Разработка новых методов фотоакустической спектроскопии конденсированных сред (1097867), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Результаты численного расчетазависимости Θ 0 от I 0 для кварцевого стекла и ПЭВД показали, что с ростомI 0 искомая зависимость постепенно переходит к степенной Θ0 ~ I 01/ 2 .Решениезадачиовлияниитемпературнойзависимоститеплофизических и оптических величин на параметры основной гармоники32ФА сигнала представлено в подразделе 6.3.2.Для отношения полнойамплитуды ФА сигнала δ p F = δ p L + δ p N к линейной получено выражениеδ pF− 1 = K1N (T ,O ) Θ0 ,δ pLгде(8)K1N(T,O) = 2δ3 −0,5 (δ1s +δ 2s +δ1g −δ 2g − βTs − βT g )-комбинациятермическихкоэффициентов теплофизических и оптических величин, являющаясяэффективнымкоэффициентомнелинейности,характеризующимсоответствующие вклады в генерируемый ФА сигнал на основной частоте.Зависимость δ pF / δ pL от интенсивности падающего луча I 0 аналогичназависимости Θ0 от I 0 , описанной в подразделе 6.3.1.Вподразделе6.3.3рассматриваетсявлияниетемпературнойзависимости оптических величин на параметры второй гармоники ФАсигнала.
Для акустического давления второй гармоники ФА сигналаполучено выражениеδ p2 N ( 2ω ) =I02K 2 N (T0 ) exp ⎡⎣i (ω t − 3π / 4 ) ⎤⎦ ,B(9)−122где B = 16lgT0 (κ s(0) ) / ⎡⎢( Α (0) ) μ s 2 μ2 g ⎤⎥ , а K 2 N (T ) = 2δ 3 + ( 2 + 2 ) ⎡⎣ 2δ 2 g − δ g − 2δ S − δ 2 ⎤⎦ -⎣коэффициент⎦нелинейности,0вызванныйтепловойнелинейностьютеплофизических и оптических величин.Результаты численного расчета относительной амплитуды сигнала наудвоенной частоте δ p2 Nв зависимости от интенсивности падающегооптического излучения для кварцевого стекла и ПЭВД при частоте ω = 102 Гцпоказаны на рис. 10.Таким образом, из выражения (9) следует, что ФА сигнал на частоте2ω может быть генерирован только благодаря ТН, и при этом зависимостьего амплитуды от интенсивности является квадратичной, а частотнаязависимость имеет вид δ p2N ( 2ω )~ω −3/ 2 , в то время как для линейнойсоставляющей δ pL (ω) ~ ω−1 .33Рис.
10. Зависимость δ p 2 N / δ p1 от интенсивности падающего луча I 0 длякварцевого стекла - 1 и ПЭВД - 2 при ω = 10 2 c −1 .Основные результаты и выводы работы.1. Разработаны и реализованы новые фотоакустические экспериментальныеустановки с использованием газомикрофонной схемы регистрации, на основекоторыхсозданыспектрометровслабораторныйипромышленныймонохроматическимивариантыисточникамисветаФАиперестраиваемыми лазерами.
Предложены новые методики проведения ФАэкспериментов, существенно повышена чувствительность создаваемогоэкспериментального оборудования, расширены его возможности и областиприменения,атакжеавтоматизированыпроцессыизмерения,чтообеспечивает проведение экспресс-анализов. Разработаны и изготовленыфотоакустическиеячейкидляодновременногоизмеренияспектровоптического поглощения и отражения веществ и определения световыхпотерь в световодах.342.Исследованазависимостьфотоакустическогосигналаотчастотымодуляции в режиме «теплового насыщения» для полупроводниковыхкристаллов Si, Ge, CdSe, а также влияние подложки из эбонита, кремния,латуни на величину фотоакустического сигнала в кремнии.
Предложен методопределения теплофизических свойств веществ по ФА сигналу в режиме«теплового насыщения».3. Экспериментально исследованы особенности формирования ФА сигнала втаких «неудобных» для традиционной спектрофотометрии объектах, какрастворы высоких концентраций, порошки с различным размером частиц,красители, сорбенты.4.
Экспериментально ФА методом определены абсолютные величиныкоэффициента оптического поглощения растворов высокой концентрацииKMnO4 и Ru (III). Показана возможность обнаружения по ФА спектраммалого количества сильнопоглощающей компоненты арсеназо (III) вдвухкомпонентных смесях порошков арсеназо (III) + Al2O3.5. Разработан и изготовлен ФА микроскоп с оптическим сканированием cиспользованием газомикрофонной схемы регистрации сигнала. Обнаруженыи исследованы поверхностные и подповерхностные неоднородности в рядетвердотельных образцов.
Предложен экспресс-метод определения частотнойзависимости параметров ФА сигнала с использованием несинусоидальноймодуляции оптического излучения.6. Экспериментально исследован механизм формирования ФА сигнала впорошкообразных образцах с различными оптическими и геометрическимипараметрами. На основе исследований процессов формирования ФА сигналавокрашенныхсоединенияхпоказано,чтоприумереннонизкихкоэффициентах поглощения ( β < 1 см-1) основной вклад в величину сигналавносит тепловое расширение внутреннего газа.
