Способ спектрофотометрического исследования образцов и спектрофотометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (503 G 01 N 21/01 >I()gg

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Р

" . Фв рф .ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4839230/25 (22) 15!06.90 (46) 07.07.92. Бюл. N 25 (71) Ленинградское оптико-механическое обьединение им. В.И.Ленина, Институт химии высокомолекулярных соединений

AH УССР, Ленинградский государственный университет и Институт спектроскопии

AH СССР (72) А.И,Сомсиков, Е.А.Виноградов, В,H.Ватулев и В.П.Толстой (53) 535.432(08G:.8) (56) Спектрофотометр инфракрасный .ИКС29. Техническ. е описание и Инструкция по эксплуатаци ЛОМО, 1983.

Спектро етр инфракрасный ИКС-31.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации, ЛОМО, 1977. (54) СПОСОБ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ И

СПЕКТРОФОТОМЕТР (57) Область использования: спектрофотометрия, Сущность изобретения: способ спектрофотометрирования заключается в том. что образец устанавливают в основном излучении до его коммутирования с фоновым излучением, при этом вначале минимизируют интенсивность фонового, излучения и измеряют разностный сигнал Уме с образцом в основном излучении на одной длине, волны, затем уравнивают интенсивности и спектральные распределения основного и фонового излучений и неселективно ослабляют фоновое излучение на заданную часть основного излучения, после чего измеря° 5U 1?46261 А1 ют спектральные величины заданной части

AUD îâ, Л 0 с образцом, и без образца в основном излучении и.определяют значения разностных сигналов Ugno приведенным формулам, затем находят коэффициент пропускания. Степень ослабления может быть уменьшена до уровня Uq

Ь U

Фоновый излучатель образован двумя не;совпадающими частями — высокотемпера-. турной, идентичной основному излучателю и симметрично с ним сопрягаемой с входной спектральной щелью монохроматора, и низкотемпературной, расположенной -с .возможностью перемещения перпендикулярно оси фонового канала между высокотемпературной частью и оптическим коммутатором.

8ысокотемпературная часть фонового излучателя может быть пространственно совмещена с основным, а низкотемпературная — выполнена в виде сферического зеркала, 2 с, и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1746261

Изобретение относится к спектральному приборостроению, более конкретно к способам спектрофотометрирования и спектрофотометрическим приборам для их реализации, например инфракрасным спектрометрам.

Известен способ спектрофотометрирования, включающий формирование и коммутирование основного и фонового излучений, уравнивание и коммутирование основного и фонового излучений,-уравнивание их интенсивностей и спектрального распределения, монохроматизацию обоих излучений и сканирование спектра, установку в основном излучении образца, воздействующего на его интенсивность, преобразование основного и фонового излучений в электрические сигналы, вычита. ние и уравнивание этих сигналов на длине волны измерения ослаблением фонового излучения и приведением раэностного сигнала к нулевому его значению, фотометрирование измерением степени ослабления.

Известен спектрофотометр для реализации способа, содержащий пространственно несовпадающие основной и фоновой каналы с общим высокотемпературным (71000 К) излучателем, сопряженным в каждом канале через. симметричную оптическую систему с входной спектральной щелью монохроматора, держатель образца, расположенный в основном канале, ослабитель излучения, расположенный в фоновом канале, с регулируемой степенью ослабления, оптический коммутатор каналов, сканирующий монохроматор, приемно-измерительное устройство на основе схемы вычитания формируемых сигналов, связанное с оптическим коммутатором и ослабителем излучения, фотометрическую шкалу, связанную с ослабителем излучения.

Отличительной особенностью извест. ных способа и устройства типа двухлучевого спектрофотометра с.оптическим нулем является уравнивание в них интенсивностей основного и фонового излучений, формируемых иэ общего излучателя, до установки образца на всех длинах волн Адиапазона сканирования спектра, а после его установки — на текущей длине волны Я, что обеспечивается симметрией исполнения обоих каналов и регулируемым ослаблением фонового излучения.

- Другой отличительной особенностью является помещение образца в некоммутированном основном излучении, исключающем прохождение через него фонового излучения, и невозможность функционирования при установке образца 8 коммутированном основном излучении, а также при

100 -ном ослаблении высокотемпературного фонового излучения, Недостатком известных способа и устройства является снижение точйости фотометрирования слабо и сильнопоглощающих образцов, спектры поглощения которых

10 имеют малую контрастность ввиду их расположения вблизи нулевой.(сильнопоглощающие образцы) или базовой (слабопоглощающие образцы, с учетом френелевских потерь на отражение) линий и соответствующих им показаний диапазона фотометри рова ния.

Наиболее близким к предлагаемому является способ спектрофотометрирования включающий формирование и коммутирование основного и фонового излучений, их .

