等温夹套自由空间控制原理（一）

一、 自由空间是什么？

在样品管安装在静态体积法仪器上时，样品管内除去样品体积外，剩余管内空间的体积称为自由空间体积。在测试过程中，需要精确地了解自由空间体积，并且必须维持自由空间体积恒定。一般情况下，会在常温状态下先测试一次自由空间，然后升起杜瓦瓶，在液体冷却剂（一般为液氮）温度下测试一次自由空间。后者称为冷自由空间。如果在分析过程中冷自由空间发生变化，会对样品管中气体量的计算带来相当大的误差。

美国麦克仪器公司在20世纪80年代中期，首次引进了专利等温夹套技术用于进行冷自由空间温度控制。

二、 美国麦克仪器公司1987等温夹套产品介绍

采用BET技术进行材料比表面积和孔径分布分析，需要通过低温气体吸附来完成。在这个过程中，需要精确地了解测试系统所有组件的压力、体积和温度，才能精确地计算出测试气体的量。由于气体吸附是发生在低温状态下的，而测试系统的其他组件都处于常温状态，所以在将低温样品连接在常温体系时，必须保证温度稳定。如果不能进行适当的控制，在这样一个互相连接且温度梯度极大的情况下，冷却剂的挥发将会引起冷却区域大小的变化，从而影响到气体量的测试和气体吸附测试结果。

如下图所示，将装载着样品的样品管浸没在液氮中，直接连接到仪器的其他组件上，温度梯度空间将随着液氮的挥发和液氮液面的降低而增加。增加了样品管的不确定温度体积。

目前有一种方法是通过调整杜瓦瓶的位置来维持冷却区间体积恒定，主要是通过随着液氮液面降低，不断地抬高杜瓦瓶来实现。这种方法的确能够有效的维持浸没在液氮内的样品管体积恒定，但是必须确保最初在常温下暴露的样品管的高度足够。但是即便采用这种方法，温度梯度依然存在，并且仅能获得部分的蒸发补偿。

在20世纪80年代中期，美国麦克仪器公司采用了一种传统的方式来维持液氮液面，即使用一种转移工具，直接连接杜瓦瓶和液氮罐，随着液氮液面的挥发，不断向杜瓦瓶中加入新鲜的液氮。如下图所示。这种方法非常有效，但是需要准备以下这个转移设备：

1987年,美国麦克仪器公司引入了专利等温夹套技术，它能够为维持冷自由空间恒定提供极佳的稳定性。等温夹套由一种多孔材料制成，使用时直接套在样品管周围即可。只要等温夹套的最底端浸没在液氮中，多孔材料就能够确保液氮一直维持在样品管杆的周围，且高度不变。这样即便杜瓦瓶中仅剩少量液氮，也能够保持样品管冷自由空间维持不变。如果测试时间过长，可适时地补充新鲜的液氮。等温夹套在使用过程中没有任何损耗，是一个真正的长期解决方案，如下图所示：

选自“Application Note-The Principles and Theory of the Isothermal Jacket for Free Space Control in Gas Absorption”