Устройство для исследования веществ методом импульсного радиолиза Советский патент 1985 года по МПК G01N21/05 

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кювета выполнена в виде п-плоских спиральных пружин, расположенных параллельно таким образом, что оба патрубка предыдущей кюветы соединены с двумя патрубками последующей.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кювета выполнена в виде эллипсовидной световодной пружины.

4.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кювета выполнена в виде конической спиральной световодной пружины.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО РАДИОЛИЗА, содержащее ускоритель заряженных частиц, источник света. dir/nycH вещества расположенные по ходу светового излучения кювету с исследуемым веществом, монохроматор и оптический регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений слабопоглощающих радикальных продуктов раднолиза, устройство дополнительно содержит поворотное зеркало, расположенное между источником света и кюветой, при этом кювета выполнена в виде по крайней мере одной пружины из трубчатого световода, имеющего на торцах по два патрубка, два из KOTOpbix соединены с линией подачи и линией сброса исследуемого вещества, а два других оптических связаны с источником света и монохроматором, стенки кюветы выполнены двухслойными, внутренний слой которых изготовлен из § кварца, а внешний слой - из кварца, (Л легированного бором с меньшим показателем преломления по отношению к внутреннему слою. со оо 4

1

Изобретение относится к технической физике, в частности к приборам для исследования анализа материалов с помощью оптических и радиационных методов.

Известно устройство для исследования веществ методом импульсного радиолиза, содержащее ускоритель электронов, источник светового излучения, кювету с исследуемым веществом и фоторегистратор 1. Пучок электронов попадает в кювету, что приводит к радиолизу исследуемого вещества. Пропуская свет через исследуемое вещество и регистрируя степень его поглощения, определяют параметры продуктов импульсного радиолиза. Основным элементом устройства является кювета, которая вы- , полняется различной конфигурации. Для полного использования энергии пучка электронов желательно делать круглую кювету с торцовой поверхностью, имеющей форму окружности, так как пучок из ускорителя на воздухе распространяется в пределах конуса с вершиной у выходного окна ускорителя.

Однако при пропускании анализирующего света в направлении, перпендикулярном направлению пучка, путь света через вещество слищком короткий, что существенно снижает чувствительность измерений. Использование устройства с цилиндрической кюветой с круглыми торцами и соосно расположенной с направлением пучка позволяет полностью использовать пучок частиц. В этом случае пучок света и пучок частиц пропускают в одном направлении, что увеличивает длину света в исследуемом веществе и, следовательно, чувствительность. Однако при этом зеркала и другие оптические элементы для обеспечения многократных отражений света.устанавливаются в зоне непосредственного действия радиации, что сокращает срок их использования и приводит к дополнительным трудностям при настройке устройства. Кроме того, недостатком устройства является возникновение черенкового излучения в исследуемом веществе, что приводит к дополнительной паразитной засчетке системы измерения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство

для исследования веществ методом импульсного радиолиза, содержащее ускоритель заряженных частиц, источник света, расположенные по ходу излучения кювету с исследуемым веществом, монохроматор и оптический регистратор 2.

Устройство содержит также облучаемую электронами многоходовую кювету цилиндрической формы с плоскопараллельными торцами, на одном из которых установлено зеркало, а на другом - кварцевое окно для ввода и вывода света. Устройство работает следующим образом. Пучок электронов из ускорителя направляется в кювету, что вызывает процесс радиолиза исследуемого вещества в кювете. Из источника света анализирующее оптическое излучение пропускается сквозь вещество кюветы в направлении, перпендикулярном пучку электронов. Непоглощенное в кювете оптическое излучение прохоQ дит через .монохроматор, который вырезает определенную часть спектра, и попадает в регистрирующее устройство. Полученная регистрограмма позволяет судить о свойствах исследуемого вещества в кювете.

Недостатком такого устройства является то, что оно не обеспечивает полное использование объема исследуемого вещества кюветы и, следовательно, снижает чувствительность измерений. Часть пучка ускоренных электронов теряется на облучение краевых участков кюветы, через которые

0 свет не проходит, что снижает точность измерений.

Целью изобретения является повыщение чувствительности и точности измерений слабопоглощающих радикальных продуктов радиолиза.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для исследования веществ методом импульсного радиолиза, содержащее ускоритель заряженных частиц, источник света., расположенные по ходу светового излучения кювету с исследуемым веществом, монохроматор и оптический регистратор, дополнительно содержит поворотное зеркало, расположенное между источником света и кюветой, при этой кювета выполнена в виде по крайней мере одной пружины из трубчатого световода, имеющего на торцах по два патрубка, два из которых соединены с линией подачи и линией сброса исследуемого вещества, а два других оптически связаны с источником света и монохроматором, стенки кюветы выполнены двухслойными, внутренний слой которых изготовлен из кварца, а внешний слой - из кварца, легированного бором с меньшим показателем преломления по отношению к внутреннему слою.

Кроме того, кювета выполнена в виде п-плоских спиральных пружин, расположенных параллельно таким образом, что оба патрубка предыдущей кюветы соединены с двумя патрубками последующей.