20 монохроматизацию и сканирование спект.ра, установку и выведение в основном излучении образца, воздействующего на его интенсивность, преобразование основного

25 и фонового излучений в электрические сигналы, вычитание этих сигналов и получение раэностного сигнала„фотометрирование разностных сигналов Ug>o — с образцом и

Up, — без образца в основном излучении и

30 вычисление коэффициента пропускания (у)о образца в каждой точке с длиной волны

il диапазона сканирования спектра по формуле

L(UUî

Т, об U

Наиболее близким является спектрофотометр для реализации способа, содержа-. щий пространственно несовпадающие

40 основной канала с высокотемпературным

P> > 1000 К) основным излучателем, сопряженным через оптическую систему с входной спектральной щелью монохроматора, фоновый канал с низкотемпера45 турным (Т2300 К) фоновым излучателем, оптическую систему и общий канал с оптическим коммутатором, держателем образ Ца, установленным с возможностью его выведения в излучении основного излуча50 теля, сканирующим монохроматором, приемно-измерительным устройством на основе схемы вычитания формируемых, от обоих каналов электрических сигналов, связанным с оптическим коммутатором, и

55 фотометрической шкалой с набором калиброванных ее растяжек при наибольшем коэффициенте растяжки PjI на участке диапазона фотометрирования, примыкающим к его нулевому показанию, и коэффици1746261 ента растяжки K2 < К1 на участке, примыкающем к 100%-ному показанию.

Отличительной особенностью извест ных способа и устройства типа однолучевого спектрометра является неравенство в них интенсивностей основного и фоновогоиэлучений, сформированных от независимых высокотемпературного (Т > 1000 К) основного и ниэкотемпературного (Чг 300 К) фонового излучателей до и после установки образца в основном излучении при коэффи. циенте его пропускания t сб > О.

Другой отличительной особенностью является помещение образца в коммутиро.ванном основном излучении с поочередным прохождением через него основного и фонового излучений, чем обеспечивается устранение погрешности фотометрирования, определяемой собственным тепловым излучением сильнопоглощающих образцов, тепловая инерция которых превышает ха.рактерное время коммутирования основного и фонового излучений, поскольку в указанных условиях их излучение немодулироввно и не регистрируется приемно-измерительным устройством.

Наличие в известном устройстве калиброванных растяжек фотометрической шкалы на любом участке диапазона фотометрирования вследствие независимого от приемно-измерительного устройства исполнения и функционирования этой шкалы обеспечивает воэможность повышения точности фотометрирования слабоконтрастных спектров как сильно, так и слабопоглощающих образцов.

Однако наибольшие значения реализу- емых в нем коэффициентом калиброванной растяжки фотометрической шкалы и соответствующие им степени повышения точности фотометрирования неодинаковы на разных участках диапазона фотометрирования и составляют К1 на участке, примыкающем к нулевому показанию, и Kz< К1 на участке, примь. ающем к 100%-ному показанию, Это неравенство К1 и Kz, составляющее не менее 0,5 порядка, частично обьясняется сложностью получения идентичных наборов калиброванных растяжек на любом участке диапазона фотометрирования,. но главным образом неодинаковым . уровнем нестабильности фотометрируемого разностного сигнала на разных участках диапазона фотометрирования, пропорцио-. нальным уровню самого этого сигнала. (1) (2) где Л 01 e — величина заданной части, кото20 рая не менее ожидаемой глубины полосы.

Степень ослабления может быть уменьшена до уровня U>oe- Л.Uoe, где Ь Uоб— наибольшая глубина полосы в спектре.

В спектрофотометре для реализации

25 .способа спектрофотометрирования, содержащем пространственно несовпадающие основной канал с. основным излучаталем, сопряженным через оптическую систему с входной спектральной щелью монохроматоЗ0 ра, фоновый канал. с фоновым излучателем, оптическую систему и общий канал с оптическим коммутатором, держателем образца, установленным с воэможностью его выведения в излучении основного излучаЗ5 теля, сканирующим монохроматором, приемно-измерительным устройством на. основе схемы вычитания формируемых обоими излучателями электрических сигналов, связанных с оптическим коммутатором, 40 и фотометрической шкалой с набором калиброванных ее растяжек при наибольшем . коэффициенте растяжки К1 на участке диапазона фотометрирования, примыкающем к его нулевому показанию, и Кг< К1 на участке, 45 примыкающем к 100%-ному показанию, оптическгя система выполнена зеркально симметричной в основном и фоновом каналах, фоновый излучатель образован двумя несовпадающими. частями — высокотемпе;

50. ратурной, идентичной и расположенной, симметрично основному излучателю; и низкотемпературной, расположенной между высокотемпературной частью и оптическим коммутатором с возможностью плавного пе55 ремещения перпендикулярно оси фонового канала с регулируемым диафрагмированием излучения высокотемпературной. части, при этом держатель образца выполнен мно- . гопозиционным, с возможностью его устаЦелью изобретения является повышеwe точности фотометрирования слабопоглощающих образцов.

