4.2.2. Приборы для молекулярной абсорбционной спектроскопии

Газы, молекулы которых состоят из одинаковых атомов (O₂, N₂ и т.д.), не поглощают электромагнитные волны ИК диапазона. Это объясняется тем, что такие молекулы имеют нулевой дипольный момент.

Простейший спектральный прибор изображен на рис. 33. Он включает: источник излучения ИИ, устройство для выделения излучения нужного интервала длин волн (монохроматор или светофильтр) Ф, кювету с исследуемой газовой смесью, преобразователь излучения в электрический сигнал (приемник излучения) ПИ, преобразователь сигнала ПС, индикатор сигнала И.

Работает прибор следующим образом. Источник излучения ИИ формирует поток лучей I₀(ν) широкого спектрального интервала. Устройство для выделения излучения Ф пропускает излучение I₀(ν_i) узкого спектрального интервала с частотой ν_i, которая совпадает с полосой поглощения излучения определяемым газом анализируемой газовой смеси. При наличии в смеси анализируемого газа часть излучения I₀(ν_i) будет поглощено. С выхода кюветы на вход приемника излучения ПИ поступит излучение I(ν_i), которое преобразуется в пропорциональное ему напряжение U_i. При условии поглощения излучения на частоте ν_i только определяемым газом смеси и постоянстве интенсивности излучения I₀(ν_i) во времени из выражения 23 концентрация определяемого газа C_i может быть определена как

, (24)

где U₀ – постоянное электрическое напряжение, пропорциональное интенсивности потока излучения I₀(ν_i).

Устройство для выделения излучения Ф может располагаться до или после кюветы, либо быть совмещено с источником излучения или приемником.

В качестве источников УФ излучения применяют газонаполненные лампы. Это газоразрядные трубки выполненные из кварцевого стекла. Они наполнены газом под высоким давлением. В зависимости от типа газа наиболее интенсивно излучение с определенной длиной волны.

В зависимости от способа выделения нужного интервала УФ длин волн различают два класса абсорбционных приборов: спектрофотометры и фотометры. В спектрофотометрах используют призмы и дифракционные решетки, а в фотометрах - светофильтры.

Предполагаемое при выводе выражения 24 условие I₀(ν_i) = const в реальности не выполняется из-за зависимости интенсивности излучения от температуры окружающего воздуха. Для устранения этой зависимости большинство спектроскопических приборов выполняются по двухканальной схеме, которая приведена на рис. 34.

В данной схеме измеряется разность коэффициентов пропускания излучения исследуемой смесью и смесью сравнения, пропорциональную концентрации анализируемого компонента. Оптическая плотность смеси сравнения принята за нуль. Кювету с исследуемой смесью называют рабочей, а со смесью сравнения - кюветой сравнения. Основные требования к этим кюветам - их идентичность и прозрачность в используемой спектральной области. Для работы в УФ- диапазоне длин волн обычно кюветы изготавливают из кварца.

В качестве приемников УФ излучений применяют Sb-Cs и O-Cs фотоэлементы, а также фотоэлектронные умножители.

Большинство газов наиболее сильно поглощают электромагнитные волны ИК диапазона. Структурная схема приборов для работы в ИК диапазоне идентична приведенной на рис. 34. Источниками ИК излучений являются разогреваемые электрическим током тела: спираль из нихрома, глобар и т.д. Используемые для выделения требуемого спектрального интервала дифракционные решетки, как правило, являются отражательными.

Приборы с газонаполненным приемником называют оптико-акустическими газоанализаторами. Схема прибора для измерения концентрации газа в смеси (газоанализатора) с оптико-акустическим приемником приведена на рис. 35.

Основа такого прибора - оптико-акустический приемник ПИ, представляющий собой две разделенные мембраной микрофона камеры, которые заполнены идентичным определяемому газом. Эти камеры снабжены прозрачными для ИК излучения окнами. В одно окно поступает излучение из рабочей кюветы I(ν_i), а в другое - из кюветы сравнения I⁰(ν_i). Причем эти излучения имеют импульсный характер, так как они периодически перекрываются механическим модулятором М. При отсутствии измеряемого газа в рабочей кювете потоки излучения в камерах идентичны. Поглощение излучения, а следовательно - разогрев и изменение давления газов в камерах приемника одинаков. Мембрана микрофона неподвижна. При попадании в рабочую кювету анализируемого газа равновесие нарушается. Микрофон начинает вырабатывать электрический сигнал U⁰_i - U_i. Этот сигнал через усилитель УС поступает на индикатор И.

Достоинством оптико-акустических газоанализаторов является их простота (не требуется светофильтр).

Для определения макроконцентраций газов возможно применение универсальных спектрофотометров [4], которые позволяют получить спектр поглощения излучения анализируемой смеси. Схема типового спектрофотометра представлена на рис. 36. Прибор содержит источник ИИ широкополосного излучения I₀(ν), которое поступает на призму ПР, осуществляющую разложение излучения на спектр. Излучение I₀(ν_i) требуемой частоты ν_i выделяется при помощи щелевой диафрагмы Щ. Изменение частоты ν_i производится путем изменения угла установки призмы ПР, либо перемещением щелевой диафрагмы Щ. Излучение узкого спектрального интервала I₀(ν_i) проходит через кювету с исследуемым образцом газовой смеси. С выхода кюветы не поглощенное исследуемой газовой смесью излучение I(ν_i) поступает на вход преобразователя излучения в электрический сигнал ПИ. Напряжение U_i с выхода ПИ передается на регистрирующий прибор РП. Спектр представляется в виде графика зависимости пропускания Т излучения через образец смеси от длины волны ν этого излучения.