Исследование спектрофотометра ультрафиолетовой области длин волн для анализа спектров пропускания дисперсных сред

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 535.345.1

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРА УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ ДЛИН ВОЛН ДЛЯ АНАЛИЗА СПЕКТРОВ ПРОПУСКАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

Е.Е. Майоров, А.Ч. Машек, Г.А. Цыганкова, Е.А. Писарева

Проведено исследование спектрофотометра ультрафиолетовой области длин волн для определения спектров пропускания дисперсных сред. Отработана технология юстировки и настройки прибора. Получены данные отношения уровней «сигнала/шум» (уровень 100 %/уровень 0 %), которые вполне соответствуют метрологическим требованиям для поставленной задачи исследования ультрафиолетовых спектров пропускания в дисперсных средах. Представлена калибровочная зависимость по длинам волн и показано, что погрешность калибровки во всем рабочем спектральном диапазоне была не хуже 2 нм. Проведена оценка спектрального разрешения прибора по дуплетным линиям на X = 302,2 нм и составила порядка ЗА = 5 нм. Получены фотометрические погрешности для шкалы пропускания ультрафиолетового стекла ЗТ = 5 % и белого стекла ЗТ = 7 %. Приведены основные технико-эксплуатационные характеристики спектрофотометра ультрафиолетовой области длин волн.

Ключевые слова: юстировка, спектр пропускания, спектральное разрешение, длина волны, полихроматор, спектрофотометр.

Развитие высокотехнологичных способов производства с необходимостью обусловливает совершенствование методов и средств научной базы экспериментальных исследований. Важное место в решении указанной задачи занимают методы оптического контроля. Эти методы отличает, прежде всего, отсутствие материальных контактов с предметом исследования, а, следовательно, возможность достижения наиболее достоверных результатов эксперимента.

В этой области наиболее универсальными методами исследований являются спектральные методы. Эти методы позволяют решать такую задачу, как исследование твердофазных и жидкофазных сред (дисперсных сред). Спектроскопия является высокоинформативным и высокоточным

357

инструментом получения данных. Уникальность спектральных методов обусловлена их возможностями [1 - 4]. Эти методы позволяют проводить исследования:

- статических и динамических процессов;

- не предъявляют требований к качеству контролируемой среды;

- позволяют производить сравнительный анализ спектров различных сред;

- позволяют получать информацию об исследуемом процессе как в количественном, так и качественном аспектах.

Спектральные методы и средства контроля дисперсных сред и работа соответствующих приборов основаны на анализе светового излучения, проведшего через среду или поглощенного в этой среде (спектры пропускания, спектры поглощения) [5 - 7]. Анализ литературных данных показал, что наиболее перспективными в этом классе приборов являются спектральные приборы и системы, в которых используются ультрафиолетовые источники излучения [9 - 13]. Это направление в оптическом приборостроении представляет огромный интерес и интенсивно развивается.

Поэтому исследование спектрофотометра ультрафиолетовой области длин волн для анализа спектров пропускания дисперсных сред является актуальной задачей.

Для контроля спектров пропускания дисперсных сред в ультрафиолетовом области спектра был исследован спектрофотометр, работающий в диапазоне длин волн X = 200...410 нм. Внешний вид этого прибора показан на рис. 1 .

Рис. 1. Внешний вид прибора

358

В состав спектрофотометра входят (рис. 1) осветитель, включающий кюветную камеру, узел спектроанализатора, на основе поли-хроматора, электронная система сбора, обработки и вывода данных измерений.

В составе осветителя используется дейтериевая лампа ДДС - 30 со стандартным блоком питания (или ртутно-гелиевая лампа ДРГС - 12 при калибровке шкалы длин волн), излучение от которой через двухлинзовый кварцевый конденсор (кварцевое стекло КУ - 1) и кварцевую жидкостную кювету с исследуемой пробой передается на входную щель полихромато-ра. Входная щель полихроматора представляет собой отверстие диаметром 0,3мм. Использовались стандартные кюветы с длиной прохода 2 или 10 мм, или же специально разработанная кювета с длиной прохода 0.5 мм с оптическими окнами из лейкосапфира. Последняя кювета устанавливалась непосредственно после излучателя в "широком" пучке излучения, что позволяло снизить систематическую погрешность измерений пропускания из-за рефракции света в заполненной кювете, которая располагается в сходящихся пучках вблизи входной щели полихроматора.

