1. Источник инфракрасного излучения
Для генерации излучения в ИК-диапазоне используются следующие источники:
Силитовый стержень ("глобар") — штифт из карбида кремния, нагреваемый до температуры ~1300 °C. Максимум интенсивности излучения приходится на область ~5000 см⁻¹ (~2 мкм), однако в длинноволновой области интенсивность значительно снижается (например, на ~600 см⁻¹ она падает в 600 раз).
Штифт Нернста — стержень из оксидов редкоземельных элементов, также нагреваемый током.
Ртутная лампа высокого давления — используется в длинноволновой области ниже 200 см⁻¹. Ее излучение связано с тепловым излучением стенок и эмиссией ртутной дуги.
Источники излучения в длинноволновой области (400–200 см⁻¹) остаются слабым звеном, так как мощность теплового излучения здесь крайне низка. Например, дуговая лампа с общей мощностью 1 кВт генерирует только ~0.1 Вт в этой области.
Эти источники работают по принципу генерации теплового излучения, близкого к излучению абсолютно черного тела.
2. Монохроматор
Монохроматор отвечает за разделение полихроматического излучения на отдельные длины волн.
Диспергирующие элементы:
Призмы из прозрачных в ИК-области материалов: NaCl, KBr, LiF (для средней ИК-области), CsI (для длинноволновой области, 200–400 см⁻¹).
Дифракционные решетки (эшелетты), обеспечивающие высокую спектральную разрешающую способность.
Дисперсия материалов максимальна около длинноволнового предела их прозрачности и быстро падает в сторону коротких волн, поэтому для разных спектральных областей используются сменные призмы.
3. Оптическая система
Для направления и фокусировки излучения используются:
Зеркала с высоким коэффициентом отражения.
Линзы из материалов, прозрачных в ИК-области (например, из ZnSe, KBr, CaF₂).
4. Образец
Образец размещается на пути ИК-излучения и может находиться в различных состояниях:
Твердые вещества — таблетки с KBr, пасты или пленки.
Жидкости — кюветы с окнами из NaCl или KBr.
Газы — специальные кюветы с большим оптическим путем.
5. Приемники излучения
Для регистрации интенсивности излучения применяются:
Тепловые приемники:
Термопары (термостолбики).
Болометры, основанные на изменении сопротивления материала при нагреве.
Пневматические приемники (ячейка Голея): тепловое расширение газа в зачерненной камере вызывает движение гибкой стенки, фиксируемое фотоэлементом.
Квантовые (фотонные) приемники:
Основаны на фотопроводимости (например, детекторы на основе PbS, HgCdTe).
Используются преимущественно в длинноволновой ИК-области.
Принцип работы
Источник излучения генерирует полихроматическое ИК-излучение.
Излучение направляется на монохроматор, где выделяется определенная длина волны.
Монохроматическое излучение проходит через образец, где часть энергии поглощается.
Остаточное излучение фиксируется приемником.
Данные о поглощении анализируются и выводятся в виде спектра.
Классические ИК-спектрометры используют сканирующий принцип, однако современные Фурье-ИК-спектрометры (с интерферометром Майкельсона) значительно ускоряют процесс измерений.
ИК-спектрометр с фурье преобразованием
Интерферометр
Ключевой элемент современных спектрометров — интерферометр Майкельсона.
Принцип работы:
Входящий луч делится светоделительным зеркалом на два пучка.
Каждый пучок отражается от зеркал и возвращается к точке объединения.
Интерференционная картина, зависящая от изменения длины одного из плеч, позволяет анализировать длину волны излучения.
Этот метод основан на явлении интерференции когерентных волн.
Интерференция (физика) — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга.
Преимущества ИК-спектрометра с фурье преобразованием
1. Высокая точность определения волнового числа.
2. Преимущество пропускания - площадь круглой щели, значительно больше, чем у узкой щели дифракционных спектрометров, что позволяет получить на детекторе световые потоки большей мощности.
3. В процессе сканирования получается информация одновременно обо всем исследуемом спектральном диапазоне, а не как в обычном спектрометре в разные моменты времени получается информация только об узких спектральных полосах исследуемого диапазона, в следствии чего уменьшается время регистрации спектра.
4. Отсутствие ограничений в спектральном разрешении за счет размеров оптических элементов, в настоящее время производятся ИК Фурье спектрометры с разрешением до 0,002 см -1.