Для этого образец устанавливают в некоммутированном основном излучении, минимизируют интенсивность .фонового излучения и измеряют раэностный сигнал

5 01ое на одной длине волны, уравнивают интенсивности и спектральные распределения основного и фонового излучений и неселективно ослабляют фоновое излучение на заданную часть основного иэлуче t 0 ния, после чего измеряют спектральные величины за „анной части ЛОьб, h,U с образцом и без образца в основном излучении и определяют значения разностных сигналов О об, О по формулам

U oe=Uoб+ Л об:

О = 01об Л 01об+ Л U

1746261 новки и выведения в основном канале меж- пературного излучателя 1 с входной спектду основным излучателем и оптическим ральной щелью 7 монохроматора 6. коммутатором. Высокотемпературная Идентичность основного и высокотемчасть фонового излучателя может быть пературного фонового излучателей 1 обессовмещена с основным излучателем, а его 5 печивается их одинаковым конструктивным низкотемпературная часть выполнена в ви- исполнением или показанным на фиг.2 де сферического зеркала с возможностью со- пространственным совмещением в обоих вмещения его оптической оси с осью канала каналах, а равенство интенсивностей и фонового излучателя и сопряжения центра . спектрального распределения их иэлучеего кривизны с входной спектральной 10 ний — симметриейихрасположения воснов- щелью монохроматара. ном и фоновом каналах, а также зеркально

На фиг.1 показан спектрофотометр для симметричным исполнением оптической сиреализации данного способа; на фиг.2 — то стемы их сопряжения через оба канала с же, с совмещенными основным и высоко- входной спектральной щелью 7 монохроматемпературным фоновым излучателями. 15 тора 6. Сопряжение попеременно осущестНа фиг.1 изображены конструктивно вляется через оптический коммутатор 3 с идентичные основной и высокотемператур- помощью линзы 2 (фиг.1) или попарно исный фоновые излучатели 1 и 11, оптическая пользуемых линзы 2 и вогнутых сферических система сопряжения обоих излучателей со зеркал 11 или 12 (фиг.2). входной спектральной щелью монохромато- 20 Многопозиционный держатель 4 образра, показанная в виде расположенной в об- ца 5 установлен в основном канале с возщем канале линзы 2, и общий канал с можностью его выведения в направлении оптическим коммутатором 3, многопозици-. стрелки В или перемещения из основного в онныйдержатель4обраэца5,сканирующий общий канал и обратно в награвлении монохроматор 6 с входной спектральной 25 стрелки Б, с возможностью его выведения щелью 7, приемно-измерительное устройст- из общего канала в направлении стрелки А. во 8, связанное с оптическим коммутатором Элементы многопозиционного держателя, 3 и фотометрической шкалой 9. а также ниэ- реализующие указанные его перемещения в котемпературный фоновый излучатель 10, направлении стрелок А, Б и В, на фиг.1 и 2 расположенный в фоновом канале между 30 не изображены. высокотемпературным фоновым излучате- Приемно-измерительное устройство 8 лем 1 и оптическим коммутатором 3, распо- выполнено на основе схемы вычитания элекложенным в общем канале. трических сигналов U> и Ug, формируемых, Основной канал образован основным основным и фоновым излучателями при комвысокотемпературным излучателем 1 и пе- 35 мутировании полярности этих сигналов синремещаемымвэтот каналиэобщего канала хронно коммутированию обоих каналов. и обратно многопозиционным держателем Синхронизация оптической и электрической

4 образца 5, а также оптическим коммутато- коммутации обеспечивается наличием изором 3, расположенным в общем канале. браженной пунктиром связи между приемФоновый канал образован высокотем- 40 но-измерительным устройством 8 и пературным фоновым излучателем 11, кон- оптическим коммутатором 3. структивно идентичным и расположенным Фотометрическая шкала 9 снабжен насимметрично основному излучателю 1 ос- бором калиброванных растяжек с наибольHosHolo канала, низкотемпературным фо- шими коэффициентами растяжки шкалы К новым излучателем 10 и оптическим 45 на участке диапазона фотометрирования, коммутатором 3, расположенным в общем примыкающем к его нулевому показанию, и канале. К2< К> на участке, примыкающем к 100 $-ноНа фиг.2 основной и высокотемператур- му показанию. ный.фоновый излучатели совмещены при . Ниэкотемпературный фоновый излуча несовпадении направлений их излучений в 50 тель 10 выполнен с воэможностью плавного основном и фоновом каналах, а оптическая перемещения в направлении стрелки Г система образована линзой 2, расположен- перпендикулярно оси фонового канала, соной в общем канале, и оптически связанны- провождаемого диафрагмированием высоми с ней дополнительными вогнутыми котемпературного фонового излучения в сферическими зеркалами 11, расположен- 55 диапазоне диафрагмирования от 0 до ными в основном канале, и 12, расположен- 100 . ными в фоновом канале. Зеркала 11 и 12 На фиг.1 низкотемпературный фоновый совместно с линзой 2 образуют зеркально излучатель 10 показан в виде непрозрачной симметричную оптическую систему сопря- материальной диафрагмы, для повышения жения в обоих каналах общего высокотем- чувствительности регулировки степени ди1746261

10 афрагмирования ею высокотемпературного Спектрофотометр функционирует слефонового излучения, выполненной в форме дующим образом. клина (для наглядности клин изображен по- Вначале выполняют предварительное вернутым на 90 и расположенным в плоско- спектрофотометрирование при установке о сти чертежа).

