Здавалка
Главная | Обратная связь

Универсальная приставка МНПВО



Если изготовить измерительный элемент МНПВО в виде параллелограмма с углом при основании α = 45º, то при попадании светового потока в элемент через основание как показано на рис. 5.5 и при прохождении его через элемент за счет ПВО от рабочих поверхностей при четном числе отражений, свет выйдет через другое основание элемента. Чтобы луч света попал на входную щель монохроматора спектрального прибора, следует поставить второй такой же элемент. Световой поток выходит из второго элемента, продолжая исходное направление, и попадает на вход прибора. Если световой поток коллимирован, то такое устройство может быть использовано в спектрофотометре без юстировки как беззеркальная приставка МНПВО. Обеспечение падения света по нормали к основанию параллелограмма является основным условием правильной работы. Получим основные соотношения для расчета параметров элементов МНПВО.

Из рис. 5.5 следует, что число отражений N светового потока от рабочих поверхностей каждого (из двух) ИЭ можно определить из выражений (5.2) – (5.5) при условии, что число отражений должно быть четным.

Размеры светового окна и необходимость нанесения зеркального покрытия на наклонные поверхности ИЭ определяются из выражений предыдущего раздела.

Фокусировка светового потока останется без изменения только в том случае, если оптическая длина пути в элементах МНПВО будет равняться расстоянию между входной и выходной поверхностями ИЭ.

Для α < 45º, когда θ = 2α следует, что

2t = [2t(N + cosθ)]/(n1cosθ). (5.11)

Тогда условие сохранения фокусировки светового потока в спектральном приборе для рассматриваемого случая можно выразить как

 

cosθ = N/(n1 – 1). (5.12)

Анализ полученного выражения (5.12) показывает, что условие сохранения фокусировки может быть обеспечено только в том случае, если измерительные элементы изготовлены из материалов с n1 > 3 для выбранного спектрального диапазона.

При α > 45º, когда θ = 180º – 2α, из рис. 5.4 следует

2t = [2t(N + cosθ)]/(n1cosθ). (5.13)

Условие сохранения фокусировки в этом случае можно выразить как

cos θ = N/(n1 – 1). (5.14)

Анализ выражения (5.14) показывает, что условие сохранения фокусировки может быть обеспечено, если ИЭ изготовлены из материалов с n1 > 4 для углов α близких к 90º и с n1 > 2 для углов α близких к 45º.

Итак, если выполняются условия (5.12) и (5.14), устройство в виде сложенных вместе ИЭ можно поставить в кюветное отделение прибора без зеркал и быть использовано в качестве приставки МНПВО.

Однако для ИЭ, используемых в таких приставках, набор возможных углов падения, числа отражений ограничен, как следует из полученных выражений.

Чтобы расширить диапазон значений θ, n1 и N ИЭ, предлагаем использовать между основаниями элементов компенсирующий элемент в виде параллелепипеда, оптически прозрачный в исследуемом спектральном диапазоне, с показателем преломления отличным от единицы. Оптическая схема устройства с компенсирующим элементом представлена на рис. 5.6.

Длина оптического пути для такого устройства определяется как

2L/n1 + X/n1, (5.15)

где L/n1 – длина оптического пути в каждом ИЭ;

X – длина компенсирующего элемента;

X/n1 – длина оптического пути в компенсирующем элементе;

n1 – показатель преломления ИЭ;

n1 – показатель преломления материала, из которого изготовлен компенсирующий элемент.

 

Рис. 5.5. Оптическая схема беззеркалыюй приставки МНПВО Рис. 5.6. Оптическая схема беззеркальной приставки МНПВО с компенсирующим элементом

 

Длина Х выбирается из условия равенства длины оптического пути при использовании приставки и в ее отсутствии:

 

H = 2L/n1 + X/n1 = 2t + X, (5.16)

где Н – длина оптического пути при отсутствии приставки, откуда

X = [2n1 (Ln1 t)]/[n1 (n1 – 1)]. (5.17)

Воспользовавшись выражением (5.17), окончательно получим

X = [2n1 t(cosθ + Nn1)]/[n1 cosθ (n1 – 1)] (5.18)

Последнее выражение позволяет рассчитать параметры компенсирующего элемента для сохранения фокусировки светового потока в заданном месте прибора при использовании ИЭ с самыми различными параметрами. При замене ИЭ необходимо сменить только компенсирующий элемент.

Для примера определим длину компенсирующего элемента, выполненного из германия, при использовании его с ИЭ МНПВО из германия с углом падения θ = 45º, t = 5 мм и N = 6.

Из (5.17) находим действительную длину пути L в ИЭ, которая при заданных параметрах элемента равна 95,7 мм. Зная n1 и учитывая, что n1 = n1, из (5.18) находим длину компенсирующего элемента, которая необходима для правильной работы устройства. Длина компенсирующего элемента составляет 50,4 мм.

