устройство для оптической спектроскопии веществ

Формула изобретения

Устройство для оптической спектроскопии веществ, включающее источник оптического излучения, светофильтры, кювету для размещения исследуемого вещества, фотоэлектрический преобразователь и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что указанная кювета имеет сферические зеркальные внутренние стенки и в устройство дополнительно введены поляризационный фильтр оптического излучения, две призмы, с помощью одной из которых излучение сдвигается в объем кюветы с веществом, а с помощью другой выводится из объема кюветы, поглотитель оптического излучения, на который направляется излучение, выведенное из кюветы, верхний и нижний поляризационные электроды, соединенные с первым сумматором, соединенным с источником электрического напряжения, схема установки знака и величины постоянной составляющей тока возбуждения, подключенная ко второму сумматору, к которому подключены кольца Гельмгольца, два усилителя сигнала преобразователя с переменным коэффициентом усиления, первый из которых соединен с первым сумматором, а второй - со вторым сумматором, а также диафрагма, светофильтр и поляризационный фильтр рассеянного излучения, через которые и через объектив фотоэлектрического преобразователя рассеянное излучение попадает в плоскость фотоэлектрического преобразователя, перемещение которого осуществляется с помощью двигателя и передачи (например, ременной) между валом двигателя и осью перемещения фотоэлектрического преобразователя, на которой закреплен датчик угла поворота, соединенный с регистрирующим прибором, выполненным регистрирующе-управляющим, причем указанные кювета, призмы, поглотитель оптического излучения, поляризационные электроды, диафрагма, светофильтр, поляризационный фильтр, объектив указанного фотоэлектрического преобразователя и фотоэлектрический преобразователь помещены в термостатируемый объем, в котором с помощью нагревательно-охлаждающего элемента и термодатчика поддерживается заданная регистрирующе-управляющим устройством температура.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области физической оптики, в частности к устройствам для исследования свойств веществ оптическими методами, и может быть использовано для оптической спектроскопии веществ, имеющих обусловленную их структурными особенностями анизотропию исследуемых свойств.

Известно устройство для оптической спектроскопии материалов [1], содержащее источник оптического излучения, монохроматор в виде набора светофильтров, кювету для размещения исследуемого материала, фотоэлектрический преобразователь, усилитель и регистрирующий прибор. Недостатками указанного устройства являются наличие фонового излучения, возникающего при взаимодействии оптического излучения с материалом кюветы, и невозможность измерения анизотропии спектральных и поляризационных характеристик исследуемых веществ, обусловленной их структурными особенностями.

Известно также устройство для оптической спектроскопии материалов [2], содержащее источник оптического излучения, монохроматор в виде набора светофильтров, кювету для размещения исследуемого материала, фотоэлектрический преобразователь, размещенный в центре заглушенного основания кюветы перпендикулярно к потоку оптического излучения и открытому краю кюветы, усилитель и регистрирующий прибор, которое выбрано в качестве прототипа данного изобретения. Недостатками указанного устройства также являются невозможность измерения анизотропии спектральных и поляризационных характеристик исследуемых веществ, обусловленной их структурными особенностями в отсутствие систем, обеспечивающих наличие поляризующих электрических, а также магнитных полей в области расположения указанных веществ и в отсутствие системы термостатирования последних, что при наличии температурной зависимости исследуемых физических свойств изучаемых материалов делает невозможным получение объективных данных.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и создание устройства для оптической спектроскопии веществ, в том числе жидких, а также нестабильных молекулярных и(или) надмолекулярных образований, имеющих обусловленную структурными особенностями анизотропию исследуемых свойств и их температурную зависимость.

Указанная цель достигается в предлагаемом устройстве для оптической спектроскопии веществ за счет того, что в известном устройстве для оптической спектроскопии материалов, включающем источник оптического излучения, светофильтры, кювету для размещения исследуемого вещества, фотоэлектрический преобразователь и регистрирующий прибор, указанная кювета имеет сферические зеркальные внутренние стенки и в устройство дополнительно введены: поляризационный фильтр оптического излучения, две призмы, с помощью одной из которых излучение сдвигается в объем кюветы с веществом, а с помощью другой - выводится из объема кюветы, поглотитель оптического излучения, на который направляется излучение, выведенное из кюветы, верхний и нижний поляризационные электроды, соединенные с первым сумматором, соединенным с источником электрического напряжения, схема установки знака и величины постоянной составляющей тока возбуждения, подключенная ко второму сумматору, к которому подключены кольца Гельмгольца, два усилителя сигнала преобразователя с переменным коэффициентом усиления, первый из которых соединен с первым сумматором, а второй - со вторым сумматором, а также диафрагма, светофильтр и поляризационный фильтр рассеянного излучения, через которые и через объектив фотоэлектрического преобразователя рассеянное излучение попадает в плоскость фотоэлектрического преобразователя, перемещение которого осуществляется с помощью двигателя и передачи (например, ременной) между валом двигателя и осью перемещения фотоэлектрического преобразователя, на которой закреплен датчик угла поворота, соединенный с регистрирующим прибором, выполненным регистрирующе-управляющим, причем указанные кювета, призмы, поглотитель оптического излучения, поляризационные электроды, диафрагма, светофильтр, поляризационный фильтр, объектив указанного фотоэлектрического преобразователя и фотоэлектрический преобразователь помещены в термостатируемый объем, в котором с помощью нагревательно-охлаждающего элемента и термодатчика поддерживается заданная регистрирующе-управляющим устройством температура.