5 низкотемпературного фонового излучателя

На фиг.2 низкотемпературный фоновый 10 в положение, соответствующее 100 -ноизлучатель 10 показан в виде сферического му диафрагмированию им высокотемперазеркаласоптическойосью,параллельнойоси турного фонового излучения,.установке фонового канала, с возможностью их совме- многопозиционного держателя 4 образца 5 щения в положении, соответствующем в общем канале и его введению и выведе10

100 -ному диафрагмированию высокотем- нию в этом канале в процессе спектрофото- .

- пературного фонового излучения и сопряже- метрирования в направлении стрелки А, ниювуказанномположениицентракривизны измерению разностных сигналов Ujtpg, Ugu этого сферического зеркала с входной спек- вычислений спектральных коэффициентов тральной щелью монохроматора 6, " Уя4

Показанному на фиг.1 сопряжению вы- А "ж 0„ . сокотемпературного фонового излучателя 1 с входной спектральной щелью 7 через on- Полученные результаты спектрофототический.коммутатор 3 и.линзу 2 соответст- метрирования являются окончательными вует размещение этого образующего для спектров поглощения с оптимальными

20 . низкотемпературный фоновый излучатель . интенсивностями полос поглощения, со

10 сферического зеркала между высокотем- ставляющими 0,2-0,8 от полного диапазона пературным фоновым излучателем 1 и опти- фотометрирования, а также сильнопоглощаческим коммутатором 3 и его исполнение в ющих образцов. виде выпуклой сферы с центром кривизны, При обнаружении спектра слабого посовмещенным с высокотемпературным фо- глощения с интенсивностью полос поглоще. новым излучателем. ния не более 0,1 от полного диапазона

Показанному на фиг.2 сопряжению с ис- фотометрирования на фоне базовой линии, пользованием дополнительного вогнутого соответствующей отсутствию поглощения и зеркала 12 соответствует размещение этого 30 расположенной в зависимости от показатеобразующего низкотемпературный фоновый ля преломления и измеряемого образца излучатель10сферическогозеркала между вы- . на участке 0,5 — 0,9 диапазона фотометриросокотемпературным фоновым излучателем 1 вания, переходят к окончательному спекти вогнутым зеркалом 12 (изображено пункти- рофотометрированию этого спектра по ром) или между этим вогнутым зеркалом 12 и 35 предлагаемому способу. оптическим коммутатором 3 (изображено При этом вначале осуществляют про-. сплошной линией). В первом случае его ис- верку равенства интенсивност ей и спектполнение аналогично указанному на фиг.1, рального распределения основного и а во втором зависит от положения относи- высокотемпературного фонового излуче. тельноэтогозеркала плоскостисопряжения 40 ний на любой длине волны Адиапазона с входной спектральной щелью 7через линзу сканирования спектра, выводя многопози2 и оптический коммутатор 3. Расположе- ционный держатель 4 образца 5 из основного нию этой плоскости сопряжения перед об- излучения и устанавливая низкотемпераразующим низкотемпературный фоновый . турный фоновый излучатель 10 в положеизлучатель 10 с,рерическим зеркалом саста- 4 ние, соответствующее нулевому диафрагроны оптического коммутатора 3, напри- мировачию им высокотемпературного фомер в плоскости самого оптического нового излучения и измеряя разностный коммутатора. 3 соответствует исполнение сигнал Up. при наибольшей калиброванной этого сферического зеркала в виде вогнутой растяжке К фотометрической шкалы. сферы; расположению за этим зеркалом со 50 Равенству соответствуют нулевые знастороны вогнутого зеркала 12 — в виде вы- чения разностного сигнала U z на любой

- пуклой сферы; расположению на беско- -длине волны Я диапазона сканирования нечности — его исполнение в форме спектра, реализуемые симметрией, исполнеплоскости, т.е. тоже сферической поверх- ния оптической системы в основном и фононости, нос бесконечным радиусом кривиз- 55 вом каналах, а также расположения в них ны. Центр кривизны сферического зеркала основного 1 и высокотемпературного фоновсюду располагается в плоскости сопряже- вого 11 излучателей. ния, а в случае плоской его поверхности эта Затем снова выполняют 100 -ное диплоскость расположена перпендикулярно афрагмирование высокотемпературного оси фонового канала.

