double arrow

Фазовый способ анализа измеряемого вещества


 

Фазовый способ строится на сохранении ПВО луча в ИЭ при контакте с образцом и связан с анализом состояния поляризации излучения.

Известно, что размер сдвига фаз у поляризованной электромагнитной волны, распространяющейся в прямоугольном световоде из-за скачкообразного изменения фазы параллельной и перпендикулярной составляющих вектора напряженности электрического поля на границе раздела" внешняя среда - световод" различен для каждой составляющей и зависит от разности показателей преломления окружающей среды и световода, от угла падения луча на границу световода:

 

 

q = 2arctg{[sin²θ - (n2 /n1)²]¹/² /cosθ},

(7.1)

q׀׀ = 2arctg{[sin²θ - (n2 /n1)²]/[(n2 /n1)cos²θ],

 

 

где q, q׀׀ - сдвиг фазы для параллельной и перпендикулярной составляющих, соответственно, при однократном отражении от границы раздела " световод - окружающая среда",

θ - угол падения света на границу раздела сред,

n1 - показатель преломления материала световода,

n2 - показатель преломления окружающей среды.

Т.к. ИЭ представляет один из вариантов прямоугольного световода, поэтому приведенные выражения справедливы и в нашем случае. Если изучаемый объект отсутствует, то на всей поверхности ИЭ будем, например, считать, что n2 = nвоздуха , поэтому результирующая разность фаз для многократного ПВО луча от границы раздела сред остается постоянной и ее значение соответствует нулевой площади заполнения рабочих поверхностей ИЭ. При наличии объекта анализа на рабочей поверхности ИЭ изменяется показатель преломления на участках контакта элемента с образцом (n2 = nобразец ). При этом изменяется сдвиг фазы каждой из составляющих электрического вектора и соответственно их разность, которая и является мерой заполнения рабочей поверхности ИЭ образцом.

Определение сдвига фаз каждой составляющей на выходе световода и их разности осуществляется с помощью обработки результатов измерения параметров Стокса поляризованного излучения.

Поскольку устройства для определения этих параметров, достаточно сложны и дороги для использования в повседневной практике, предлагаем другой способ получения информации об интересующих нас параметрах.

Итак, информация о заполнении рабочей поверхности ИЭ объектом присутствует в разности фаз каждой из составляющих электрического вектора. На выходе ИЭ в этом случае присутствует эллиптически поляризованый световой поток. Существует несколько схем измерения разности фаз. Одна из самых точных требует использования в схеме измерения компенсатора - устройства, преобразующего сдвиг фаз между необыкновенным и обыкновенным лучами в величину, равную 90º. Тогда поворотом анализатора (поляризатора) достигают эллиптической поляризации на выходе компенсатора, при которой после взаимодействия с веществом свет становится линейно поляризованным. В этом случае путем соответствующего поворота анализатора можно "погасить" свет и на выходе устройства (на фотоприемнике) наблюдается нулевая (или минимальная) интенсивность излучения.




На ИЭ подается линейно поляризованный свет с такой ориентацией плоскости поляризации, при которой после многократного отражения от рабочих поверхностей ИЭ свет становится эллиптически поляризованным так, что, пройдя компенсатор, имеет линейную поляризацию. Тогда отраженное излучение может быть погашено путем поворота анализатора и с помощью фотоприемника определяют положения анализатора и поляризатора, приводящие к минимуму интенсивности света на выходе, и по их углам поворота можно определить заполнение рабочей поверхности ИЭ.

Чтобы упростить измерения в качестве компенсатора предлагаем использовать сам ИЭ. В качестве ИЭ был использован элемент МНПВО с переменным углом падения, где входом служит призма однократного отражения. При изменении угла падения света на ИЭ число отражений от рабочих поверхностей будет различным, т.е. N зависит от θ и геометрии ИЭ (его длины и толщины).

Следовательно, для некоторого угла θ разность фаз на выходе может быть такой, что при неподвижном анализаторе свет станет линейно поляризованным и погасится при определенной настройке анализатора. Тогда при изменении количества измеряемого вещества, т.е. при различном заполнении рабочей поверхности ИЭ, свет на выходе будет линейно поляризованным при другом значении угла падения θ, при котором свет будет погашен. Это означает, что информация о заполнении веществом рабочей поверхности преобразуется из разности фаз в угловую зависимость, легко измеряемую. Информацию можно преобразовать и во временной интервал, измеряемый с помощью электронных схем.



Принципиальная проверка предлагаемого метода в лабораторных условиях реализована с использован ИК спектрофотометра ИКС-29 совместно с приставкой НПВО-1, в которой использование ее стандартных элементов затруднительно, т.к. при измерении малых концентраций вещества недостаточно одного отражения; материалы ИКС-24, ИКС-25, из которых изготовлены стандартные элементы, хрупки и требуют осторожного обращения, а КРС-5 и КРС-6 легко подвержены механическим повреждениям (они "мягки") и не очень устойчивы к водным средам.

Был выбран материал КО-2, устойчивый к агрессивным средам, очень прочный, имеющий широкий спектральный диапазон и достаточно низкий ПП (что очень важно). Его параметры близки к характеристикам материала "Иртран-2". Из КО-2 был изготовлен ИЭ МНПВО двойного прохождения с переменным углом падения: длина l = 50 мм, толщина t = 2 мм, число отражений N = 50 (при θ = 45º).

Известно, что N = (2l /t)ctgθ, откуда следует, что изменение угла падения θ приводит к изменению N. Изготовленный ИЭ был использован в приставке НПВО-1, позволяющей менять θ от 20º до 60º.

