Способ определения показателя преломления жидкостей и газов

 

СОЮЗ ССВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

iso 4 С 01 И 21/41

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к втоескомм свидятвльствм

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3833601/31-25 (22) 29.12.84 (46) 15.09.86. Бюл. Р 34 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН БССР (72) Г.П. Яблонский, В.В. Паращук и А.К. Беляева (53) 535.024(088.8) (56) Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1974, с. 118129, 144-196.

Алтухов А.М., Яцкова Т.И. Определение показателя преломления с помощью дифракционной решетки. — Оптика и спектроскопия, 1983, вып. 6, т. 54, с. 1102-1106.

„„SU„„1257474 А 1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ (57) Изобретение относится к рефрактометрии и может быть использовано для технического анализа, контроля и автоматизации технологических процессов в химической промышленности, исследования физико †химически свойств веществ. С целью упрощения, повышения экспрессности и возможности определения показателя преломления в спектральной области, соответствующей непрозрачности исследуемой среды, в способе, основанном на создании и измерении световой картины от дифракционно-преломляющей структуры, формируют световую картину в плоскости многомерной дифракционно-преломпяющей структуры, помещенной в исследу,емую среду, и по размерам световой картины определяют показатель преломt ления среды. 2 ил.

1257474 2 носителей примерно 10 -10 см, что определяется чувствительностью глаза при визуальном наблюдении световой картины и порогом разрушения полупро5 водникового кристалла.

При облучении исследуемой среды с помещенным в нее кристаллом излучением из области прозрачности световая картина образуется преломлением и дифракцией падающего излучения, а в случае возбуждающего излучения— светом люминесценции кристалла. Сформированная непосредственно на поверхности кристалла световая картина наблюдается преимущественно в виде ярких пятен, расстояние между которыми зависит от показателя преломления среды, а их количество и расположение — от кристаллической структуры полупроводника. Световая картина, обусловленная падающим излучением, зависит от длины волны света, что позволяет измерять дисперсию показателя преломления веществ. Размер каждого светового пятна определяется диаметром светового пучка и дифракцией света на фигурах травления. Для получения контрастной световой картины диаметр пучка должен быть меньше толщины кристаллической пластины.

С целью определения показателя преломления в спектральной области, соответствующей непрозрачности исследуемой среды, используют полупровод35 никовую "-труктуру, прозрачную для указанной области спектра. В этом случае поверхность кристалла, на которую направляют луч лазера, должна служить передней гранью кюветы, а противоположная поверхность кристалла, на которой имеются фигуры травления, находится в исследуемой сре.— де и световую картину наблюдают со . ,стороны этой поверхности.

45 Используя законы преломления света на границе раздела двух сред (полупроводниковый кристалл — исследуемая среда), получают расчетную формулу для определения показателя пре5О ломления исследуемой среды:

cos { Р/2+ 9)

nс = n)(-- — - Ф

cos(P/2) Изобретение относится к рефрактометрии и может быть использовано для технического анализа, контроля и автоматизации технологических процессов в химической промьпппенности, исследования физико-химических свойств веществ.

Цель изобретения — упрощение, повышение экспрессности и определение показателя преломления в спектральной области, соответствующей непрозрачности исследуемой среды.

На фиг. 1 представлена схема образования световой картины излучением из области прозрачности кристалла СЙ$ дифракционно-преломляющей структуры; на фиг. 2 — схема образования световой картины возбуждающим излучением.

Способ осуществляют следующим образом.

Поверхность многомерной дифракционно-преломпяющей структуры освещают пучком света с диаметром.поперечного сечения, меньшим толщины дифракционно-преломпяющей структуры, в результате чего на поверхности кристалла обраэуетсч световая картина.

Принцип измерения показателя преломления среды основан на изменении размеров световой картины в зависимости от относительного показателя преломления на границе раздела поверхность кристалла — жидкость (газ). Поэтому кристаллическую пластину помещают в жидкость или газ полностью либо частично, т.е. смачивают поверхность кристалла, содержащую дифракционно-преломляющую структуру, жидкостью. Наблюдение ведут при этом со, стороны кристалла, который выбирают с шириной запрещенной зоны, большей границы прозрачности жидкости. В качестве многомерной дифракционно-преломпяющей структуры используют полупроводниковую кристаллическую пластинку, на одной поверхности которой имеются созданные травлением огранен. ные фигуры (например, шестигранные пирамиды с углом 1 при вершине), размеры которых сравнимы с длиной волны дифрагирующего света, образующие многомерную решетку.

В качестве излучения используют поток электронов, электромагнитные волны оптического или рентгеновского диапазона с плотностью потока, создающего концентрацию неравновесных где nñ — показатель преломления ис55 следуемой среды; и„ вЂ” показатель преломления полупроводникового кристалла;

1257474

P — угол при вершине пирамиды (фигуры травления);

8 — угловой размер световой картины.