При более высокихкоэффициентах поглощения ( β > 10 см-1) доминирующую роль играеттепловой поток от образца к приграничному слою газа в ФА ячейке. Впервыеэкспериментально показана возможность исследования спектров диффузного35отражения слабопоглощающих порошкообразных образцов с помощьюспециальной, полностью заполненной порошком ячейки.7. Проанализированы концентрационные зависимости ФА сигнала всорбентах, адсорбированных на кремнеземе. Разработаны методическиеосновы исследования окрашенных соединений. На основе модельныхэкспериментов установлено, что на поверхности кремнезема при низкихстепенях заполнения поверхности красителем образуются их димерныемолекулярные агрегации.
Показано, что агрегация молекул красителяпроисходит в основном в порах сорбента, а на его поверхности молекулыкрасителя могут находиться в мономерном состоянии.8. Экспериментально впервые обнаружено и исследовано влияние тепловойнелинейности,обусловленнойтеплофизическихиоптическихтемпературнойпараметровзависимостьюсильнопоглощающихинизкотеплопроводящих сред типа эбонит, что в свою очередь приводит кзависимости амплитуды ФА сигнала от интенсивности падающего луча.Выявлено, что эту зависимость по диапазону изменения интенсивности I 0условно можно разделить на три области.
В первой области приI 0 ≤ 0,5 Вт/смобласти2справедлива зависимость δ PNL ~ I 02 . Во второй переходной20,5 Вт/см < I 0 < 1 Вт/см2существенновозрастаеттепловаянелинейность, обусловленная температурной зависимостью коэффициентаотражения. В третьей области при I 0 ≥ 1 Вт/см2 скорость термическойдеструкции в образце сильно возрастает, и при значениях I 0 ≥ 5 Вт/см2происходит полное разрушение облучаемой поверхности. Установлено, чтозависимость нормированной амплитуды ФА сигнала K от интенсивностиподчиняется эмпирической зависимости K = 1 + K 0 (1 − e −bI ) .09.Влинейномприближенииполученыаналитическиевыражения,описывающие нестационарное температурное поле в одномерной моделитрехслойной фотоакустической ячейки.
Эта же задача решена численно длянелинейного случая, когда теплофизические величины всех слоев внутри ФА36ячейки являются функциями температуры. Из решения стационарной задачис учетом тепловой нелинейности следует, что линейная зависимостьтемпературы поверхности образца от интенсивности освещения постепеннопереходит к степенной. Показано, что нагрев поверхности подложки,контактирующейссильнопоглощающиминизкотеплопроводящимобразцом, в нелинейном режиме как минимум на порядок слабее, чем нагревоблучаемой поверхности образца. Это позволяет при построении нелинейнойтеории ФА эффекта для сильнопоглощающих сред в подобной геометриироль подложки не учитывать.10. Развита теория возмущений для расчета нелинейной компоненты ФАсигнала δ p1N , обусловленной влиянием теплофизической составляющейтепловой нелинейности в сильнопоглощающих и низкотеплопроводящихсистемах.
В предельных случаях μ s β << 1 и μ s β >> 1 вклад нелинейности вамплитуду ФА сигнала дается простыми аналитическими выражениями,удобными для определения теплофизических параметров исследуемых сред.Выявленосуществованиеразличнойстепеннойдвухнелинейныхзависимостьюрежимов,нелинейногоотличающихсяФАсигналаотинтенсивности освещения. Получено выражение для сдвига фазы ФАсигналаиз-затепловойнелинейноститеплофизическихвеличин,представляющего собой дополнительный информационный параметр дляизучения ФА явлений.11.
Проведено теоретическое рассмотрение влияния тепловой нелинейности,обусловленной температурной зависимостью теплофизических и оптическихвеличин, на параметры ФА сигнала основной гармоники в термическитолстых, непрозрачных средах. Показано, что зависимость амплитудынелинейнойсоставляющейсигналаотинтенсивностиосвещенияопределяется увеличением температуры поверхности образца. Показано, что,в зависимости от эффективного коэффициента нелинейности, нелинейныйФА сигнал может как возрастать, так и убывать с ростом интенсивности37света. Егоамплитудаобратнопропорциональна частоте модуляцииосвещения, на фазу сигнала интенсивность освещения не влияет.12.ПредложенатеориягенерациивторойгармоникиФАсигнала,обусловленной температурной зависимостью оптических и теплофизическихвеличин.
Обнаружено, что зависимость амплитуды второй гармоники отинтенсивности квадратична, а зависимость от частоты модуляции имеет вид~ ω − 3/ 2 . Сдвиг фазы второй гармоники ФА сигнала относительно сигналамодуляции освещения оказался равным ( 3π / 4 ). Измерения ФА сигнала навторой гармонике в подобных системах позволяют получить независимуюинформацию об их теплофизических и оптических свойствах.Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах1.Лямов В.Е., Мадвалиев У., Шихлинская Р.Э. Фотоакустическаяспектроскопия твердых тел // Акуст.
журн. 1979. Т. 25. № 3. С. 428-433.2.Мадвалиев У., Шихлинская Р.Э., Шпигун О.А. Использование методафотоакустическойконцентрации.спектроскопииТезисыдлядокладовIIIанализарастворовВсесоюзнойвысокойконференциипоаналитической химии. Ч. II. Минск. 1979 г.3.Мадвалиев У., Шихлинская Р.А., Шпигун А.А. Применение методафотоакустическойспектроскопиидляисследованияспектральныххарактеристик твердых веществ в растворов // Журн. анал. хим. 1980.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
