Методы измерения коэффициентов пропускания и поглощения

      ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

      ФГАОУ ВПО Сибирский федеральный университет

      Институт  инженерной физики и радиоэлектроники

      кафедра ПСиНЭ 
 
 
 
 
 
 

      РЕФЕРАТ

      Методы  измерения коэффициента пропускания и поглощения 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Преподаватель                         _________               В.А. Бахтина

                 подпись, дата 

      Студент          ИФ 07-06Б        _________               И.Ф. Валиулин

      подпись, дата 
 
 
 
 
 
 
 

      Красноярск 2010

 

       СОДЕРЖАНИЕ

Введение          3

1. Методы измерения коэффициентов пропускания и поглощения 4
2. Измерение прибором ИК спектрометра Фурье преобразования VERTEX-70         4
3. Измерение прибором спектрофотометр СФ —46                   9
4. Измерение спектрофотометром ЮНИКО-2804            13

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение 

             Коэффициент пропускания — отношение потока излучения, пропущенного данным телом (средой), к потоку излучения, упавшему на тело. Коэффициент пропускания учитывает не только излучение, проходящее через тело (среду) без изменения направления распространения, но также и проходящее через тело излучение, рассеянное им.

             Коэффициент поглощения — доля поглощения объектом, взаимодействующего с ним другого объекта. Взаимодействующим объектом может быть электромагнитное излучение определённой частоты, энергия звуковых волн, ионизирующее или проникающее излучение, какое-либо вещество.

             Если световой поток Ф₀(n) падает на однородный поглощающий слой толщины l, то выходящий из него поток Ф_l(n) будет ослаблен в е^-knl раз, т.е.

      Ф_l(n) = Ф₀(n)eхр (- k_nl ),

      где    k_n - коэффициент поглощения

               g_n = Ф_l(n)/Ф₀(n) - коэффициент пропускания 

      Целью работы является исследование коэффициента пропускания и поглощения путем рассмотрения специально предназначенных приборов.

      Поставленные  задачи в работе:

• Рассмотрение методов измерения коэффициентов пропускания и поглощения.
• выявление прибора  наиболее эффективного для определения коэффициентов пропускания и поглощения.

 
 
 
 
 

Приборы для измерения  коэффициентов пропускания  и поглощения

1. ИК спектрометр Фурье-преобразования

      VERTEX-70

2. Спектрофотометр СФ —46
3. Спектрофотометр ЮНИКО-2804 

 

1 Измерение коэффициентов  спектрометром Фурье  преобразования 

      1.1 Конструктивные элементы спектрометра Фурье-преобразования VERTEX 70

      Для измерения коэффициентов пропускания  и поглощения используется спектрометр Фурье-преобразования VERTEX 70 фирмы BRUKER (рисунок 1).

      

      Рисунок 1 – ИК - спектрометр  VERTEX 70

 Спектрометр  состоит из следующих отсеков:

   

      Рисунок 2 - Общий вид спектрометра 
 

1.2  Принцип действия ИК спектрометра Фурье-преобразования

VERTEX-70

 
 

      Спектр  можно рассматривать как последовательное расположение электромагнитного излучения  по длинам волн. Длины волн могут  изменяться от 10 ^-12 мм до миллионов метров. В ИК - спектроскопии часто используется волновое число ν, которое связано с длиной волны λ соотношением ν (см^-1) =(10⁴ / λ). Для наглядности волновое число может быть представлено как число целых длин волн электромагнитного излучения в одном сантиметре (см. рисунок 1). Волновое число прямо пропорционально энергии и частоте колебаний структурного элемента исследуемого соединения: 

      k = f/c = E/hc = 1/ λ = ν/n,                  (1) 

      где k - волновое число в вакууме в см^-1; f - частота в секундах;

      Е- энергия в эргах; h - постоянная Планка; λ - длина волны в сантиметрах;

      n - показатель преломления воздуха.

