Разработка новых методов фотоакустической спектроскопии конденсированных сред (1097867), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Отмечается, что ФА исследованиеподобных объектов важно и в интересах фундаментальной науки, и с точкизрения техническихи технологическихприменений, например, припроизводстве пигментов и красителей, контроле смоговых явлений, прибиомедицинских исследованиях, в производстве двигателей внутреннегосгорания, при контролировании сгорания угля, проведении экологическогомониторинга,атакжевомногих13другихобластях.Вслучаеспорошкообразными образцами важную роль в формировании ФА сигналаиграет диаметр (размер) зерен порошка и наличие газа между зернами.Изменение диаметра зерен порошка или расширение газа между нимиприводит к изменению оптических и тепловых свойств образца и ФАсигнала.
С учетом этих факторов, механизм образования ФА сигнала дляпорошкообразных,дисперсных,пористыхидругихподобныхсредсущественно усложняется как при его теоретическом описании, так и приинтерпретации полученных экспериментальных данных.В разделе 1.4 более подробно обсуждаются физические причиныпоявления тепловых нелинейностей в ФА спектроскопии. Анализируютсярезультаты теоретических и экспериментальных работ, полученные в этомнаправлении.
Обсуждаются факторы, определяющие вклад нелинейности впараметры ФА сигнала. Отмечается, что вторая гармоника ФА сигнала,обусловленнаяналичиемтемпературнойзависимостикоэффициентатеплопроводности среды, была зарегистрирована и частично исследована припомощи мираж-эффекта и радиометрического способа. Проведен анализработ последних лет, в которых решалась нелинейная термоволновая задача.Этот анализ показывает, что проблема учёта тепловой нелинейности пригазомикрофонном способе регистрации ФА сигнала еще далека от своегорешения.Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок, спомощью которых проводились ФА исследования конденсированных сред сгазомикрофонной схемой регистрации. Описание лабораторного макета ФАспектрометра представлено в разделе 2.1.
Показана блок-схема спектрометра(в классическом варианте), когда источником излучения служит ксеноноваялампавысокогодавления(ДСКШ-1000).ФАячейка,особенностиконструкции которой приведены в разделе 2.2, приспособлена в основномдля исследования твердотельных сред. Для решения спектроскопическихзадач использовалась нерезонансная ФА ячейка из нержавеющей стали. Ееосновные размеры: длина столба газа - lg=0,5 см, диаметр рабочей камеры 140,8 см; диаметр канала, соединяющего микрофон с рабочей камерой - 0,2 см;длина канала - 0,4 см; объем камеры - V=2,25 см3.
В разделе 2.3 показанразработанный автоматизированный промышленный ФА спектрометр, вкотором система управления и обработки данных осуществлялась на баземикроЭВМ. Он был изготовлен в двух вариантах. Первый вариант включал всебя следующие основные компоненты: микро-ЭВМ, цифро-аналоговыйпреобразователь (ЦАП) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В этомварианте электрический сигнал с выхода усилителя подается на вход блокаАЦП. В нем происходит преобразование сигнала в цифровой код,обрабатываемый посредством микро-ЭВМ, которая также осуществляетуправлениесканированиеммонохроматора,усреднение,хранениеиобработку ФА сигнала.
Вывод обработанных спектров производится спомощью блока ЦАП на самописец. В целом этот вариант обработки данныхприемлем для использования в фотоакустическом спектрометре. Однакоотносительно грубый шаг квантования использованного АЦП (4мВ), а такжестремление к простоте управления и обслуживания спектрометра привели ковторому варианту, отличающемуся от первого использованием серийногопромышленного вольтметра, принтера, дисплея и связанного с этимоборудованием программного обеспечения на базе комплекса КСВУ.
Дляданного ФА спектрометра были разработаны специальная программа иметодика испытаний.В разделе 2.4 описан ФА микроскоп (ФАМ) с оптической системойсканирования на базе пьезодефлекторов и с системой формированияизображения.Дляконтроляуправления.ОсновнымиобеимисистемамиэлементамиФАМФАМсозданявляютсяблоксистемыпространственного сканирования, регистрации, обработки и формированияизображения. Зачастую управление этими системами в фотоакустическихмикроскопах осуществляется с помощью мини-ЭВМ, применение которойтребуетиспользованиядополнительныхустройствипрограммногообеспечения. В разделе 2.5 показаны способы приготовления образцов15(твердотельных,порошкообразных,атакжерастворов)иметодикапроведения их исследования.