Помимо кювет для исследования прозрачности дисперсных сред прибор обеспечивал возможность измерения коэффициента пропускания также и в твердотельных образцах с геометрическими размерами рабочей поверхности до 30х30 мм или ее диаметром в круглых образцах до 42 мм и толщиной до 4 мм. В полихроматоре спектрометра использовалась классическая вогнутая нарезная дифракционная решетка с радиусом кривизны г = 62,5 мм и постоянной 600 шт./мм. Спектр формировался на круге Роуланда (диаметр 130 мм) и регистрировался прибором с зарядовой связью (ПЗС -линейкой). Электронная система сбора и обработки данных, а также прилагаемое программное обеспечение позволяло выводить результаты измерений в виде графиков, числовых массивов, производить хранение и распечатку данных.

В ходе проводимого исследования предполагалась отработка технологии юстировки и настройки прибора, а также лабораторной проверки его технико-эксплуатационных характеристик (калибровки по шкале длин волн; спектрального разрешения, линейности шкалы пропускания).

Юстировка оптической системы спектрофотометра осуществлялась в два этапа. На первом этапе использовалась ртутно-гелиевая лампа ДРГС - 12; на этом этапе была обеспечена наблюдаемая визуально наилучшая резкость характерной фиолетовой линии излучения ртутного спектра на X = 405 нм с ее установкой вблизи длинноволнового края диапазона измерений на фоточувствительном слое ПЗС - линейки. На втором этапе юстировки применялась дейтериевая лампа ДДС - 30 на предмет обеспечения наибольшего уровня выходного сигнала при свободном оптическом тракте

в осветителе. Уровень этого сигнала в шестнадцатиразрядном аналого-цифровом преобразователе (АЦП) практически наложен на ось абсцисс графика и приведен на рис. 2.

170 200 230 260 290 320 350 380 410

X, нм

Рис. 2. Сигнал АЦП по уровню темнового тока ПЗС - линейки

Как видно из рис. 2, на коротковолновой границе рабочего спектрального диапазона имеет место более чем четырехкратное снижение сигнала АЦП для уровня 100 %, связано это как с уменьшением светоотдачи излучателя (ДДС - 30), так и со снижением чувствительности используемой ПЗС-линейки. В той же области имеет место возрастание "темнового" уровня сигнала АЦП. Это может быть сопоставлено с влиянием "внешних" засветок, выявляемых при высокой чувствительности ПЗС-фотодетектора даже при использовании двойного корпусирования поли-хроматора прибора.

Определить уровень рассеянного света в открытом оптическом канале измерений здесь не представлялось возможным.

Тем не менее, исходя из данных рис. 2, можно считать, что имеющееся отношение уровней "сигнал" / "шум" (уровень 100 % / уровень 0 %) вполне соответствует метрологическим требованиям для поставленной задачи исследования ультрафиолетовой области длин волн для анализа спектров пропускания дисперсных сред.

По завершении второго этапа юстировки с использованием лампы ДДС - 30 производилось уточнение калибровки шкалы длин волн спектрофотометра по характеристическим линиям излучения лампы ДРГС - 12, устанавливаемой повторно в осветитель прибора. Результаты измерений ртутно-гелиевого спектра представлены на рис. 3, на поле которого даны положения наблюдаемых соответствующими нормируемыми значениями длин волн.

Рис. 3. Спектры излученияртутно-гелиевой лампы ДРГС-12

Как видно, шкала длин волн имеет систематический сдвиг в коротковолновую часть спектра приблизительно на 15 нм, который можно скорректировать специализированной программой обработки спектров [10 -13]. Откорректированная калибровочная зависимость по длинам волн имеет линейный характер, использованное для вывода данных по шкале длин волн выражение приведено на поле рис. 4. Погрешность калибровки по длинам волн была не хуже 2 нм во всем рабочем спектральном диапазоне (рис. 5), что вполне удовлетворяло требованиям данного исследования.