1746261

12 пленок масел, отпечатков пальцев и др.) ди- чан фонового излучения, выбирают и устанавливают длину волны it â диапазоне сканирования спектра слабого поглощения и перемещают многопозиционный держатель 4 слабопоглощающего образца 5 в направлении стрелки Б из общего в основной канал, устанавливая его с воэможностью выведения в направлении стрелки В, и измеряют значение разностного сигнала

U>os, соответствующего основному излучению.

Плавно перемещая низкотемпературный фоновый излучатель 10 в направлении стрелки Г, изменяют степень ослабления электрического сигнала, соответствующего высокотемпературному фоновому излучению от 100 до значения, определяемого раЗНОСтЬЮ U об — Л 01оа МЕжду ИЗМЕРЕННЫМ разностным сигналом Viol, соответствующим основному излучению; и выделяемой

ПРИ ЭТОМ его СОСтаВЛЯЮЩЕй Ь 01ое.

Используя наибольшую в имеющемся наборе калиброванную растяжку К1 фотометрической шкалы, измеряют выделенную часть Л 0ьб разностного сигнала 01об, сооТветствующую заданной части основного излучения.

Устанавливая равнознергетическую программу сканирования спектра, приводящую кривую спектральной яркости.В основного излучателя 1 к близкому к постоянному уровню разностного сигнала Ui, осуществляют спектрофотометрирование обеих. составляющих Л 0.,об, Л U,, в диапазоне сканирования спектра с образцом и без образца в основном излучении с соответствующим перемещением держателя 4 слабопоглощающего образца 5 в направлении стрелки В, после чего вычисляют значения самых разностных сигналов 0 об, U по известным формулам и искомых спектральных коэффициентов пропусканияя rgo6 по формуле

0л о6 рлоб л

При обнаружении нарушений постоянства значений разностных сигналов Ол, не устраняемых равноэнергетической программой прибора или другими известными приемами, например вакуумированием его внутреннего объема (при наличии герметизации этого внутреннего объема и в случае, если причиной таких нарушений является поглощение атмосферных полос, не устраняемых равноэнергетической программой прибора) или устранением других селективных источников поглощения (загрязнений поверхностей оптической системы, паров и апазон сканирования спектра разбивают на поддиапазоны, имеющие допускаемые значения отклонений разностного сигнала 0 и соответствующие им допускаемые возраста5 ния погрешности фотометрирования, в частности, определяемой нестабильностью.

Дополнительное повышение точности фотометрирования по предлагаемому способу обеспечивают, определяя на получен10 ном при предварительном спектрофотометрировании спектре слабого поглощения длину волны il, соответствующую наименьшему значению t os, принимая эту длину волны в качестве Ь, устанавливая ее

15 и регулируя положение низкотемпературного.фонового излучателя 10 и реализуемую им степень диафрагмирования высокотемпературного фонового излучения до получения значения AU>oo на этой длине волны

20 равным нулю,.

Положительный эффект, достигаемый в предлагаемых способе и устройстве, может быть оценен исходя из, того, что в известном устройстве равноэнергетическая программа

25 реализуется изменением ширины раскрытия входной 7 и выходной щелей монохроматора 6, компенсирующим изменение спектральной яркости В основного излучателя 1. При этом уровни обеих составляюЗ0 щих нестабильностей — оптической и электрической, соответствующих нестабильности самого излучения и низкочастотным шумам приемно-измерительного устройства, и их влияние на точность фото35 метрирования неселективны в диапазоне сканирования спектра; первый — ввиду приведения основного излучения к постоянству его значений. второй — ввиду неизменности усиления приемно-измерительного устрой40 ства В.

Конкретное значение повышения точно-. сти фотометрирования П может быть найдено с учетом того, что уровень базовой линии фкцб max слабопоглощающего образца, 45 соответствующий наибольшему значению

tpo6 аах в области его прозрачности, может находиться в зависимости от показателя преломления и материала образца в диапазоне значений от Ugo6max 0,ба(германий

50. в ИК-области его прозрачности с п4,,0) до .

0 oe п эх 0 9 Ц,(фтористый литий, фтористый кальций, фтористый барий, хлористый натрий, хлористый калий, бромистый калий, йодистый цезий, в спектральных областях их

55 прозрачности с показателями преломления . n 1,5), а интенсивность полос слабого поглощения Uhos пах-U>os вь может составлять(0,01- 1), При этом фактически реализуемое знаие П определяется как наименьшим зна13

1746261

ЧЕНИЕМ Особ min В СПЕКтрЕ СЛабОГО ПОГЛОщЕния образца, так и установленным разбиением Ugo, 0> на составляющие. Пример 1. При Upo бвах-0,5 0,, соответствующем 7 oemax 0,5 и интенсив- 5 ности полос поглощения upoe max-ôoe min

0,1U значение U об min составляет Цоб mtn

Ж,4 Up. Этому соответствует: Ь 0 0,6 01, откуда П- — 4- < 1,6.