В разделе 2.6 приводятся результаты изучениявозможностиизмерениясветовыхпотерьвволоконныхсветоводахфотоакустическим методом. Для этого была разработана конструкцияспециальной ФА ячейки с различными вариантами размещения волоконногосветовода. Предложенная фотоакустическая ячейка позволяет проводитьизмерения без разрушения световодов и, в принципе, с разделениемосновных составляющих полных потерь света - поглощения и рассеяния.Кроме того, он значительно проще в реализации, чем известныйкалориметрический метод.Третьяглавапосвященаэкспериментальномуисследованиюоптических характеристик различных веществ. Основными параметрами,влияющими на формирование величины ФА сигнала, в общем случаеявляются толщина образцов l s и длина тепловой диффузии μ s = (2 χ s / ω )1 / 2 ,где χ s - коэффициент температуропроводности вещества, а μ β = β −1 - длинаоптического поглощения, β - коэффициент поглощения света.
Соотношениеэтих величин определяет характер зависимости величины ФА сигнала отчастоты модуляции. Когда выполняется условие μ s < μ β , зависимостьвеличины ФА сигнала от ω подчиняется степенному закону ω −3 / 2 . При этомвеличина ФА сигнала зависит как от оптических, так и от тепловых свойстввеществ. Таким образом, при выполнении вышеуказанных условий ФАметодом можно получить информацию и об оптических и о теплофизическиххарактеристиках вещества.
Если в процессе эксперимента теплофизическиехарактеристикинеменяются,тоинформациюобоптическиххарактеристиках вещества можно получить в широком спектральномдиапазоне. В этой главе описаны результаты эксперимента по применениюФА метода для исследования оптических характеристик таких материаловкак монокристаллы, различные порошки и растворы высокой концентрации.Показана возможность измерения абсолютной величины коэффициента16поглощения растворов высокой концентрации. Также изложены некоторыеособенности применения лазеров в ФА спектроскопии конденсированныхсред.Особенности ФА исследований отдельных твердотельных образцов ирастворов, в качестве которых были выбраны монокристаллы и порошкиполупроводника CdS, соли редкоземельных элементов Nd и Pr, порошки ирастворы KМnO4 и т.д., приведены в разделе 3.1.
Измерения проводились наФА спектрометрах, описанных в разделах 2.1 и 2.3. В разделе 3.2 описанФА спектрометр, разработанный для одновременного измерения спектровпоглощения и рассеяния.Рис.1. Поперечное сечение ФА ячейки, предназначенной для одновременногоизмерения спектров поглощения и рассеяния.Предлагаемаяконструкция(Рис.1)позволяетпроводитьодновременные измерения спектров поглощения и рассеяния. Такиеизмерения этих спектров значительно повышают точность результатов,поскольку они дают раздельную информацию о том, какая часть излученияпоглощается, а какая часть рассеивается.17Рис.2.
Фотоакустические спектры порошка Pr(NO3)3:а) поглощения, б) отражения. Пунктирная линия - спектр отражения,полученный методом диффузного отражения.P - акустическое давление, λ - длина волны оптического излучения.Возможность одновременного измерения спектров поглощения ирассеяния ФА методом демонстрируется на рис. 2 на примере солиредкоземельного элемента Pr.Большой интерес представляет исследование растворов высокихконцентраций в области максимального поглощения для выяснения границыприменения основного закона светопоглощения, а также для определенияконцентрациирастворов.Дляопределенияабсолютнойвеличиныкоэффициента поглощения растворов и зависимости ФА сигнала отвеличины концентрации растворов, исследованию которого посвящен раздел3.3, в качестве образцов были выбраны растворы KМnO4 и Ru(III). При этомв качестве источника излучения был использован аргоновый лазер с длинойволны 515 нм, соответствующей одному из максимумов поглощения.Концентрация раствора KМnO4 изменялась от с = 8,2 ⋅ 10−3 м до с = 3,9 ⋅ 10−1 м , адля Ru(III) от с = 1,83 ⋅ 10−3 м до с = 1,4 ⋅ 10−2 м .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