Сущность заявляемого изобретения изложена в описании.

На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого устройства для оптической спектроскопии веществ, где:

1 - кювета для размещения исследуемого вещества,

2 - призма а,

3 - призма б,

4 - источник оптического излучения,

5 - светофильтры и поляризационный фильтр оптического излучения,

6 - поглотитель оптического излучения,

7 - светофильтр рассеянного излучения, поляризационный фильтр рассеянного излучения и объектив фотоэлектрического преобразователя,

8 - диафрагма рассеянного излучения,

9 - фотоэлектрический преобразователь,

10 - ось перемещения фотоэлектрического преобразователя,

11 - датчик угла поворота,

12 - регистрирующее устройство,

13 - первый сумматор,

14 - верхний поляризационный электрод,

15 - нижний поляризационный электрод,

16 - двигатель,

17 - ременная передача,

18 - термостат,

19 - нагревательно-охлаждающий элемент,

20 - датчик температуры,

21 - второй усилитель,

22 - второй сумматор,

23 - схема установки знака и величины постоянной составляющей тока возбуждения,

24 - первый усилитель,

25 - источник электрического напряжения,

26 - кольца Гельмгольца.

На фиг.2 изображен пространственно-частотный спектр особо чистой воды, где радиальные оси представляют собой значения измеряемых частот, полярные оси представляют пространственные координаты - величины углов, на которых проводились измерения, а интенсивность черного цвета линейно связана с интенсивностью рассеянного на изучаемом веществе излучения.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). В термостатирующий объем 18, в котором, с помощью нагревательно-охлаждающего элемента 19 и термодатчика 20 поддерживается заданная устройством 12 температура, помещается кювета 1 с исследуемым веществом. Поток оптического излучения от источника излучения 4 поступает на светофильтры оптического излучения через его поляризационный фильтр 5, затем с помощью призмы 2 луч сдвигается в объем кюветы с веществом, проходит, частично рассеиваясь, сквозь вещество, затем с помощью призмы 3 луч выводится из объема кюветы и попадает в поглотитель света 6. Поглотитель света предназначен для предотвращения переотражений прошедшего сквозь кювету света от деталей устройства и попадания его в плоскость фотопреобразователя.

Рассеянный в разных направлениях веществом свет, отразившись от внутренних сферических зеркальных стенок кюветы 1, пройдя через диафрагму 8, светофильтр и поляризационный фильтр рассеянного излучения и объектив фотопреобразователя 7, попадает в плоскость фотопреобразователя 9. Выходной сигнал фотопреобразователя 9 регистрируется устройством 12 в процессе перемещения фотопреобразователя над кюветой по траектории, обозначенной в нижней части фиг.1 штриховой линией. Датчик угла поворота 11, закрепленный на оси 10 перемещения фотопреобразователя и соединенный с устройством 12, регистрирует текущее положение фотоприемника. Управление перемещением фотоприемника осуществляется с помощью двигателя 16 и, например, ременной передачи 17 движения от вала двигателя на ось перемещения фотопреобразователя 10.

В случае, если исследуемые свойства вещества зависят от степени его поляризации в электрическом поле, используются электроды 14 и 15, на которые от первого сумматора 13 подается необходимое напряжение поляризации, состоящее из постоянной составляющей, величина и знак которой задаются источником электрического напряжения 25, и переменной составляющей, представляющей собой сигнал фотоприемника, усиленный в необходимое количество раз первым усилителем. При необходимости усиления или ослабления уровня геомагнитного поля в исследуемом объеме, приложения слабого переменного магнитного поля в направлениях как параллельных, так и перпендикулярных вектору геомагнитного поля или стабилизации исследуемых молекулярных и (или) надмолекулярных образований по оси, перпендикулярной силовым линиям поляризующего электрического поля, используются кольца Гельмгольца 26, на которые с выхода второго сумматора 22 подается ток возбуждения, состоящий из постоянной составляющей, величина и знак которой задают схема установки знака и величины постоянной составляющей тока возбуждения 23, и переменной составляющей, представляющей собой сигнал фотоприемника, усиленный в необходимое количество раз вторым усилителем 21.

По результатам измерений с помощью устройства 12 строится пространственно-частотный спектр, подобный фиг.2, где радиальные оси представляют собой значения измеряемых частот, полярные оси представляют пространственные координаты - величины углов, на которых проводились измерения, а интенсивность черного цвета линейно связана с интенсивностью рассеянного на изучаемом веществе излучения.

Пример реализации предлагаемого изобретения.

Устройство для оптической спектроскопии веществ, предлагаемое в данном изобретении, было реализовано и его основные функции были опробованы в Научном центре прикладных исследований Объединенного института ядерных исследований при исследовании ряда веществ, в том числе жидких, в частности особо чистой воды, имеющей анизотропию слабо устойчивых надмолекулярных образований, один из пространственно-частотных спектров которой представлен на фиг.2, и таким образом работоспособность указанного устройства была подтверждена.

Литература

1. Шишловский А.А. «Прикладная физическая оптика», М.: Физматгиз, 1961, с.822.

2. Стреляный В.П., Стреляная В.В., Патент RU 2030732 С1.