Пример 2. При тех же условиях, что и в примере 1, но при интенсивности полос поглощения 0,01 U,аимеем: О об mIn 0,5 О,ь

ЬО 0,50,IIàã.

Л

Таким образом, скачкообразное повы- 15 шение П точности фотометрирования на участке диапазона. фотометрирования, соответствующем r>oe max 0,5 в зависимости от интенсивности регистрируемых полос слабого поглощения составляет от 1,6 до 20

2 раз, Пример 3. На участке диапазона фотометрирования с @об max в области прозрачности образца 0,9 0>, соответствующем

tgoe max 0,9 и при интенсивности полос погло- 25 щения 0,1 01.имеем Use min 0,8 О

При этом Ь Up 0,2 U, а П 5..

Пример 4, При тех же условиях, что и в примере 3, и интенсивности полос поглощения 0,01 Олимеем

01об max М,9 Up, Ь0,, 0,1 Up П» 10.

Таким образом, скачкообразное повы-шение Пточности фотометрирования, расположенной вблизи t>oe max 0,9, составляет . от 0,5 до t порядка.

Положительный эффект, достигаемый в способе спектрофотометрирования благодаря использованию в нем в качестве it длины волны, соответствующей наименьшему значению т об, и установке равным нулю, 40 значениЯ Ь01об на этой Длине волны А1, выражается в том; что полученные неравенства в примерах 1 — 4 переходят в строгие равенства при наибольших реализуемых значениях П

Положительный эффект, достигаемый в

Спектрофометре, благодаря совмещению высокотемпературной части фонового излучателя через фоновый канал с основным из лучателем может быть найден с учетом того, 50 что при реализации способа спектрофото- метрирования реализуемая погрешность фотометрирования определяется амплитудой спектрально переменной составляю, щей ЬО,.ь

По формуле (2) амплитуда Ь U> составляет

Ь 01=0 01oe+ ЬU1oe, где 0, — электрический сигнал основного канала, формируемый основным излучателем 1 при 100 -ном диафрагмировании высокотемпературного фонового излучения низкотемпературным фоновым излучателем 10; 01ое- Ь U1oe — электРический сигнал фонового канала, совместно формируемый высокотемпературным фоновым излучателем 1 и ниэкотемпературным фоновым излучателем 10 и образованный в основном высокотемпературной фоновой составляющей.

При независимом исполнении основного и высокотемпературного фонового ,излучателей (фиг.1) нестабильности элект- рических сигналов, формируемых в обоих каналах, складываются, а при совмещении этих излучателей (фиг.2) — вычитаются. чем и определяется уменьшение результирующей нестабильности спектральной переменной составляющей Ь О,.

Пример 5. В условиях, соответствующих примеру 1, и при оптимальном разбиении разностного сигнала Up на составляющие, соответствующем ЬО об=О, имеем Ь U„=U -U1oe. При этом 01oe =

ОЛоб п п=0,4 О,„т.е, Ь 0„=0 -0,4 U . При

1 независимом исполнении основного и высокотемпературного фонового излучателей нестабильности обеих составляющих 0 и

0,4 О складываются, поэтому погрешность фотометрирования AzH, определяемая результирующей нестабильностью составляет 1,4 О, При совмещении обоих высокотемпературных излучателей соответствующие им со- .. ставляющие нестабильностей вычитаются, поэтому погрешность фотометрирования

Ьтн, определяемая результирующей нестабильностью, составляет- 0,6 01.

Таким образом, дополнительное скачкообразное повышение Пточности фотометрирования, реализуемое путем совмещения обоих высокотемпературных излучателей составляет

П=, 2,3 раза.

Aт н

Ьг н

Пример 6. В условиях, соответствующих примеру 2, и при b, u «e=0 имеем

Ь u„-=u„-0,5u„

Ь т н =1,5ОЛ, ЬХн =0,5Ц};

ЬТн

Ь н

Пример 7. В условиях, соответствующих примеру 3, и при Ь u«r-0 имеем

01о=О об min=0 8 Ц .

Ь и =Ц,— 0,80л;

15

1746261 ставляет Е„"-0,04. Этим обеспечивается скачкообраэнбе уменьшение интенсивности собственного низкотемпературного фонового излучения и соответствующего ему фонового

5 электрического сигнала О 2, при 100ф,-ном диафрагмировании высокотемпературного фонового излучения составляющее

10 О 2- 02 -0 0101.

1 0,04 !

ArH -1 80, Лт -0,2 Ug п- 37-9

Лтн н

: П р н м е р 8. В условиях, соответствующих примеру 4, и при Л 01об=0 имеем

U 1o6-0ро m1n=0,9 ф: ОЛ=ол-09 ф

Л гн -1,9 Ug

Л rg =0,1 0, П= -- т- -19, Х н н

Таким образом, дополнительное скачкообразное повышение П точности фотометрирования, реализуемое за счет совмещения в приборе основного и ьысоко- ., температурного фонового излучателей 1 в зависимости от интенсивности поглощения и положения базовой линии слабопоглощающего образца может составлять от 2 — 3 раз до 1 порядка и более.