Рис. 4. Сопоставление спектрального положения нормируемых и наблюдаемых линий спектра излучения лампы ДРГС -12: точки - эксперимент, сплошная линия - результат линейной аппроксимации

Рис. 5. Погрешность линейной аппроксимации калибровки шкалы

длин волн

361

Спектральное разрешение прибора оценивалось по дуплетным линиям на X = 302,2 нм и составило на уровне 5А, < 5 нм, что также оценивалось как удовлетворительный результат для ожидаемого монотонного характера ультрафиолетового спектрального пропускания в исследуемых дисперсных средах [11 - 13].

Для определения фотометрической погрешности шкалы пропускания были сопоставлены результаты измерений спектров пропускания ультрафиолетовых стёкол серии УФС и белых стёкол серии БС, охватывающих диапазон по коэффициенту пропускания Т = 0.. .90 %, с результатами расчетов тех же спектров по правилам [13] (рис. 6).

Анализ приведенных данных (рис. 6) показал, что фотометрическая погрешность для шкалы пропускания составляла до 5Т = 5 % для стекол серии УФС и до 5Т = 7 % для стекол серии БС, что для последних может отчасти быть вызвано их старением. Использованные образцы стекол БС были каталогизированы в 1961 г. с применением доступных в то время спектрофотометрических методов и средств [8, 13]. На поверхности всех использованных образцов стекла БС отчетливо наблюдался визуально поверхностный рассеивающий слой, который снижает прозрачность объекта в сравнении с расчетными величинами на рис. 6, б.

100

* УФС 1

Т, 96 50

а

Рис. 6. Спектральное пропускание (начало): а - ультрафиолетовых стекол серий УФС

362

260 280 300 320 340 360 380

X, нм

б

Рис. 6. Спектральное пропускание (окончание): б - белых стекол серий БС

В заключение, обобщая представленные выше результаты, приведем основные технико-эксплуатационные характеристики ультрафиолетового спектрофотометра:

- рабочий спектральный диапазон 200... 400 нм;

- предел спектрального разрешения не хуже 5 нм;

- погрешность калибровки шкалы длин волн не хуже 2 нм;

- погрешность измерения коэффициента пропускания не хуже 5 %;

- время регистрации одного спектра 25 мс;

- питание от сети 220 В 50 Гц;

- передача данных через порт RS 232;

- габаритные размеры 700х250х180 мм.

Список литературы

1. Малышев В.И. Исследование водородной связи спектроскопическими методами // Успехи физических наук. 1957. Т. 63. Вып. №2. С. 323 -353.

2. Соотношения Крамерса - Кронига для молекулярных спектров жидкостей и растворов / Л.И. Альперович, Н.Г. Бахшиев, Ю.Е. Забиякин, В. С. Либов // Оптика и спектроскопия. 1968. Т. 24. С. 60 - 63.

3. Pawan K. Agrawal. NMR Spectroscopy in the structural elucidation of oligosaccharides and glycosides // The International Journal of Plant Biochemistry. 1992 Vol. 31. Iss. 10. P. 3307 - 3330.

4. Пентин Ю.А., Вилков JI.B. Физические методы исследования в химии. М.: Мир, 2006. 683 с.

5. Optical absorption measurements and quantum-chemical simulations of optical properties of novel fluoro derivatives of pyrazoloquinoline / M.G. Brik, W. Kuznik, E. Gondek, I.V. Kityk, T.P. Uchacz Szlachcic, B. Jarosz, K.J. Plucinski // Chemical Physics. 2010. Vol. 370. Iss. 1 - 3. P. 194 - 200.

6. J Theoretical study of nonlinear optical properties of oxocarbon derivatives / G.M.A. Junqueira, M.S. Faria, A.M. Da Silva Jr., H.F. Dos Santos // International Journal of Quantum Chemistry. 2010. Vol. 110. Iss. 3. P. 489 -497.

