18.3 Спектрометрические (волновые) принципы
Спектрометрические принципы основаны на избирательной способности различных веществ поглощать, излучать, отражать, рассеивать или преломлять различного рода излучения. Диапазон измерений 103 - 1018 Гц.
18.3.1 Электроакустический принцип
Принцип основан на различии в затухании или скорости распространения ультразвуковых колебаний в различных жидкостях и газах, применяется для анализа бинарных газовых и жидких смесей, также для измере-
ния влажности.
Приборы, в которых используется этот принцип, состоят из акустического или ультразвукового излучателя и приемника – преобразователя звуковых колебаний в электрические сигналы.
18.3.2 Радиоспектрометрические принципы
К ним относятся принципы ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), сверхвысокочастотная (СВЧ) и микроволновая спектрометрия.
Принцип ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на использовании магнитных свойств атомных ядер, большинство из которых обладает магнитным моментом. Взаимодействие магнитных моментов ядер с внешними магнитными моментами других частиц (ионы, атомы, электроды и др.) дает возможность определять структуру сложных соединений, а также проводить качественный и количественный анализ различных веществ.
Образец исследуемого вещества помещается в катушку датчика, находящегося в однородном магнитном поле. Измеряя частоту высокочастотного поля, при котором имеет место сигнал при известном значении магнитной индукции, можно производить качественный анализ многокомпонентных веществ, поскольку гиромагнитные отношения ядер различных элементов отличаются достаточно. ЯМР-спектр можно также получить, изменяя магнитную индукцию при постоянном значении частоты генератора.
Этим принципом можно определять состав ряда неорганических и органических веществ, содержащих водород, фтор, фосфор и другие элементы с погрешностью ± 1 %. Используется для получения информации о нефтеносности скважин путем обработки сигналов свободной ядерной прецессии в магнитном поле Земли от ядер водорода, входящих в состав пластовой жидкости [3]. Недостатками метода являются погрешности, связанные с трудным контролированием содержания жиров или других водородосодержащих веществ в жидкой фазе.
Принцип электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) является одним из наиболее чувствительных методов для анализа малых количеств парамагнитных веществ. Применяется для обнаружения и измерения концентрации ионов переходных элементов, примесей в полупроводниках, облученных кристаллов. Принцип аналогичен ЯМР. Погрешность 2 - 5 %.
Сверхвысокочастотная (СВЧ) спектрометрия применяется для измерения влажности в различных веществах. Измерение влажности осуществляется по ослаблению уровня или сдвигу фазы СВЧ - колебаний при их прохождении через исследуемое вещество. Достоинствами являются неограниченный верхний предел измерений, высокая чувствительность, относительно малое влияние неравномерного распределения влаги и электролитов, бесконтактный способ измерения. На результат измерения сильно влияют толщина и плотность исследуемого материала, температура.
Рис. 18.4. Структурная схема СВЧ-влагомера
На рис. 18.4 генератор СВЧ 4 с антенной 3 установлен на стойке, которая двигается вдоль шкалы. СВЧ - колебания излучаются антенной в пространство и, отражаясь от вибратора 1, улавливают ей же. Вибратор питается от генератора Г и колеблется со звуковой частотой, что приводит к модуляции СВЧ - колебаний, приходящих на антенну. На выходе возникает сигнал низкой частоты, подаваемый через усилитель У на фазочувствительный выпрямитель ФЧВ. Образец с неизвестной влажностью 2 устанавливают между вибратором и антенной. Перемещением стойки можно добиться первоначального уровня сигнала, а по шкале определить сдвиг фазы. Прибор градуируют с помощью стандартных образцов. В диапазоне измерений 1 - 30 % погрешность составляет 0,3 - 0,5 %.
Принцип микроволновой спектрометрии пригоден для анализа газов и основан на взаимодействии электрического дипольного момента молекул с электрическим полем, создаваемым генератором СВЧ, в результате чего происходит поглощение энергии от генератора, что обнаруживается детектором.