5.2.3. Компенсация изменения глубины
проникновения светового потока

Существенным недостатком абсорбционных спектральных методов при исследовании сильно рассеивающих объектов является трудность подготовки образца для анализа. Особенно трудно в различных пробах учесть изменение глубины проникновения света (т.е. рабочий объем) исследуемого вещества. Спектроскопия НПВО в большинстве случаев разрешает эти затруднения.

При записи спектральных характеристик в режиме «массивного образца» (при dр < d, где dр – глубина проникновения светового потока в образец; d – толщина образца) глубина проникновения светового потока определяется из равенства (для простоты воспользуемся приближенным выражением):

 

dp = λ1 / [2π (sin2θ – n212)]1/2, (5.19)

где n21 = n2 /n1 – относительный показатель преломления;

n1 – показатель преломления ИЭ на анализируемой длине волны;

n2 – показатель преломления исследуемого объема на этой же длине волны;

λ1 – длина волны в среде с показателем преломления n1;

θ – угол падения светового потока на рабочую поверхность ИЭ.

Из выражения следует, что основная нестабильность определяется зависимостью n21 от λ, т.к. практически отсутствуют ИЭ, у которых n1(λ) = const. Следовательно, даже при n2(λ) = const относительный показатель преломления n21(λ) = const, т.е. при различных длинах волн происходит изменение количества прореагировавшего со светом вещества (изменения непосредственно от изменения λ легко учитываются). Поэтому важно разработать приставку НПВО, которая могла бы учитывать изменение показателя преломления материала ИЭ при записи спектров НПВО в различных диапазонах оптического излучения.

Оптическая схема приставки НПВО, отвечающей приведенному выше требованию, представлена на рис. 5.7. Приставка устанавливается в кюветном отделении спектрофотометра. Свет от источника направляется зеркалами 1 и 2 так, как это показано на рисунке, и попадает на входную поверхность ИЭ 3 под некоторым углом θ. После отражения от рабочих поверхностей ИЭ свет падает на зеркала 4 и 5 и направляется на вход монохроматора. Кювета, которая фиксирует ИЭ в приставке, может перемещаться по нормали к рабочим поверхностям ИЭ, что обеспечивает выполнение условия фокусировки светового потока в приборе (условия фокусировки выполняются аналогично предложенным для предыдущих устройств). Параллельность рабочих поверхностей ИЭ оптической оси светового луча в кюветном отделении обеспечивает отсутствие смещения светового потока на входе ИЭ и на входе монохроматора.

Рассмотрим прохождение света через ИЭ, изображенный на рис. 5.8. При проникновении светового потока в элемент параллельно рабочим поверхностям луч всегда отклоняется к основанию при остром угле, так как показатель преломления материала измерительного элемента n1 всегда больше показателя преломления воздуха и попадает на это основание под некоторым углом θ. Если θ > θкр, то наблюдается явление ПВО, если среда за рабочей поверхностью обладает малым поглощением, или явление НПВО, если за этой поверхностью находится хорошо поглощающая среда.

Для ИЭ практически всегда n1 = f(λ), поэтому на разных длинах волн изменяется даже при θ = const и n2(λ) = const.

Из соотношения: n′·sinφ′ = n′′·sinφ″ (где φ′ – угол падения света, φ″ – угол преломления, n″ – показатель преломления оптически более плотной среды, n′ – показатель преломления оптически менее плотной) следует, что изменение n1 с изменением λ приведет к изменению θ(λ). Причем при уменьшении n1 увеличивается θ и наоборот, что и позволяет частично компенсировать изменение dр при изменении λ.

 

Рис. 5.7. Рис. 5.8.

Ошибка, которая может возникнуть за счет разницы в зависимости n1(λ) и θ(λ), рассчитывается для каждого конкретного случая. Мы провели расчет для наиболее распространенных материалов в ИК диапазоне (Ge, Si, стекол ИКС) и получили, что значения ошибок не превышают ±5%.

При расчете ИЭ для разных n1, согласно рис. 5.8 имеем:
n0 sinφ = n1 sinφ1, φ = φ1 + φ2, θ = 90º – φ2. Если нужно найти φ, то, зная θ, из выражения θ = 90º – φ2 находим φ2, а затем из оставшихся двух уравнений φ. Для элемента из Ge при n1 = 4,0 и θ = 45º, получим sinφ = 4sinφ1, φ = φ1 + φ2 =
= φ1 + 45º и sinφ = 4sin(φ – 45º), следовательно, φ = 57º.

Если задана и величина φ (например, φ = 45º), тогда 0,71 = 4sinφ1,
45º = 10º + φ1, так как φ1 = 10º, откуда φ2 = 35º и θ = 55º.

