5.2.3. 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_p = λ₁ / [2π (sin²θ – n₂₁²)]^1/2, (5.19)

где n₂₁ = n₂ /n₁ – относительный показатель преломления;

n₁ – показатель преломления ИЭ 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. 5.7. 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 для предыдущих устройств). Параллельность рабочих поверхностей ИЭ оптической оси светового луча в кюветном отделении обеспечивает отсутствие смещения светового потока на входе ИЭ и на входе монохроматора.

Рассмотрим прохождение света через ИЭ, изображенный на рис. 5.8. 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 > θ_кр, то наблюдается явление ПВО, если среда за рабочей поверхностью обладает малым поглощением, или явление НПВО, если за этой поверхностью находится хорошо поглощающая среда.

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_р при изменении λ.

Рис. 5.7.	Рис. 5.8.

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. 5.8 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 + φ₁, так как φ₁ = 10º, откуда φ₂ = 35º и θ = 55º.

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

Табл. 5.1.

Характеристики измерительных элементов

Материал измерительного элемента	Показатель преломления	φ°	θ°
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