7. Rezac Jan, Hobza Pavel. Advanced corrections of hydrogen bonding and dispersion for semiempirical quantum mechanical methods // Journal of Chemical Theory and Computation. 2011. Vol. 8. Iss. 1. P. 141 - 151.

8. Петровский Г.Т. Цветное оптическое стекло и особые стекла: каталог. М.: Дом оптики, 1990. 228 с.

9. Оптические свойства растворов черных щелоков и рефрактометрические средства контроля концентрации сухого остатка в сульфатном производстве целлюлозы / Н.П. Белов, С.Н. Лапшов, Е.Е. Майоров, А.С. Шерстобитова, А.Д. Яськов // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79. № 3. С. 514 - 516.

10. Майоров Е.Е. Исследование оптических свойств жидкофазных сред на основе гликолей // Научное обозрение. 2013. №4. С. 166 - 176.

11. Оптические свойства зеленых щелоков и применение промышленной рефрактометрии для контроля их состава при производстве сульфатной целлюлозы / Н.П. Белов, С.Н. Лапшов, Е.Е. Майоров, А.С. Шерстобитова, А.Д. Яськов // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 1. С. 60 - 65.

12. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л.А. Исследование ультрафиолетового спектрофотометра (X = 200...400 нм) и его компонентов // Приборы. 2014. №2 (164). С. 10 - 15.

13. Разработка лабораторного спектрофотометра видимой области спектра для контроля жидкофазных сред / Е.Е. Майоров, А.Ч. Машек, Г. А. Цыганкова, А.Г. Хайдаров, В.К. Абрамян, Ю.Е. Зайцев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2016. №8. С. 42 - 46.

Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой, majorov ee a mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,

Машек Александр Чеславович, преподаватель, mashek50amail.ru, Россия, Пушкин, Военно-морской политехнический институт,

Цыганкова Галина Александровна, канд. физ.-мат. наук, доцент, galusinka@mail.ru, Россия, Пушкин, Военно-морской политехнический институт,

Писарева Елена Алексеевна, старший преподаватель, episarevaa icloud.com, Россия, Санкт-Петербург, Михайловская военная артиллерийская академия

364

THE STUDY SPECTROPHOTOMETER THE ULTRAVIOLET REGION OF WAVELENGTHS FOR THE ANALYSIS OF TRANSMISSION SPECTRUM

OF DISPERSION MEDIUM

E. E. Maiorov, A. C. Mashek, G. A. Tsygankova, E. A. Pisareva

In the present article a study of spectrophotometer the ultraviolet region of wavelengths to determine the transmission spectrum of dispersion medium was conducted. Technology alignment and device settings were worked . The data the ratio of the levels of "sig-nal"/"noise" (100 % / 0%), which is consistent with the metrological requirements for the tasks of the study of ultraviolet spectra in dispersive media were obtained. The calibration dependence of the wavelength and it is shown that the accuracy of calibration over the entire operating spectral range was better than 2 nm were presented. The estimation of the spectral resolution of the instrument at doublenum lines at X = 302,2 nm was of the order of SX = 5 nm was conducted. The obtained photometric error for scale transmittance: ultraviolet glass ST = 5 % and white glass ST = 7 % were obtained. The main technical and operational characteristics of the spectrophotometer the ultraviolet region of wavelengths were presented.

Key words: adjustment, transmittance spectrum, spectral resolution, wavelength, po-larimeter, spectrophotometer.

Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate. of technical sciences, docent, head of chair, majorov_ee@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the Interparliamentary Assembly of EurAsEC,

Mashek Alexander Cheslavovich, teacher, mashek50@,mail. ru, Russia, Pushkin, Naval Polytechnic Institute,

Tsygankova Galina Aleksandrovna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, galusinka@,mail. ru, Russia, Pushkin, Naval Polytechnic Institute,

Pisareva Elena Alekseevna, senior teacher, episarevaaicloud.com, Russia, Saint-Petersburg, Mikhailovskaya Artillery Military Academy