Устройство для определения спектральной чувствительности оптически прозрачных твердых материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N21/63 

Изобретение относится к исследов ниям химических и физических свойст а именно к измерению спектральной чувствительности оптически прозрачных твёрдых материалов (например,фотовыцветание окрашенных полимеров стекол, фоторазрушение красителей и т.п.), и может быть использовано в приборостроении для научных иссле дований устойчивости материалов к световому воздействию. Спектральная чувствительность характеризуется функцией распределе ния квантового вьпсода соответствующего фотопроцесса (эффективности ) по длинам волн действующего света. Знание подобной характеристики необ ходимо при прогнозировании срока службы материалов в условиях облуче ния, в научных исследованиях, для экспресс-методов испытания материсш и т.п. Известно устройство для измерени спектральной чувствительности материалов, содержащее блок облучения образцов и блок регистрации свойств облучейия образца. Излучение от ист ника с непрерьшным спектром разлага ют на монохроматические пучки све с помощью призмы или интерференцион ной решетки. Этим светом облучают соответствующее количество образцов регистрируя их оптические свойства во времени (например, оптическую плотность В), и, относя скорость происходящих в образцах изменений оптических свойств к интенсивности действующего света вычисляют спект ральную чувствительность к монохроматическому свету. В качестве блока облучения используют спектрооблучатель, а блок регистрации пред ставляет собой стандартный измерительный прибор-спектрофотометр. Блок облучения содержит источник света, кварцевую призму или реплику с интерференционной сферической решеткой и набор держателей для образцов , облучаемых соответствующими монохроматическими пучками света Недостатками этого устройства являются длительное время облучения и большое количество используемых образцов для определения спектральной чувствительности в диапазоне спектра 200-700 нм. Большая длитель ность получения спектральной чувст вительности определяется тем, что разложение исходнот-о спектра лампы шириной 500 нм на пучки по 2-3 нм значительно снижает интенсивность каждого из пучков, действующего на отдельный образец. Кроме того, требуется большое количество образцов, так как каждый образец дает значение спектральной чувствительности .только для малого интервала длин волн, Получение спектральной чувствительности в требуемом диапазоне требует кинетических измерений, дпя осуществления которых необходимы испытания сотетг образцов. В этом случае очень велики требования к однородности всех облучаемьгх образцов. Наиболее близким к изобретению является устройство для определения спектральной чувствительности оптически прозрачных твердых материалов, состоящее из блока облучения образца, имеющего последовательно расположенные источник света с непрерывным спектром, светофильтр и держатель образца, и блока 2 регистрации включающего спектрофотометр С23. . Недостатками известного устройства являются длительное время определения и большое количество используемых образцов, а также малое спектральное разрешение и большая трудоемкость определения. Действительно время определения спектральной чувствительности материала зависит от того интервала длин волн ЛЛ ,которое содержит действующее на образец излучение. Чем меньше ДД , тем меньше интенсивность действующего на образец света 1A) J, (Л) 4Я , где ) исходная спектральная плотность излучения, соответственно уменьшается скорость фотохимического процесса и увеличивается время, необходимое для определения спектральной чувствительности. Кроме того, интер1. ференционные светофильтры имеют, как правило, номинальное максимальное пропускание, не превьш1ающее 45%, что дополнительно увеличивает время облучения. Для определения спектральной чувствительности материала в достаточно широком интервале спектра по данному способу необходимо увеличивать (в пределе до бесконечности) количество образцов, так как определение, проведенное на одном образце даже при облучении светом с л( , близкой к нулю, дает лишь чувствительность материа3ла к одной длине волны света. Пригетовление и испытание большого количества одинаковых образцов для получения всей информации является достаточно трудоемкой операцией. В приборе Спектротест спектральны состав действующего на образцы света формируют интерференционными светофильтрами, пропускающими свет в областях шириной 20-30 нм. Только при такой степени монохроматичности удается исследовать в обозримы времена фотохимические превращения в имеющих практическое значение достаточно светостойких системах, наг пример в окрашенных полимерных материалах, стеклах и т.п. Соответственно , спектральное разрешение при определении спектральной чувствительности- в данном случае не превышает десятков нанометров. Тако разрешение недостаточно для практических расчетовJ например, срока службы полимерных материалов, полимерных стекол, окрашенных систем и подобных, где данные о форме спектральной чувствительности необходимо иметь с разрешением в 1-2 им Цель изобретения - сокращение длительности определения чувствител ности и повьп ние спектрального разрешения. Для достижения поставленной цели в устройстве для определения спектральной чувствитеиьности оптически прозрачных твердых .материалов состоящем из блока облучения образца, имеющего расположенные последовательно источник света с непрерьшным спектром, светофильтр и держатель образца, и блока регистрации, включаВщего спектрофотометр, в блок облучения дополнительно размещена шторка расположенная между держа телем образца и светофильтром, выполненным абсорбционным и в форме клина, причем шторка имеет возыоуг ность перемещения вдоль светофильтра вНаправлении, перпендикулярном измененшо его толвщны, а блок регистрации дополнительно содержит держатель образца, установленный с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На фиг.1 представленасхема-пред лагаемого устройства с блоком облу чения; на фиг.2 - то же, с блоком 204 регистрации, на фиг.З - разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 - изменение спек-трального состава света 1, прошедшего через светопоглощающий слой переменной толщины ( клиновидный светофильтр), и диапазон спектра, в котором изменяется поглощение / светопоглощающего слоя переменной толщины; на фиг.З - результаты регистрации оптической плотности образца, облученного через светофильтр клиновидной формы в течение некоторых промежутков времени на фиг.6 зависимость скорости изменения концентрации молекул оптически прозрачного твердого материала вдоль направления изменения толщины светопоглоща- ющего слоя. Устройство работает следующим образом. Образец 1 (фиг.1 и 3) в держателе 2 облучают параллельным пучком света источника 3 через светофильтр 4 и компенсирующий кварцевый клин 5 по заданной временной сетке t в кассете 6. Время облучения задается системой управления, содержащей блок 7 управления и двигатель 8, перемещающий 9 между образцом и светофильт;ром. Редуктор 10 обеспечивает разные скорости перемещения шторки по коорди нате i л Облученный образец 1 в держателе 2 :помещают в рамку 11 (фиг.2) таким образом, что координата образца Л совпадает с горизонтальным направлением перемещения рамки 11 в станине 12, а точка образца , облученная в течение времени t 1 находится перед выходной-шелью спектрофотометра. Блок 13 синхрсгнизации включает двигателе 14 и спектрофотометр, опускает перо самописца fta регистрационный бланк и производит сканирование образца вдоль его координаты X, Перо поднимается, рамка 11 перемещается в исходное положение, механизм 15 вертикального перемещения устанавливает образец на следукяций участок с 0. Блок 13 снова опускает перо, производит сканирование и т.д. Редуктор 16 обеспечивает соответствие скоростей сканирования образца скорости перемещения каретки самописца спектрофотометра. Работа устройства связана с созданием на поверхности образца излучеия с неоднородным распределением спектрального состава света, прошедшего светопоглощающий слой цеременной толщины. В качестве такого слоя используют, например, абсорбционный светофильтр, выполненный в форме клина. По предлагаемому способу излучение источника света распределяется, например, светофиль ром с постоянным К (л) и переменной сЗ{Х) неоднородно и непрерыв но, изменяется от точки к точке коо динаты образца X по его поверхности. В качестве примера на фиг.4 показаны изменения спектрального состава света J прошедшего через светопоглощающий слой переменной толщины (, клиновидный светофильтр ), и диапазон сректра, в котором измен ется поглощение К светопоглощающегв слоя переменной толщины. Кривая 17 толщина слоя с( О, координата X О кривая 18 - cf 0,5 I-M, X 16 bm; кривая 19 - cf 1 мм, X 32 мм; кривая 20 - d 1,5 мм, X 48 мм; кривая 21 - с1 2 мм, у 64 мм; кривая 22 - с 2,5 мм, X 80 мм. Если диффузия молекул твердого материала затруднена в точках координаты X, то стандартными методами можно определить скорость фотореакции WCX), которая содержит в неявном виде информацию об эффективности фотопроцесса в каждой точке координаты X, а следовательно, и о спектральной чувствительности. Решение выражения ) Жх)рдл)1оe(Л)(Л)c(Л (f дает функцию спектральной чувствите ности образца в диапазоне света, которьй определяется областью изменения коэффициента поглощения сло переменной толщины К U) Критери выбора слоя может быть условие - . , ах- ., ,де М(Л,Х)-Л(Л,Х)е(А) , т.е. ширина области определенияf(/ зависит от диапазона изменения вели чины К(Л1, чем больше интервал по Д , где изменяется поглощение слоя тем больше область спектра, в котор получают спектральную чувствитель206ность. Таким образом, набор, напри-мер, светофильтров клиновидной формы из стандартного набора цветных стекол марок БС, же, ОС, КС позволяет определить спектральную чувствительность в диапазоне спектра 200-700 нм для твердых материалов различной природы. Кинетический эксперимент с образцом, равным по площади светофильтру, позволяет получить на одном образце всю информацию о его спектральной чувствительности в диапазоне спектра, в котором К (Л) светофильтра изменяется. При облучении образца светом со спектральным составом 3(Л , X ) , непрерывно распределенным по координате X, возможно получить непрерывную зависимость W(X). При решении вьфажения (1) по непрерывной зависимости W(xl получают непрерывную функцию спектральной чувствительности. Спектральное разрешение в этом случае зависит от требований к ЧС) для дальнейшего использования. По предлагаемому способу возможно получить спектральную чувствительность любых оптически прозрачных твердых материалов, например полимерных пленок (окрашенных и неокрашенных), фотографических и фотохромных слоев, стекол и т.д. В качестве параметра слежения могут быть использованы оптические свойства материала ,которые однозначно связаны, с концентрацией молекул твердого материала - поглощение и пропускание света (оптическая плотность и коэффициент поглощения). Пример. Определяют спектральную чувствительность фотообесцвечивания красителя родамина бЖ в пленке полиметилмета1срилата размером ВО801 0,02 мм (концентрация красителя Сд 510 мольКг полимера . Координатой X служит ось, направленная по стороне образца, вдоль которой изменяется толщина светофильтра Сфиг.3). Устройство комплектуют из облучателя с ксеноновой лампой ДКсШ800 и спектрофотометра Specord UVVIS. Образец, клиновидный светофильтр марки БС-6 и компенсирующий кварцевый клин помещают в кассету 6 для облучения (фиг.I ). Облучают образец по временной сетке 125,285,355,490 и 1880 мин. Последовательное перекрывание производится электродвигателем.

