением ширины линии микроволновых переходов в щелочных атомах .
В люминесцентных лампах ртуть используется в качестве первичного иона , из которого излучается свет . Криптон — это буферный газ, используемый вместе с ртутью, который используется для смягчения импульса столкновений ионов ртути, чтобы уменьшить повреждение электродов в люминесцентной лампе. Вообще говоря, самые долговечные лампы — это те, в которых в качестве буферных газов используются самые тяжелые инертные газы . [ необходима цитата ]
Буферные газы также обычно используются в компрессорах, используемых на электростанциях для подачи газа в газовые турбины . Буферный газ заполняет пространства между уплотнениями в компрессоре. Это пространство обычно имеет ширину около 2 микрометров. [ необходима цитата ] Газ должен быть полностью сухим и свободным от каких-либо загрязнений . Загрязнения могут потенциально скапливаться в пространстве между уплотнениями и вызывать контакт металла с металлом в компрессоре, что приводит к отказу компрессора. [ необходима цитата ] В этом случае буферный газ действует примерно так же, как масло в подшипниках автомобильного двигателя .
Методы загрузки буферного газа были разработаны для использования при охлаждении заряженных или парамагнитных атомов и молекул при сверхнизких температурах. Буферным газом, наиболее часто используемым в такого рода приложениях, является гелий.
Предположим, что у нас есть очень холодный гелий в качестве криогенного буферного газа, тогда любое облако частиц, плавающее в этом буферном газе, будет обмениваться энергией с буферным газом, пока не достигнет той же температуры ( термализуется ). Проблема в том, что облако частиц будет рассеиваться.
При охлаждении буферным газом облако частиц, которые мы хотим охладить, попадает в ловушку, которая пропускает атом гелия. Если частицы электрически заряжены, то ловушка может быть ловушкой Пеннинга или ловушкой Пола . Если частицы электрически нейтральны, но парамагнитны, то ловушка может быть магнитной ловушкой (поскольку гелий диамагнитен), например, парой анти-Гельмгольца . Парамагнитные атомы стремятся к слабому полю, тогда как диамагнитные атомы стремятся к сильному полю, поэтому в магнитной ловушке есть центральная область, где магнитное поле равно нулю, и оно растет во всех направлениях. Парамагнитные атомы будут пойманы в этой области нулевого поля, в то время как диамагнитные атомы будут отталкиваться. [4] [5] [6]
Охлаждение буферным газом можно использовать практически для любой молекулы, если только молекула способна выдерживать множественные столкновения с атомами гелия с низкой энергией, на что способны большинство молекул. Охлаждение буферным газом позволяет охлаждать интересующие молекулы посредством упругих столкновений с холодным буферным газом внутри камеры. Если между буферным газом и другими интересующими молекулами произойдет достаточно столкновений до того, как молекулы ударятся о стенки камеры и исчезнут, буферный газ достаточно охладит атомы. Из двух изотопов гелия ( 3He и 4He ) более редкий 3He иногда используется вместо 4He , поскольку он обеспечивает значительно более высокое давление паров и плотность буферного газа при температурах ниже кельвина. [ требуется ссылка ]