Положительный эффект, достигаемый спектрофотометре за счет минимизации низкотемпературного фонового излучения, выражается в том, что при этом обеспечивается дополнительное скачкообразное уменьшение нестабильностей выделяемых частей Л U ae, ЬО разностных сигналов Ццд, .

ОЛ. Конкретное значение положительного эффекта может быть найдено с учетом того, что в известном устройстве низкотемпературное фоновое излучение формируется стенкой прибора, имеющей коэффициент 35 поглощения и соответствующий ему спект- .. ральный коэффициент излучения Е 0,9 при температуре поверхности 300 К. Этому соответствует собственное излучение в ИК-.области спектра с длинами волн А > 5 мкм и 4 максимумом излучения, расположенным вблизи длины волны ) па 10 мкм;

В области выполнения закона РелеяДжинса (при длинах волн А 10 мкм) уровни основного и низкотемпературного фонового 45 излучений и соответствующие им электрические сигналы 01 и 02 пропорциональны абсолютным температурам Т1>1000 К и Тг-300 К их излучателей, т.е, 02/01.-T2/Ò1-300/1000=0,3 или 02=0,301.

Поэтому О -0 1-02=0,701.

В отличие от известного, в данном спектрофотометре выполнению низкотемпературного фонового излучателя 10 с зеркально отражающей поверхностью, на- 55 пример алюминированной. соответствуют характерные значения коэффициента отражения в области собственного излучения .

0,96, а значение спектрального коэффициента излучения Е, по закону Кирхгофа co-

При этом реализуемый в указанной о6ласти спектра разностный сигнал составляет

U -U1-U г =4/1.

Пример 9. В условиях, соответствующих примерам 1 и 5. выделяемая частьь Up разностного сигнала 0Л, определяющая вызываемую нестабильностью погрешность фотометрирования; составляет: Л Ц- .

=0,60 .

При выполнении низкотемпературного фонового излучателя 10 аналогично известному прибору и 100 -ном диафрагмировании им высокотемпературного фонового излучения имеем:

0;О1-02-01-0.,3О1-0,701, откуда Л 0 =0,60 =0,7.0.601=0,4201.

При спектрофотометрировании данным способом Ь.Up=01-02. где Ог-К01+(1—

-К)0,3U1,К вЂ” коэффициент диафрагмирования высокотемпературного фонового излучения низкотемпературным фоновым излучателем 10.

Отсюда Л 0 =01-02=01 — К01-(1-K)0;301 -.

-0,42U1 или (1-K)(1-0,3)=0,42

К1- — 0,4

0,42

0,7

В условиях совмещения высокотемпе.ратурного фонового излучателя с основным излучателем, соответствующих коррелированному характеру их излучений и вычитанию соответствующих им составляющих нестабильностей, имеем

Ь ц(1-К)+(1-К)0,3=(1-КК1+0,3) =

- 0,6.1 3-0,78.

При выполнении низкотемпературного фонового излучателя.10 в виде сферического зеркала и 100 -ном диафрагмировании им высокотемпературного фбнового излучения имеем:

0=01+02 -. 01;

Л О =0,6.0 0,601

При ртом, Л U 01-К 01-(1-К)0,0401&,601, откуда (1-К )(1-0,04)-0.6:

1746261

18 фонового канала, обеспечивается выведение из апертуры фонового канала любых других излучений, например, формируемого стенками спектрофотометра прибора.

5 При уменьшении длины волны сканирования от 10 до 5 мкм, соответствующем выходу ниэкотемпературного фонового излучателя 10 из области Релея-Джинса, положительный эффект, определяемый

10 разностью (П -1), плавно уменьшается до нулевого его значения, т.е. обеспечивается в основном в длинноволновой ИК-области спектра.

Из рассмотреннь х выше конкретных

15 примеров следует, что достигаемый положительный эффект (основной и дополнительные), соответствующий уменьшению определяемой нестабильностью фотометрируемых сигналов 0: об, 0 погрешности

20 фотометрирования слабопоглощающих образцов, суммарно может достигать 1-2 порядков величины по сравнению с реализуемой в известных способе и устройстве и составляющей 3%.

Формула изобреТения

1. Способ спектрофотометрического исследования образцов, заключающийся в том, что формируют основное высокотемпе30 ратурное и фоновое излучение, определяют разностные сигналы от обоих излучений.