Угловой размер 8 световой картины связан с ее линейным размером D соотношением, зависящим от структуры кристалла. В случае гексагональной решетки D — диаметр световой картины, т.е. расстояние между центрами 10 диаметрально расположенных световых пятен,и tg 8 = D/4d для излучения иэ области прозрачности кристалла и

tg 9 D/2d для возбуждающего излучения, где d — толщина пластины крис- 15 талла. Следовательно, при определении показателя преломления жидких и газообразных сред с использованием в качестве дифракционно-преломляющей структуры полупроводниковой кристал- 20 лической пластины с известными параметрами и„, P, d требуется определить лишь размер D световой картины. При этом величина угла падения излучения на дифракционно-преломляющую структу- 25 ру не имеет значения, а световая картина формируется непосредственно в ее плоскости.

+ arctg — ) 2d (2) !

Показатель преломления вещества 30 определяется по формуле (1), в которой параметры Р и 8 отличаются для различных типов кристаллов и ориента ции пластины. В приведенной формуле P/2 — угол наклона грани фигуры трав-З5 ления к оси кристалла, совпадающей в случае плоскости (0001) CdS с опти,ческой осью системы, 8 — угол между

I ,оптической осью и направлением на пят1но (элемент) световой фигуры из точ- 40 ки, противоположной поверхности пластины, в которую попадает луч света.

При расчете вместо 8 ммоожжно воспользоваться каким-либо линейным размером световой картины, например для 45

CdS величиной диаметра, т.е. расстояния между противоположными пятнами.

При использовании соотношений для связи между 6 и D при формировании световой картины излучением с энергией квантов, большим и меньшим ширины запрещенной зоны кристалла, формула для пс записывается, например, в виде: па и = — — — — cos (p/2 +

cos(p/2) Если световая картина обладает меньшей симметрией, чем для (0001)

CDS, размером световой фигуры может являться и расстояние между соседними или произвольными световыми пятнами. При этом также получаются простые соотношения между 8 и D, основная формула трансформируется незначительно. Поскольку размеры отдельных элементов (пятен) световой картины зависят в частности от дифракции света на фигурах травления, для увеличения точности определения и размеры световой фигуры определяют по расстоянию между центрами .пятен. Если размер светового пятна на образце больше толщины кристалла, световые пятна перекрываются и точность измерений резко падает. Способ может быть реализован и в случае, когда фигуры травления не имеют строгой огранки и световая картина представляет собой кольца, при этом размером световой фигуры является диаметр кольца.

Пример. Для определения показателя преломления исследуемых сред в качестве многомерной дифракционно-преломляющей структуры используют плоскопараллельную пластину из монокристалла сернистого кадмия CdS вырезанную в плоскости (0001). Поверхность А (атомов кадмия) полирована. Поверхность В (атомов серы) протравлена в концентрированной соляной кислоте в течение 5-30 с, при этом на ней образовались фигуры травления — шестигранные пирамиды с углом при вершине

P = 64 . Толщина пластины d = 1,24 мм, показатель преломления и„= 2,459 для длины волны A = 632,8 нм. В кювету с исследуемой средой помещают цластину CdS. На поверхности А и В пластины направляют луч лазера на красителе с перестраиваемой частотой в области длин волн 520-700 нм или гелийнеонового лазера с длиной волны Я

632,8 нм и фокусируют его в пятно диаметром 0,1-0,5 мм. Сформированную на поверхности В световую картину в виде нести гексагонально расположен ных ярких пятен с одним пятном в центре наблюдают под микроскопом с увеФ личекнем 10 . Измеряют линейный размер картины D, т.е. расстояние между центрами диаметрально расположенных световых пятен, и по формуле (1) вычисляют показатель преломления среды, 7474

125 формула и з о б р е т е н и я фЪ . g

Составитель C . .Голубев

Редактор А; Огар Техред Л.Сердюкова

Корректор А. Обручар

Заказ 4908/39 Тираж 778 Подписное

ВНИИЛИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5,Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Погрешность определения показателя преломления исследуемой среды при заданных и„, Р и D обусловлена,в основном, погрешностью измерения D и для приведенных величин не превьш а-э ет, как и в прототипе, значения 1О

В случае использования вместо лазера лампы накаливания для измерений показателя преломления на заданной длине волны необходимьп1 спектральный участок выделяют фильтром.

Световую картину можно получить и с помощью рентгеновского излучения или пучка быстрых электронов, которые возбуждают люминесценцию кристалла.

В этом случае кристалл должен служить передней гранью кюветы.

Способ определения показателя преломления жидкостей и газов, включаюЬ щий освещение поверхности дифракционной структуры и исследуемой среды пучков света, измерение параметров образовавшейся световой картины и определение по параметрам световой картины показателя преломления исследуемой среды, отличающийся тем, что, с целью упрощения, повышения экспрессности и возможности определения показателя преломления в спектральной области, соответствующей непрозрачности исследуемой среды, освещают поверхность дифракцион ной структуры пучком света с диаметром поперечного сечения, меньшим толщины этой структуры, а показатель преломления определяют по расстоянию между центрами элементов световой картины на поверхности дифракционной

20 структуры, в качестве которой используют многомерную дифракционно-преломляющую структуру, помещенную в исследуемую среду.