      

      Рисунок 4 - Спектр ИК – поглощения. Показаны линии соответствующие:

• 3050 cm^-1 – фундаментальное колебание С-Н растяжения,
• 3069  cm^-1 - фенильное C± H растяжение
• 3004  cm^-1 - симметричное CH2 растяжение в эпоксидной группе
• 2971 cm^-1 - антисимметричное метильное C± H растяжение в DER
• 2931  cm^-1 - антисимметричное CH2 растяжение в эфирах
• 2873  cm^-1 - симметричное CH2 растяжение в эфирах

 

      ИК-область  обычно рассматривают, начиная с  красного края видимости спектра, примерно 14000 см^-1 (7000 Ǻ или 0,7 мкм), где глаз перестает воспринимать излучение (таким образом, "инфра" значит "ниже красного"). Так называемая фундаментальная ИК-область начинается примерно с 3600 см^-1  или 2,8 мкм. Аналитическая полезная область распространяется от 3600 см^-1 примерно до 300 см^-1 или 333 мкм. Нелегко определить "дальнюю" ИК-область, но приближенно ее считают от 300 до 20 см^-1.

      1.3 Основные технические характеристики ИК-спектрометра VERTEX 70 

Фотометрическая погрешность ИК-Фурье спектрометра VERTEX 70 0,01%

2. Измерение коэффициентов спектрофотометром СФ – 46

1. Конструктивные элементы спектрофотометра СФ —46

В основу работы спектрофотометра СФ-46 положен  принцип измерения отношения двух световых потоков: потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).

Структурная схема спектрофотометра представлена на рисунке 5. Световой пучок из осветителя попадает в монохроматор через входную щель и разлагается дифракционной решеткой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через образец, попадает на катод фотоэлемента в приемно-усилительном блоке. Электрический ток, проходящий через резиcтop RH, который включен в цепь фотоэлемента, создает на резисторе падение напряжения, пропорциональное потоку излучения, падающему на фотокатод. 
Усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления, близким к единице, обеспечивает передачу сигналов на вход микропроцессорной системы (далее - МС). МС по команде оператора поочередно измеряет и запоминает напряжения UT, U0 и U, пропорциональные темновому току фотоэлемента, потоку, прошедшему через контрольный образец, и потоку, прошедшему через исследуемый образец соответственно. После измерения МС рассчитывает коэффициент пропускания Т исследуемого образца. 
Значение измеренной величины высвечивается на цифровом табло. 

        

      Рисунок 5 - Спектрофотометр СФ 46 

2. Принцип действия спектрофотометра СФ 46

 

      Оптическая схема СФ-46 показана на рисунке 6. Излучение от источника 1 или 1’ падает на зеркальный конденсор 2, который направляет его на плоское поворотное зеркало 3 и даст изображение источника излучения в плоскости линзы 4, расположенной вблизи входной щели 5 монохроматора. Монохроматор построен по вертикальной автоколлимационной схеме. Прошедшее через входную щель излучение падает на вогнутую дифракционную решетку 6 с переменным шагом и криволинейным штрихом. Решетка изготавливается на сферической поверхности, поэтому, помимо диспергирующих свойств, она обладает способностью фокусировать спектр. Применение переменного шага и криволинейного штриха значительно уменьшает аберрационные искажения вогнутой дифракционной решетки и позволяет получить высокое качество спектра во всем рабочем диапазоне длин волн.

      а) б)

      Рисунок 6 –схемы спектрофотометра СФ 46

      а) - структурная схема спектрофотометра ; 
б) - оптическая схема: 1, 1’ - источники света; 2 - зеркальный конденсор; 3 - поворотное зеркало; 4 -линза; 5 - входная щель монохроматора; 6 - дифракционная решетка; 7 - выходная щель монохроматора; 8 и 9 - линзы; 10 - поворотное зеркало; 11 и 12 - фотоэлементы; 13 - светофильтр

