Методы регистрации оптического поглощения

Полнота и качество информации, которые получают из спектров поглощения кристаллов зависят от аппаратурно-методического обеспечения их регистрации.

Существуют три основных метода регистрации спектров поглощения твердых тел: визуальный, фотографический и фотоэлектрический. В настоящее время последний метод наиболее распространен в лабораторной практике, т.к. позволяет автоматизировать измерения. С другой стороны сегодня не существует никакого другого способа кроме фотографического, который мог бы зарегистрировать сразу весь спектр в течение очень малых долей секунды.

Прибор для получения спектров поглощения носит название спетро-фотометр. Он состоит из следующих основных частей: источника света со сплошным спектром излучения; монохроматора; фотоприемника и регистрирующего устройства (Рис.2). Конкретные типы первых трех частей зависят от спектральной области исследований.

Монохроматор – это спектральный прибор выделяющий излучение в некотором узком интервале длин волн, который можно непрерывно перемещать по спектру. Монохроматоры бывают одинарными, двойными и тройными (очень редко). Конструктивно одинарный монохроматор состоит из диспергирующего элемента, входной и выходной щелей, коллиматоров и устройства для сканирования спектра. Двойной монохроматор представляет собой два одинарных монохроматора объединенных в один прибор. При этом выходная щель первого монохроматора является входной щелью второго монохроматора (Рис.3). В двойном монохроматоре свет получают большей спектральной чистоты, но коэффициент пропускания одинарного монохроматора достигает 45%, а двойного – не более 20%.

В зависимости от используемого диспергирующего элемента монохроматоры подразделяются на призменные, дифракционные и смешанные (призменно-дифракционные). В настоящее время приборы с линзовой оптикой и призмами постепенно вытесняются приборами с дифракционными решетками и зеркальными объективами. В основном это связано с большей светосилой таких приборов. Кроме того, их основные свойства (дисперсия и разрешающая способность) слабо зависят от длины волны, что позволяет использовать один прибор в очень широкой области спектра и упрощает градуировку таких приборов по длинам волн. К их недостаткам следует отнести необходимость исключения спектров других порядков кроме первого. Несмотря на перечисленные явные преимущества дифракционных приборов, призменные приборы пока широко распространены, особенно для видимой области спектра.

Очень важной частью любого спектрофотометра является фотоприемник – преобразователь световой энергии в электрический ток. От его выбора зависит спектральный диапазон и чувствительность спектрофотометра. Чаще всего применяют фотоприемники с внешним (фотоэлементы, фотоумножители) и внутренним (фотодиоды, фототриоды и фотосопротивления на основе кремния, германия, арсенида галия, селена и других полупроводниковых материалов) фотоэффектами. Чувствительность этих фотоприемников селективна (зависит от длины волны падающего света).

Усиление электрического сигнала на выходе фотоприемника ведется усилителями постоянного и переменного тока с предварительной модуляцией светового потока и последующим синхронным детектированием на частоте модуляции.

 

2.2. Основные типы спектрофотометров [7, 8].

В наиболее простых (однолучевых) спектрофотометрах поглощение измеряют в отдельных точках (длинах волн). Установку длины волны и отсчет величины поглощения производят вручную. При этом последовательно для каждой выбранной длины волны измеряют интенсивность света прошедшего через прибор до и после введения поглощающего слоя, т.е. измеряют J и J_о. По формулам (1.15) или (1.17) вычисляют D или Т, соответственно. В серийно выпускаемых оптико-механической промышленностью однолучевых спектрофотометрах вычисления указанных величин проводится автоматически для каждой выбранной длины волны. По полученным значениям спектр поглощения строят вручную. К таким приборам относятся спектрофотометры СФ-4А, СФ-5, СФ-16, СФ-26 и др.

В более совершенных (двулучевых) приборах автоматически измеряют отношение интенсивности двух пучков света, один из которых прошел через исследуемый объект, а другой через эталон сравнения (воздух, растворитель и др.). На выходе прибора получают спектральную кривую поглощения (пропускания), которая обычно регистрируется самопишущим потенциометром. К таким приборам относятся спектрофотометры СФ-8, СФ-14, СФ-18, Саry-14 и другие.

В настоящее время при широком внедрении вычислительной техники спектрофотометры, как правило, комплектуют внешним или встроенным компьютером и программным обеспечением, что существенно упрощает обработку спектров. К таким приборам можно отнести выпускаемые ЛОМО (Россия) спектрально-вычислительные комплексы КСВУ различных типов, спектрофотометры для ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областей (190-1100 нм) серии Specord (Германия), серии UV (Япония) и др.

Для расширения круга решаемых задач и объектов исследования спектрофотометры снабжают микроскопами для изучения микрообъектов (микроскопы-спектрофотометры МСФП-2У, МСФУЛ-312 и др.), приставками для съемки спектров диффузного и зеркального отражения, поляризаторами и криостатами. Глубокое охлаждение кристаллов (жидкий азот – 77^оК, жидкий водород – 20,4 ^оК и гелий – 4,2 ^оК) во многих случаях оказывается необходимым для выявления структуры электронных спектров, которая при обычной температуре размыта за счет колебаний решетки.

Большое значение имеют исследования спектров поглощения во внешних полях: магнитном (эффект Зеемана), электрическом (эффект Штарка), ориентированной упругой деформации (пьезоспектроскопический эффект). Это позволяет получать дополнительную информацию об энергетических состояниях кристалла