В табл. 5.1 представлены расчетные значения параметров измерительных элементов, изготовленных из различных материалов.

Табл. 5.1.

Характеристики измерительных элементов

Материал измерительного элемента Показатель преломления φ° θ°
Si 3,5
Оптическая керамика КО-2 2,5
Инфракрасное стекло ИКС-24 2,4
Инфракрасное стекло ИКС-25 2,8

5.3. Особенности неинвазивного
количественного анализа сложных объектов

Анализ оптических эффектов, возникающих при взаимодействии света с многокомпонентными гетерогенными системами, показывает большие возможности оптической информации для оценки этих объектов. Поскольку они, как правило, являются многокомпонентными гетерогенными сильно рассеивающими непрозрачными объектами с целым рядом специфических оптических эффектов, то необходимо рассмотреть их влияние на особенности получения информации, что крайне важно при количественных измерениях в решении перечисленных выше задач.

Анализ современных методов исследования показывает, что получение информации из таких объектов перспективно осуществлять через регистрацию изменений в электромагнитном излучении при его взаимодействии с объектом. Подчеркнем еще раз, что эти объекты, как правило, многокомпонентны гетерогенны и сильно рассеивают свет (могут быть непрозрачными), то вести анализ без их разрушения необходимо еще и по слоям (например, для определения градиентов концентрации тех или иных компонентов или градиентов степени их пространственной организации). Наиболее полно перечисленным выше требованиям отвечают методы спектроскопии внутреннего отражения.

Любой метод анализа требует знания количества прореагировавшего с электромагнитным излучением образца. Следовательно, одним из самых важных вопросов подобного анализа является разработка методов количественного определения характеристик и параметров этого образца. Особенностью при количественном анализе параметров исследуемых объектов методами внутреннего отражения (в том числе и нарушенного полного внутреннего отражения – НПВО) является зависимость эффективных оптических свойств среды, представляющей совокупную систему (состоящую, например, из твердого образца, воздуха, жидкой среды и т.д.), от объема прореагировавшего с электромагнитным излучением вещества или же от объема заполненного объектами пространства на измерительном элементе. Для решения сформулированных задач предлагаем следующие подходы.

1. В основу первого способа был положен принцип «подходящего индикатора»: если к нанесенным на рабочую поверхность ИЭ, например неразрушенным волокнам, добавить известное количество другого вещества, то разность показаний оптических плотностей в аналитической полосе индикатора при отсутствии образца и в их присутствии пропорциональна концентрации (объему) вещества или же объему незаполненного волокнами пространства (параметры ИЭ изначально известны).

2. Известно, что явление полного внутреннего отражения (ПВО) наступает при падении светового потока на границу раздела «измерительный элемент – образец» под углом θ, большим критического угла падения θкр. При этом световой поток проникает в анализируемый образец на некоторую величину d (глубина проникновения). Величина d пропорциональна той части образца, которая прореагировала со светом и которую определяют как эффективную толщину dэф. Она связана с оптической плотностью D = αNd, где α – показатель поглощения образца, N – число отражений светового потока в ИЭ. Определить θкр можно из выражения sin θкр = n21 = n2 /n1, где n1 и n2 – показатели преломления материала измерительного элемента и образца, соответственно. Для воздуха
n = 1,0, а для стенок клеток примерно 1,5. Тогда θ воздуха составляет 40º, а для волокон биологического происхождения примерно 52º. Следовательно, при изменении угла падения от 0 до 90º ПВО для воздуха наступает при меньших углах падения, чем для образца, контактирующих с рабочей поверхностью ИЭ. Поэтому интенсивность светового потока на выходе ИЭ при углах падения, меньших критического для образцов, будет пропорциональна объему незаполненного пространства образцом на ИЭ. Это объясняется тем, что при углах, меньших критического, имеет место явление преломления, и световой поток в ИЭ не возвращается. Зная же параметры ИЭ, определяем объем прореагировавшего со светом образца.

3. При использовании поляризованного светового потока, распространяющегося в ИЭ, при каждом отражении его от границы «ИЭ – образец» скачком изменяется фаза параллельной и перпендикулярной составляющих вектора напряженности электрического поля. Причем размер этого сдвига фаз различен для каждой составляющей и зависит от разности показателей преломления совокупной измеряемой системы и ИЭ, а также от угла падения светового потока. При отсутствии образца показатель второй среды постоянен (скажем, для воздуха). Следовательно, разность фаз также постоянна. При наличии образца на части рабочей поверхности ИЭ изменяется показатель преломления. При этом изменяются сдвиги фаз каждой из составляющих электрического вектора и соответственно их разность, которая и является мерой объема прореагировавшего со светом вещества.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.