Многопроходные спектроскопические абсорбционные ячейки
Многопроходные или длиннолучевые 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 достигнуто несколько важных достижений, и исследования широкого спектра приложений продолжаются и по сей день.
Функциональный обзор
[ редактировать ]Обычно целью этого типа ячейки для проб является повышение чувствительности обнаружения за счет увеличения общей длины оптического пути, проходящего через небольшой постоянный объем пробы. В принципе, большая длина пути приводит к большей чувствительности обнаружения. Фокусирующие зеркала должны использоваться для перенаправления луча в каждой точке отражения, в результате чего луч ограничивается заранее определенным пространством по контролируемому пути до тех пор, пока он не выйдет из оптического резонатора . Выход ячейки является входом оптического детектора (специализированного типа преобразователя ), который улавливает специфические изменения свойств луча, возникающие при взаимодействии с исследуемым образцом . Например, образец может поглощать энергию луча, что приводит к ослаблению выходного сигнала, регистрируемому преобразователем. Две обычные многопроходные ячейки называются ячейкой Белого и ячейкой Херриотта. [1]
Фунтовая ячейка
[ редактировать ]В конце 1930-х годов Август Пфунд использовал трехпроходную ячейку, подобную показанной выше, для изучения атмосферы. Ячейка, которая стала известна как ячейка Пфунда, построена с использованием двух одинаковых сферических зеркал, каждое из которых имеет тщательно вырезанное в центре отверстие. Расстояние между зеркалами равно фокусному расстоянию зеркала. Источник входит из отверстия в любом зеркале, дважды перенаправляется в две точки отражения, а затем выходит из ячейки через другое зеркало на третьем проходе. Ячейка Пфунда была одним из самых ранних примеров такого типа спектроскопической техники и известна тем, что в ней использовалось несколько проходов. [2]
Белая клетка
[ редактировать ]
Белая клетка была впервые описана в 1942 году Джоном У. Уайтом в его статье « Длинные оптические пути большой апертуры» . [3] и представляло собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими методами спектроскопических измерений на большом расстоянии. Белая ячейка создается с использованием трех сферических вогнутых зеркал , имеющих одинаковый радиус кривизны. Зеркала расположены на расстоянии, равном их радиусам кривизны. Анимация справа показывает белую ячейку, в которой луч совершает восемь отражательных проходов. Количество проходов можно довольно легко изменить, внося небольшие изменения в поворот M2 или M3; однако общее количество обходов всегда должно быть кратно четырем. Входящие и выходящие лучи не меняют положения по мере добавления или удаления обходов, при этом общее количество обходов можно увеличить во много раз без изменения объема ячейки, в связи с чем общую длину оптического пути можно сделать большой по сравнению с объемом. испытуемого образца. Пятна от разных проходов могут перекрываться на зеркалах М2 и М3, но должны быть различимы на зеркале М1. Если входной луч сфокусирован в плоскости М1, то каждый обход также будет фокусироваться в этой плоскости. Чем плотнее фокус, тем больше непересекающихся пятен может быть на M1 и, следовательно, тем выше максимальная длина пути.
В настоящее время белая ячейка по-прежнему является наиболее часто используемой многопроходной ячейкой и обеспечивает множество преимуществ. [4] Например,
- Количество проходов легко контролируется.
- Это обеспечивает высокую числовую апертуру
- Она достаточно стабильна (но не так стабильна, как ячейка Херриотта).
Доступны белые ячейки с длиной пути от менее метра до многих сотен метров. [5]
Ячейка Херриотта
[ редактировать ]
Ячейка Херриотта впервые появилась в 1965 году, когда Дональд Р. Херриотт и Гарри Дж. Шульте опубликовали «Свернутые оптические линии задержки», находясь в Bell Laboratories . [6] Ячейка Эрриотта состоит из двух противоположных сферических зеркал. В одном из зеркал вырезается отверстие, позволяющее входным и выходным лучам входить в полость и выходить из нее. Альтернативно 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 ячейки Белого, количество проходов контролируется путем регулировки расстояния D между двумя зеркалами. Эта ячейка также широко используется и имеет некоторые преимущества. [4] над белой клеткой:
- Это проще, чем белая ячейка, только с двумя зеркалами, которые легче позиционировать и менее подвержены механическим нарушениям ячейки.
- Может быть более стабильным, чем белая клетка
Однако ячейка Эррио не принимает лучи с высокой числовой апертурой. Кроме того, если требуется большая длина пути, необходимо использовать зеркала большего размера.
Круглые многопроходные ячейки
[ редактировать ]
Другую категорию многопроходных ячеек обычно называют ячейками с круговым многопроходным отражением. Впервые они были представлены Томой и его коллегами в 1994 году. [7] Такие ячейки основаны на круглом расположении зеркал. Луч входит в ячейку 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 нагрузкам, таким как вибрации или изменения температуры. Кроме того, круглые многопроходные ячейки выделяются небольшими объемами обнаружения, которые они обеспечивают. [8] Стабильное распространение луча достигается за счет формирования отдельных точек отражения в виде неконцентрического расположения зеркал. [9] [10]
В частном 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
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Белый; Титтель (2002). «Перестраиваемая инфракрасная лазерная спектроскопия». Годовые отчеты о прогрессе химии, раздел C. 98 . RSCPublishing: 219–272. дои : 10.1039/B111194A .
- ^ «ГАЗОВЫЕ КАМЕРЫ ДЛИННОГО ПУТИ» .
- ^ Уайт, Джон (1942). «Длинные оптические пути большой апертуры». Журнал Оптического общества Америки . 32 (5): 285. Бибкод : 1942JOSA...32..285W . дои : 10.1364/josa.32.000285 .
- ^ Jump up to: а б Роберт, Клод (2007). «Простая, стабильная и компактная оптическая ячейка с многократным отражением для очень длинных оптических путей». Прикладная оптика . 46 (22): 5408–5418. Бибкод : 2007ApOpt..46.5408R . дои : 10.1364/AO.46.005408 . ПМИД 17676157 .
- ^ Джон М. Чалмерс (1999). «Глава 4: Спектроскопия среднего инфракрасного диапазона» . Спектроскопия в технологическом анализе . ООО «ЦРЦ Пресс». п. 117. ИСБН 1-84127-040-7 .
- ^ Херриотт, Дональд; Шульте, Гарри (1965). «Свернутые оптические линии задержки». Прикладная оптика . 4 (8): 883–891. Бибкод : 1965ApOpt...4..883H . дои : 10.1364/AO.4.000883 .
- ^ Тома (1994). «Ячейка многократного отражения, подходящая для измерений поглощения в ударных трубках». Ударные волны . 4 (1): 51. Бибкод : 1994ШВав...4...51Т . дои : 10.1007/bf01414633 . S2CID 122233071 .
- ^ Тузсон, Бела (2013). «Компактная многопроходная оптическая ячейка для лазерной спектроскопии». Оптические письма . 38 (3): 257–9. Бибкод : 2013OptL...38..257T . дои : 10.1364/ол.38.000257 . ПМИД 23381403 .
- ^ Граф, Мануэль (2018). «Компактная, круглая и оптически стабильная многопроходная ячейка для мобильной лазерной абсорбционной спектроскопии» . Оптические письма . 43 (11): 2434–2437. Бибкод : 2018OptL...43.2434G . дои : 10.1364/OL.43.002434 . ПМИД 29856397 .
- ^ «IRcell-S – многопроходная ячейка без маски поглощения» . Быстрые, широкополосные и двухгребенчатые спектрометры высокого разрешения – IRsweep . 10 декабря 2019 г. Проверено 5 октября 2020 г.