 
Диафрагмированный пучок фокусируется в плоскости выходной щели 7 монохроматора, расположенной над входной щелью 5. Сканирование осуществляется поворотом дифракционной решетки, при этом монохроматическое излучение различных длин волн проходит через выходную щель 7, линзу 8, контрольный или измеряемый образец, линзу 9 и с помощью поворотного зеркала 10 попадает на светочувствительный слой фотоэлемента 11 или 12. Для уменьшения рассеянного света и срезания высших порядков дифракции в спектрофотометре используются два светофильтра: из стекла ПС11 для работы в области спектра 230—450 нм и из стекла ОС14 для работы в области спектра 600—1100 нм. Смена светофильтров производится автоматически. 
Линзы изготовлены из кварцевого стекла с высоким коэффициентом пропускания в ультрафиолетовой области спектра. Для обеспечения работы спектрофотометра в широком спектральном диапазоне используются два фотоэлемента и два источника излучения сплошного спектра. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла применяется для измерений в области спектра от 190 до 700 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент - для измерений в области спектра от 600 до 1100 нм. Длина волны, при которой следует переходить от измерений с одним фотоэлементом к измерениям с другим фотоэлементом, указана в паспорте спектрофотометра. Дейтериевая лампа предназначена для работы в области спектра от 190 до 350 нм, лампа накаливания - для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Для проверки градуировки прибора используется ртутно-гелиевая лампа ДРГС-12. 

      2. 3 Основные характеристики спектрофотометра СФ 46

      Спектральный  диапазон измерений, нм: 190 - 1100

      Оптическая  схема - двулучевая

      Монохроматор - двойной полихроматор на основе аберрационно-скорректированной вогнутой нарезной решетки

Диапазон  измерения (Фотометрический диапазон):

      -коэффициентов  пропускания, %: 1 - 100

      -оптической  плотности, ед. ОП: 3,3

      Предел  допускаемого значения абсолютной погрешности  спектрофотометра при измерении  спектральных коэффициентов направленного пропускания, %: 1

      Предел  допускаемого значения среднего квадратического  отклонения случайной составляющей погрешности спектрофотометра при  измерении спектральных коэффициентов направленного пропускания, %: 0,2

      Рекомендуемые значения времени накопления сигнала (экспозиции), с: от 0,002 до 2,0

      Число элементов приемника: 3600

      Размер одного элемента приемника, мкм: 8х200

      Погрешность установки длин волн, нм:

      -в  диапазоне от 190 до 390 нм: +0,4

      -в  диапазоне от 390 до 1100 нм: +0,8

      Относительное отверстие: 1:6

      Наименьшая спектральной ширина щели, нм: 1,0

      Скорость  сканирования, нм/мин: прибл. 9000

      Коррекция базовой линии: автоматическая корректировка базовой линии

      Кюветное  отделение:

      -число  образцов: 10

      -смена  образцов: автоматическая

      Габаритные  размеры, мм: не более-450х320х180

      Масса, кг: не более 10

      Потребляемая мощность, В•А: не более 100

      Питание: 220 В, 50 Гц  

      3 Измерение коэффициентов  спектрофотометром  ЮНИКО

      3.1 Конструктивные элементы спектрофотометра ЮНИКО-2804.

Спектрофотометр ЮНИКО-2804 имеет 2 независимых детектора для одновременного измерения пробы и холостого раствора. Оснащен встроенным мощным процессором, позволяющим проводить все аналитические измерения без подключения к персональному компьютеру. Режимы измерений, градуировки и полученные спектры хранятся в энергонезависимой памяти.  
Конструкция спектрофотометров ЮНИКО серии 2804 основана на оригинальных оптических элементах с защитным покрытием, смонтированных на мощной плите. Источниками излучения служат дейтериевая и галогеновая лампы, доступные для самостоятельной смены и юстировки. Программный счетчик времени работы ламп позволяет планировать своевременное обслуживание и замену. Вместительное отделение для проб позволяет размещать кюветы длиной до 100 мм. Предлагается широкий ряд держателей проб, кювет и дополнительных принадлежностей.  
Для вывода информации предусмотрены порты для подключения принтера и внешнего ПК. Для удобства хранения и обработки данных на персональном компьютере разработано дополнительное программное обеспечение UNICO-PC Win, обеспечивающее перенос данных, составление отчетов, представление результатов измерений. Прибор отличается высокой точностью определения процента пропускания, оптической плотности, установки длины волны, разрешением 0,1 нм и прекрасной временной стабильностью.

