5. Компенсация изменения глубины проникновения светового потока

Существенным недостатком абсорбционных спектральных методов при исследовании сильно рассеивающих объектов является трудность подготовки образца для анализа. Особенно трудно в различных пробах учесть изменение глубины проникновения света (т.е. рабочий объем) исследуемого вещества. Спектроскопия НПВО в большинстве случаев разрешает эти затруднения.

При записи спектральных характеристик в режиме "массивного образца" (при d_р < d, где d_р - глубина проникновения светового потока в образец; d - толщина образца) глубина проникновения светового потока определяется из равенства (для простоты воспользуемся приближенным выражением):

d_р = λ₁ / [2π (sin²θ – n₂₁² )]¹/², (5.1)

где n₂₁ = n₂ / n₁ - относительный показатель преломления;

n₁ - показатель преломления ИЭ-та на анализируемой длине волны;

n₂ - показатель преломления исследуемого объема на этой же длине волны;

λ₁ - длина волны в среде с показателем преломления n1;

θ - угол падения светового потока на рабочую поверхность ИЭ.

Из выражения следует, что основная нестабильность dр определяется зависимостью n₂₁  от  λ, т.к. практически отсутствуют ИЭ, у которых n₁(λ) = const. Следовательно, даже при n₂(λ) = const относительный показатель преломления n₂₁(λ) = const, т.е. при различных длинах волн происходит изменение количества прореагировавшего со светом вещества (изменения dр непосредственно от изменения λ легко учитываются). Поэтому важно разработать приставку НПВО, которая могла бы учитывать изменение показателя преломления материала ИЭ при записи спектров НПВО в различных диапазонах оптического излучения.

Оптическая схема приставки НПВО, отвечающей приведенному выше требованию, представлена на рис.5.1. Приставка устанавливается в кюветном отделении спектрофотометра. Свет от источника направляется зеркалами 1 и 2 так, как это показано на рисунке, и попадает на входную поверхность ИЭ 3 под некоторым углом  θ. После отражения от рабочих поверхностей ИЭ свет падает на зеркала 4 и 5 и направляется на вход монохроматора. Кювета, которая фиксирует ИЭ в приставке, может перемещаться по нормали к рабочим поверхностям ИЭ, что обеспечивает выполнение условия фокусировки светового потока в приборе (условия фокусировки выполняются аналогично предложенным в разделах 1 и 2). Параллельность рабочих поверхностей ИЭ оптической оси светового луча в кюветном отделении обеспечивает отсутствие смещения светового потока на входе ИЭ и на входе монохроматора.

Рис. 5.1. Оптическая схема приставки

1, 2, 4, 5 – плоские зеркала;

3 – измерительный элемент;

6 – плоскость фотометрического

клина спектрофотометра;

7 – направления перемещения

измерительного элемента

Рассмотрим прохождение света через ИЭ, изображенный на рис.5.2. При проникновении светового потока в элемент параллельно рабочим поверхностям луч всегда отклоняется к основанию при остром угле, так как показатель преломления материала измерительного элемента n₁ всегда больше показателя преломления воздуха и попадает на это основание под некоторым углом θ. Если  θ > θкр, то наблюдается явление ПВО, если среда за рабочей поверхностью обладает малым поглощением, или явление НПВО, если за этой поверхностью находится хорошо поглощающая среда.

Рис. 5.2. Расчет параметров ИЭ

Для ИЭ практически всегда n₁  = f(λ), поэтому на разных длинах волн dр изменяется даже при  θ = const и n2 ( λ ) = const.

Из соотношения: n′·sinφ′ = n′′·sinφ″ (где  φ′ - угол падения света, φ″ - угол преломления, n″ - показатель преломления оптически более плотной среды, n′- показатель преломления оптически менее плотной) следует, что изменение n₁ с изменением  λ приведет к изменению  θ(λ). Причем при уменьшении n₁ увеличивается θ и наоборот, что и позволяет частично компенсировать изменение d_p при изменении  λ.

Ошибка, которая может возникнуть за счет разницы в зависимости n₁(λ) и θ(λ), рассчитывается для каждого конкретного случая. Мы провели расчет для наиболее распространенных материалов в ИК диапазоне (Ge, Si, стекол ИКС) и получили, что значения ошибок не превышают  ±5%.

При расчете ИЭ для разных n₁, согласно рис.5.2 имеем: n₀·sinφ = n₁·sinφ₁, φ = φ₁ + φ₂,  θ = 90º - φ₂. Если нужно найти  φ, то, зная  θ, из выражения  θ = 90º - φ₂ находим φ₂, а затем из оставшихся двух уравнений -  φ. Для элемента из Ge при n₁  = 4,0 и  θ = 45º, получим sinφ = 4sinφ₁,  φ =  φ₁  +  φ₂ =  φ₁ + 45º и sinφ = 4sin(φ - 45º), следовательно,  φ = 57º.

Если задана и величина  φ (например,  φ = 45º), тогда 0,71 =  4sinφ₁,  45º = 10º +  φ₂, так как  φ₁  = 10º, откуда  φ₂  = 35º и  θ = 55º.

В таблице 5.1 представлены расчетные значения параметров измерительных элементов, изготовленных из различных материалов.

Таблица 5.1

Материал измерительного Показатель

элемента преломления φ^о θ^о

Si 3.5 45 57

Оптическая керамика КО-2 2,5 45 61

Инфракрасное стекло ИКС-24 2,4 45 62

Инфракрасное стекло ИКС-25 2,8 45 60