Чтобы легко было контролировать площадь заполнения рабочей поверхности ИЭ, в качестве образца была использована вода. Для определения диапазона изменения углов падения найдем критические углы падения света для двух сред - воздуха и воды: θкр = arcsin(n2 /n1); для воздуха θ = 27º, для воды θ = 37º. Это означает, что для данного ИЭ угол падения не следует брать меньше 40º.

Далее воспользуемся выражениями (7.1) и определим разность сдвига фаз при числе отражений N для θ = 40º и 45º. Такие вычисления выполняются отдельно для воздушной и водной сред, которые являются двумя крайними случаями, все остальные - промежуточные. Так, если анализатор повернуть на 90º по отношению к случаю воздушной среды при θ = 45º, то останется только проверить, сместится ли анализатор на 90º для какого-либо угла в пределах 40º ÷ 45º в случае водной среды, в чем легко убедиться, используя приведенные выражения.

В заключение данного раздела приводим методику расчета компенсатора (который в нашем случае является одновременно и ИЭ).

Компенсатор должен перевести эллиптически поляризованный свет в линейно поляризованный, чтобы потом с помощью анализатора "пронаблюдать" минимальную интенсивность излучения.

Для этого необходимо, чтобы возникшая разность фаз между параллельной и перпендикулярной составляющими электрического вектора в измерительном элементе при конкретном уровне рабочей среды была компенсирована компенсатором, т.е. разность фаз между этими составляющими стала бы равной нулю.

При разном заполнении рабочей поверхности ИЭ эта разность фаз также станет различной. Поэтому, изменяя угол падения на компенсатор, можно получить нулевую разность фаз либо при различных углах θ, либо при различных отражениях от границы раздела двух сред в компенсаторе, т.е. в разное время для разных заполнений рабочей поверхности. Именно это и нужно рассчитать (составить таблицу), изменяя разность фаз между составляющими компонентами поляризованного излучения в зависимости от угла падения светового потока θ и числа отражений N.

Расчет осуществляется по формулам (7.1).

Окружающая среда - воздух, поэтому n2 = 1,0. Выбираем в качестве материала компенсатора кварц с показателем преломления n1 = 1,46. Определим критический угол падения светового потока θкр = arcsin(n2 /n1) = 43,23º. Это означает, что модуляцию компенсатора следует осуществлять в пределах от 43º до 90º, т.е. в областях θ > θкр.

Рассчитанные данные занесем в таблицу 7.1.

Таблица 7.1

___________________________________________________________

θ° | 45 50 55 60 65 70 75 80 85

__ |________________________________________________________

q1 | 22,6 55,2 75,9 92,7 108,9 123,7 138,2 152,4 166,2

__ |________________________________________________________

q2 |10,08 45,15 83,88 117,47 141,86 158,19 168,76 175,30 178,86

__ |_______________________________________________________

 

Определив из таблицы разность фаз, найдем количество отражений, которое необходимо, чтобы эта разность фаз стала равной нулю.

Проведем расчет компенсатора с переменным углом падения. Для получения параллельного пучка внутри полуцилиндра световой поток фокусируют перед криволинейной поверхностью полуцилиндра на расстоянии d от нее: d = r/(n1 -1), где r - радиус полуцилиндра, а n1 - показатель преломления материала. Выбрали n1 =1,46.

Если принять r = 10 мм, то d = 10 /0,46 = 21,7 мм. Т.к. нам известно число отражений N, то из выражения 2N = (l/t)ctgθ найдем параметры компенсатора: задаемся t = 4 мм, тогда l = (2Nt)/ctgθ.

Эта величина находится для максимального значения N. Предлагаем еще один вариант проверки работоспособности предложенного метода. Для реализации данного измерения мы воспользовались ИЭ НПВО и МНПВО, изготовленными из стекол типа ИКС, из германия, кремния, КРС-5, КРС-6. Был использован отечественный спектрофотометр ИКС-29, а также пленочные металлизированные поляризаторы на полиэтилене и фторопласте.

Азимут поляризации выбран 45º. Перо самописца регистрирует степень прохождения светового потока через измерительную систему. Как известно, при ПВО между ортогональными составляющими плоскополяризованного света возникает разность фаз. Как следствие этого - переход от линейно поляризованного светового потока к эллиптической поляризации. Если в этом случае из системы устранить компенсатор, то при вращении анализатора под любым углом на его выходе, а, следовательно, на выходе фотоприемника сигнал будет присутствовать всегда, хотя и разной интенсивности. Т.о., с помощью анализатора, представляющего собой поляризатор (для получения линейно-поляризованного светового потока), нельзя полностью погасить интенсивность светового потока. Следовательно, самописец всегда будет регистрировать прохождение света, хотя и различной степени. Самописец может зарегистрировать отсутствие на выходе фотоприемника светового потока только в том случае, когда эллиптически поляризованный свет будет переведен в линейно-поляризованный. Тогда с помощью соответствующего поворота анализатора можно погасить практически полностью световой поток. В этом случае остаточный световой поток будет определяться только тем, что поляризатор и анализатор - не идеальны, т.е. степень поляризации не 100%, а ниже. Отметим, что необходимо сохранить фокусировку светового луча на входной щели монохроматора. Желательно предусмотреть возможность поворота компенсатора, т.е. менять угол падения светового потока, что изменяет сдвиг фаз между ортогональными составляющими плоско-поляризованного света.

 

* * *

В данной главе решалась одна из важнейших задач - определение количества вещества (многокомпонентная гетерогенная непрозрачная среда, например, интактные клетки), прореагировавшего с электромагнитным излучением. Решение этой проблемы дает возможность перейти к решению следующего круга вопросов, связанных с количественным анализом параметров таких систем.

Заказать ✍️ написание учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Сейчас читают про:
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7