Ug>e, 0,1 — с образцом и без образца в основном излучении соответственно, и определяютихотношение,отл ич а ю щи йся тем, 35 что, с целью повышения точности фотометрирования слабопоглощающих образцов, . формируют фоновое излучение иэ высокотемпературного, идентичного спектрально и по интенсивности основному, и низкотемпе-

40 ратурного, ослабляют высокотемпературное фоновое излучение до нуля и измеряют разностный сигнал от основного излучения с образцом и низкотемпературного фонового

01об на оДной Длине волны, Уменьшают сте45 пень ослаблениЯ До УРовнЯ U1oe — Л01об, гДе

ЛО1об — не менее ожидаемой глУбины половы, и измеряют сигналы от основного излучения с образцом Л О об и Л О без образца для каждой длины волны в спектре, после

50 чего определяют Ор>б и Upno формулам

К =1 — 0,6=0,4.

При этом

Л Гн (1 — К )+(1 — К )0,04=(1- К )(1+0,04 =

= 0,6 1,04=0,62, откуда

П Л н 078

ЛТ"н 0 62

Пример 10. В условиях, соответствующих примерам 2 и 6, выделяемая часть Л

0 р разностного сигнала 0, определяющая вызываемую нестабильностью погрешность фотометрирования, составляет

Л 0„-0,50>.

Рассмотрение, аналогичное выполненному в примере 9, дает

К=K =0,5;

Л гн (1 — КК1+0,3)=0,5. 1,3=0,65; " . A н (1 К)(1+0.04)=0 5 1,04=0 52:

II- Лтн =065=1;25.

Л н 0,52

Пример 11. В условиях, соответствующих примерам 3 и 7, выделяемая часть Л

0 разностного сигнала 0, определяющая вызываемую нестабильностью погрешность фотометрирования, составляет:

Л 0,=0,20»

Рассмотрение, аналогичное выполненному в примере 9, дает

К=К =0,8;

ЛТн (1 КН1+ 0 3)=0 2 1 3=0 26

Л гн (1 K)(1+0,04)=0.2. 1,04=0,20; и=

Л гн 026 ,Е н 020

Пример 12. В условиях, соответствующих примерам 4 и 8, выделяемая часть Л

О разностного сигнала U), определяющая вызываемую нестабильностью погрешность фотометрирования, составляет

Л0,=0,10, Рассмотрение, аналогичное выполненному в примере 9, дает К=К =0,9;

Л гн (1 — К)(1+0,3)=0,1.1,3=0,13;, Л zH,,(1-K)(1+0,04)=0,1;

Таким образом, достигаемое за счет минимизации низкотемпературного фонового излучения повышение точности фотометрирования в указанной области спектра составляет 1,3 раза на любом участке диапазона фотометрирования.

Одновременно с уменьшением собственного низкотемпературного фонового излучения благодаря выполнению отражаю- б щей поверхности ниэкотемпературного фонового излучения 10 в виде сферы с центром кривизны, сопрягаемым с входной спектральной щелью 7 монохроматора 6 при совмещении ее оптической оси с осью фоб=01об Л 01об+ 4/0 об:

U =U1 — Л U1îe+ Л U.

5 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшают степень ослабления да

УРОВНЯ 01об — ЛОоб, ГДЕ Л Ооб — НаИбОЛЬШаЯ глубина полосы в спектре.

3. Спектрофотометр, содержащий основной и фоновый излучатели в пространст

1746261

3 твенно несовпадающих основном и фоновом каналах и общий канал с оптическим коммутатором на входе. многопозиционный держатель образца, установленный с

: возможностью его выведения из канала по ходу излучения основного излучателя, сканирующий монохроматор, а также оптическую систему, сопряжения основного излучателя и входной спектральной щели монохроматора и приемно-измерительный блок на основе схемы вычитания, электрически соединенный с оптическим коммутатором и снабженный фотометрической шкалой с набором калиброванных растяжек с наибольшим коэффициентом растяжки К> на участке диапазона фотометрирования, примыкающем к ее нулевому показанию, и коэффициентом растяжки К < Ki на уч астке; примыкающем к стопроцентному показанию, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фотометрирования слабопоглощающих образцов, основной и фоновый каналы выполнены так, что

9 их.оси зеркально симметричны, фоновый излучатель выполнен из двух частей — высокотемпературной, идентичной и расположенной симметрично основному излучателю, и низкотемпературной, расположенной между высокотемпературной частью и оптическим коммутатором с возможностью плавного перемещения перпендикулярно к оси фонового канала с регулируемым ди1О афрагмированием излучения высокотемпературной части, при этом держатель образца расположен между основным, излучателем и оптическим коммутатором.

4. Спектрофотометр по п.3, о т л и ч а ю15.шийся тем, что высокотемпературная часть фонового излучателя пространствен-., но совмещена с основным излучателем, а . низкотемпературная часть выполнена в виде сферического зеркала с возможностью

2О совмещения его оптической оси с осью фонового канала и одновременным сопряжением центра кривизны с входной спектральной щелью монохроматора.

1746261

Составитель Н, Назарова

Редактор,Н. Лазоренко . ТеМррд М.Моргентал Корректор Н. Король

Заказ 2390 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-ÇS, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101