Многопроходные или длинные абсорбционные ячейки обычно используются в спектроскопии для измерения компонентов с низкой концентрацией или для наблюдения слабых спектров в газах или жидкостях. Начиная с 1930-х годов в этой области было сделано несколько важных достижений, и исследования в широком диапазоне приложений продолжаются по сей день.
Функциональный обзор [ править ]
Обычно целью этого типа кюветы для образца является повышение чувствительности обнаружения за счет увеличения общей длины оптического пути, который проходит через небольшой постоянный объем образца. В принципе, чем больше длина пути, тем выше чувствительность обнаружения. Фокусирующие зеркала должны использоваться для перенаправления луча в каждой точке отражения, в результате чего луч ограничивается заранее определенным пространством вдоль контролируемого пути, пока он не выйдет из оптического резонатора . Выходом ячейки является вход оптического детектора (специального типа преобразователя ), который обнаруживает определенные изменения свойств луча, происходящие во время взаимодействия с исследуемым образцом . Например, образец может поглощать энергиюот луча, что приводит к ослаблению выходного сигнала, которое обнаруживается преобразователем. Две обычные многопроходные клетки называются белой клеткой и клеткой Херриотта. Популярная в настоящее время и коммерчески используемая многопроходная ячейка, также известная, и круговая многопроходная ячейка широко используются в процессах обнаружения следовых газов, в экологических и промышленных процессах. [1]
Pfund Cell [ править ]
В конце 1930-х годов Август Пфунд использовал трехпроходную ячейку, подобную показанной выше, для атмосферных исследований. Ячейка, которая стала известна как ячейка Пфунда, построена с использованием двух идентичных сферических зеркал, каждое из которых имеет отверстие, тщательно выточенное в центре. Расстояние между зеркалами равно фокусному расстоянию зеркала. Источник входит через отверстие в любом зеркале, дважды перенаправляется в двух точках отражения, а затем выходит из ячейки через другое зеркало на третьем проходе. Ячейка Пфунда была одним из первых примеров этого типа спектроскопической техники и известна тем, что использовала несколько проходов.[2]
Белая ячейка [ править ]
.gif)
Белая клетка была впервые описана в 1942 году Джон У. Уайт в своей статье Длинные оптические тракты большой апертуры , [3] и значительное улучшение по сравнению с предыдущими длиной пути спектроскопических методов измерения. Белая ячейка построена с использованием трех сферических вогнутых зеркал с одинаковым радиусом кривизны. Зеркала разделены расстоянием, равным их радиусу кривизны. Анимация справа показывает белую ячейку, в которой луч дает восемь отражений.проходы или обходы. Количество перемещений можно довольно легко изменить, сделав небольшие корректировки поворота для M2 или M3; однако общее количество обходов всегда должно быть кратным четырем. Входящие и выходящие лучи не меняют своего положения при добавлении или удалении переходов, в то время как общее количество переходов может быть увеличено во много раз без изменения объема ячейки, и, следовательно, общая длина оптического пути может быть увеличена по сравнению с объемом тестируемого образца. Пятна от различных проходов могут перекрываться на зеркалах M2 и M3, но должны быть четкими на зеркале M1. Если входной луч сфокусирован в плоскости M1, то каждый проход туда и обратно также будет сфокусирован в этой плоскости. Чем точнее фокус, тем больше неперекрывающихся пятен может быть на M1 и, следовательно, тем выше максимальная длина пути.
В настоящее время белая клетка по-прежнему является наиболее часто используемой многопроходной клеткой и обеспечивает множество преимуществ. [4] Например,
- Количество обходов легко контролировать
- Это позволяет использовать высокую числовую апертуру
- Он достаточно стабилен (но не так стабилен, как ячейка Херриотта).
Доступны белые клетки с длиной пути от менее метра до многих сотен метров. [5]
Ячейка Херриотта [ править ]
Ячейка Херриотта впервые появилась в 1965 году, когда Дональд Р. Херриотт и Гарри Дж. Шульте опубликовали в Bell Laboratories свернутые оптические линии задержки . [6] Ячейка Херриотта состоит из двух противоположных сферических зеркал. В одном из зеркал вырезается отверстие, позволяющее входному и выходному лучам входить в полость и выходить из нее. В качестве альтернативы луч может выходить через отверстие в противоположном зеркале. Таким образом, ячейка Херриотта может поддерживать несколько источников света, обеспечивая несколько входных и выходных отверстий в любом из зеркал. В отличие от белой ячейки, количество обходов контролируется регулировкой расстояния D между двумя зеркалами. Эта ячейка также широко используется и имеет некоторые преимущества [4] над белой ячейкой:
- Он проще, чем Белая ячейка, с двумя зеркалами, которые легче позиционировать и которые менее восприимчивы к механическим повреждениям ячейки.