перемещающим шторку на расстояние 16 мм через заданные промежутки времени. Облученный образец 1 в держателе 2 помещают в рамку И (фиг.2 таким образом, что координата X образца совпадает с горизонтальным направлением перемещения рамки 11 в станине 12, а точка образца X О,, облученная в течение времени i 125 мин, находится перед выходной щелью спектрофотометра. Блок 13 синхронизации включает двигатель.14 и спектрофотометр, опускает перо самописца на регистрационный бланк и производит сканирование образца вдоль его координаты X. Перо поднимается, рамка 11 перемещается в исходное положение, механизм 15 вертикального перемещения устанавливает образец на следующий участок с X О и t2 285 мин. Блок 13 снова опускает перо и производит сканирование и т.д. Результаты

регистрации показаны на фиг.5, где D/DO consi - оптическая плотность необлученного образ.ца с t 0. Последующие кривые иллюстрируют изменение оптической плотности в г соответствующих участках образца, экспонированных в течение соответ ствующих промежутков времени.

Из полученных, данных по закону Ламберта-Бера вычисляют значения концентраций С(.Х) для пяти значений времени. Непрерьшную зависимость VV(X ) получают стандартным методом

интерполяции С (-t) при X cons4 (фиг.6). Далее по стандартной программе на ЭВМ вычисляют спектральную чувствительность фотообесцвечивания ррдамина 6Ж в полиметилметакрилате из выражения (1 ).

, Результаты для некоторых значе,ний ЧСД) представлены в таблице

(отн.ед. ).... .

itl

Вычислено с относительной ошибкой 3%

Полученные данные не противоречат значениям спектральной чувствитель- 5 ности фотообесцвечивания родамина 6Ж в обескислороженном этанольном растворе.Так,при облучении спир-. тового раствора красителя светом с 313 нм получено значение чувст- вительности 0,75-10, а определенное по предлагаемому способу равно 5,6310-i.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает следующими пре- имуществами по сравнению с известным.

время в 5 раз большее, чем по предлагаемому способу.

с помощью одного образца позволяет получить значения спектральной чувствительности в достаточно широком . диапазоне длин волн. Этот интервал зависит только от оптических характеристик (поглощение) выбранного светофильтра и природа испытуемого материала.

в непрерывном виде.

определяется диапазоном спектра, в котором необходимо получить спектральную Чувствительность, и выбранным светофильтром. Например, для определения спектральной чувствительности фотообесцвечивания родамина 6Ж в области спектра 200-700 нм количество образцов и светофильтров не превьша ет пяти, а по известному способу - более 200.

СЗСЗЕГЗСКЗЗ ЗСЗЕХлу л ivT,,,. ,, ,..,,,Tjvj-l ч /////// /////////////А

г 1 t

г

t 2 ff t

f

ffi

Ф(/г.2

SSSSS

-.- - . 7//7y// /yy/// 7 j

Фиг.З