3.2 Принцип работы  спектрофотометра ЮНИКО 2804

Принцип работы основан на том, что образец  обладает свойством по-разному пропускать или отражать падающий на него свет в разных точках спектра. Прибор может работать в различных диапазонах длин волн - от ультрафиолетового до инфракрасного.

С помощью  источника света, встроенного в  прибор, образец освещается; свет, отраженный от образца либо пропущенный через него анализируется таким образом, что определяется отношение отраженного от образца или пропущенного через образец светового потока к падающему потоку во многих точках спектра. Кроме спектральной кривой, любой спектрофотометр может представить измеренные данные в колориметрических координатах цвета.

В спектрофотометре ЮНИКО 2804 свет от лампы фокусируется на входной щели монохроматора, где зеркало направляет пучок света на решетку. Решетка с помощью коллиматора создает в плоскости выходной щели монохроматора изображение входной щели, растянутое в спектр.

Выходная  щель из спектра выделяет монохроматический  пучок света, который через один из фильтров, устраняющих рассеянный свет после дифракционной решетки, направляется в отделение для проб. На выходе из отделения для проб пучок попадает на кремневый фотодиод и преобразуется в электрический сигнал. Принцип действия фотометра Юнико основан на сравнении светового потока Ф₀), прошедшего через кювету с растворителем или «холостую пробу», и светового потока Ф, прошедшего через кювету с исследуемой средой.

 
3.3 Основные технические характеристики:

Вывод: Измерение коэффициентов пропускания и поглощения прибором ИК спектрометра Фурье преобразования VERTEX 70 наиболее эффективно.

      С помощью Фурье - спектрометров можно регистрировать одновременно весь спектр. Благодаря тому, что в интерферометре допустимо входное отверстие больших размеров, чем щель спектральных приборов с диспергирующим элементом такого же разрешения, Фурье-спектрометры по сравнению с ними имеют выигрыш в светосиле, что позволяет:

• уменьшить время регистрации спектров;
• увеличить отношение сигнал — шум;
• повысить разрешение;
• уменьшить габариты прибора.

      В дифракционных приборах длину волны  можно определить только косвенно, а в фурье-спектрометрах она определяется непосредственно.

      Наибольшее  часто Фурье-спектрометры применяются  в тех исследованиях, где другие методы малоэффективны или вовсе  неприменимы, например, в инфракрасной области спектра.

      - Фурье-спектрометры значительно выигрывают в фотометрической точности у дифракционных приборов. В дифракционных приборах на приемник попадает свет только в узком спектральном интервале, который попадает на выходную щель монохроматора. В фурье-спектрометрах на фотоприемник всегда поступает весь свет источника и все спектральные линии регистрируются одновременно. Следовательно, возрастает соотношение сигнал/шум.

      -Прибор  управляется специальной программой  работающей в среде Windows-ХР, что  обеспечивает легкость управления  и дает возможность быстро освоить работу с прибором даже неподготовленному персоналу. Программа автоматизирует процесс измерения и обработки спектра, позволяет оператору в удобной форме получать информацию об образце и имеет развитую систему просмотра и обработки полученных данных.

 

       Библиографический список

 
      

1. Накамото  К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений. М.: Мир, 1991. – 197 с.
2. Смит А.Л. - Прикладная ИК-спектроскопия. Основы, техника, аналитическое применение. М., 1982. – 367 с.
3. Пентин, Ю.А. Основы молекулярной спектроскопии: учеб./Ю.А.Пентин, Г.М. Курамшина .; М.: Знание. 2008 г. 176 -182 с