- Может быть стабильнее белой клетки
Однако ячейка Эррио не принимает лучи с высокой числовой апертурой. Кроме того, при необходимости большей длины пути необходимо использовать зеркала большего размера.
Круглые многопроходные клетки [ править ]
Другая категория многопроходных ячеек обычно называется ячейками с круговым многопроходным отражением. Впервые они были введены Томой и его сотрудниками в 1994 году. [7] Такие клетки основаны на круглом расположении зеркал. Луч входит в кювету под углом и распространяется по звездообразной схеме (см. Рисунок справа). Длину пути в круглых многопроходных ячейках можно изменять, регулируя угол падения луча. Преимущество заключается в их устойчивости к механическим воздействиям, таким как вибрации или перепады температуры. Кроме того, круглые многопроходные ячейки выделяются из-за небольшого объема обнаружения, который они обеспечивают. [8] Стабильное распространение луча достигается за счет формирования отдельных точек отражения в виде неконцентрических зеркал. [9][10]
В особом случае используется круглое зеркало, позволяющее плавно регулировать угол падения. Недостатком этой круглой конфигурации ячейки является присущее ей концентрическое расположение зеркал, которое приводит к несовершенному отображению после большого количества отражений.
См. Также [ править ]
- Лазерная абсорбционная спектрометрия
- Спектроскопия поглощения перестраиваемого диодного лазера
- Оптическая система
- Абсорбционная спектроскопия
- Инфракрасная спектроскопия
- Поглощение (оптика)
- Оптическая плотность
- Оптическая глубина
- Отражательная способность
Ссылки [ править ]
- ^ Белый; Титтель (2002). «Настраиваемая инфракрасная лазерная спектроскопия». Ежегодные доклады о прогрессе химии, раздел C . RSCPublishing. 98 : 219–272. DOI : 10.1039 / B111194A .
- ^ "ГАЗОВЫЕ ЯЧЕЙКИ ДЛИННОГО ПУТИ" .
- ^ Белый, Джон (1942). «Длинные оптические пути большой апертуры». Журнал Оптического общества Америки . 32 (5): 285. Bibcode : 1942JOSA ... 32..285W . DOI : 10,1364 / josa.32.000285 .
- ^ a b Роберт, Клод (2007). «Простая, стабильная и компактная оптическая ячейка с множественным отражением для очень длинных оптических путей». Прикладная оптика . 46 (22): 5408–5418. Bibcode : 2007ApOpt..46.5408R . DOI : 10,1364 / AO.46.005408 . PMID 17676157 .
- ^ Джон М. Чалмерс (1999). «Глава 4: Средняя инфракрасная спектроскопия» . Спектроскопия в технологическом анализе . CRC Press LLC. п. 117. ISBN 1-84127-040-7.
- ^ Херриотт, Дональд; Шульте, Гарри (1965). «Складчатые оптические линии задержки». Прикладная оптика . 4 (8): 883–891. Bibcode : 1965ApOpt ... 4..883H . DOI : 10,1364 / AO.4.000883 .
- ^ Тома (1994). «Ячейка многократного отражения, подходящая для измерения поглощения в ударных трубах». Ударные волны . 4 (1): 51. Bibcode : 1994ShWav ... 4 ... 51T . DOI : 10.1007 / bf01414633 . S2CID 122233071 .
- ^ Tuzson, Бел (2013). «Компактная многопроходная оптическая ячейка для лазерной спектроскопии». Письма об оптике . 38 (3): 257–9. Bibcode : 2013OptL ... 38..257T . DOI : 10.1364 / ol.38.000257 . PMID 23381403 .
- ^ Граф, Мануэль (2018). «Компактная, круглая и оптически устойчивая многопроходная кювета для мобильной лазерной абсорбционной спектроскопии» . Письма об оптике . 43 (11): 2434–2437. DOI : 10.1364 / OL.43.002434 . PMID 29856397 .
- ^ «IRcell-S - многопроходная ячейка без маски поглощения» . Быстрые, широкополосные спектрометры с двумя гребенчатыми гребенками и высоким разрешением - IRsweep . 2019-12-10 . Проверено 5 октября 2020 .