Кювета также может быть выполнена в форме эллипсовидной световодной пружины, а также в виде конической спиральной световодной пружины.

На фиг. 1 схематически изображена кювета, общий вид; на фиг. 2 - то же, продольное сечение; узел I на фиг. 1; на фиг. 3 - п-параллельно расположенные плоские спиральные кюветы; на фиг. 4 - эллипсовидная спиральная кювета; на фиг. 5 - коническая спиральная световидная кювета.

Предлагаемое устройство состоит из кюветы, выполненной в виде пружины, свернутой в плоскую спираль трубчатого световода 1, имеющего на каждом из торцов по два патрубка 2 и 3, два из которых соединены с линией подачи и линией сброса исследуемого вещества, а два других оптически связаны с источником света и монохроматором.

Стенки кюветы сделаны двухслойными, внутренний слой 4 изготовлен из чистого кварца, а внещний слой 5 - из кварца, легированного бором. Световое излучение из источника 7 света направляется с помощью поворотного зеркала 6 на внутр еннюю поверхность кюветы. Свет выводится из кюветы и попадает в монохроматор 8 и в оптический регистратор 9. Кювета облучается потоком заряженных частиц из ускорителя 10.

Устройство работает следующим образом.

Поток заряженных частиц из ускорителя 10 проходит через исследуемое биологические или химическое вещество в кювете, что приводит к возникновению активных частиц - свободных атомов и радикалов, возбужденных -.молекул. Эти активные частицы реагируют с окружающими их молекулами и друг с другом. Этот процесс, называемый радиолизом, приводит к образованию большого числа соединений, различных по своему строению и устойчивости. В результате радиолиза у вещества в кювете резко меняются оптические свойства - поглощение, преломление и рассеяние света. Поэтому для изучения свойств и характеристик образующихся продуктов радиолиза через исследуемое вещество пропускается анализирующее световое излучение от источника 7 света. Свет направляется на внутреннюю поверхность спиральной кюветы под углом, равным или большим критического угла для полного внутреннего отражения света.

Величина угла, под которым свет попадает на поверхность внутренней стенки кюветы, определяется величиной показателей преломления исследуемого вещества,

0 материала внутреннего 4 и внешнего 5 слоев. Изменение угла падения производится с помощью зеркала 6. Таким образом, для каждого исследуемого вещества оптическая система с поворотным зеркалом юстируется таким образом, чтобы

5 через кювету прошел полностью весь анализирующий свет. Далее свет из кюветы проходит через патрубок 3, 8 монохроматор на оптический регистратор 9.

Монохроматор, расположенный между выходным патрубком кюветы и регистратором, имеет юстировочную подставку, которая позволяет перемещать его в вертикальном и горизонтальном направлениях по отношению к световому излучению. Это позволяет эффективно использовать выходящее из кюветы анализируемое световое излучение.

Устройство может состоять из нескольких плоских спиральных пружин I, 2,..., (к-1), к, расположенных параллельно и имеющих соединения для удлинения светового пути в секционированной кювете (фиг. 3). Все секции спиральных световодов облучаются пучком ускоренных частиц, то позволяет полностью использовать энергию каждого электрона.

Число спиральных секций определяется

5 исходя из проникающей способности используемых для обучения заряженных частиц. Устройство может содержать спиральные световоды, имеющие в сечении эллипсовидную форму (фиг. 4). Такая кювета

д эффективна для радиолиза исследуемых веществ в сравнительно больших количествах на больших полях облучения в случае использования устройств развертки пучка для формирования прямоугольных полей облучения.

5 Устройство может быть выполнено в виде конической спиральной пружины, что позволяет полностью использовать количество электронов, так как пучок из ускорителя на воздухе распространяется в пределах конуса с вершиной у выходного окна ускорителя.

В результате процесса импульсного радиолиза исследуемого вещества анализирующий свет резко изменяет свою интенсивность во времени. При облучении кюветы пучком заряженных частиц в начальной стадии радиолиза анализирующий свет почти полностью поглощается в кювете. Затем после прекращения ионизирующего воздействия и по мере превращения радикальных продуктов радиолиза в соответствующие стабильные продукты происходит «просветление исследуемого вещества в экспоненциальной зависимости с определенной постоянной времени. После окончания процесса радиолиза весь свет проходит через кювету без поглощения.

Для осуществления эффекта полного внутреннего отражения света в спиральной кювете показатель преломления исследуемого вещества должен иметь величину больщую отражающей кварцевой оболочки кюветы. В случае исследования жидкого биологического и химического вещества анализирующий свет испытывает полные внутренние отражения на границе раздела жидкости и стенки кюветы, изготовленной из чистого кварца. В случае исследования жидкости с показателем преломления меньщим, чем у кварца (или в случае исследования газообразного вещества) анализирующий свет испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела двух слоев стенок кюветы.

Внутренний слой стенки световода кюветы изготавливается из кварца высокой степени чистоты, а внещний слой - из кварца, легированного бором. Поэтому внещний слой имеет показатель преломления меньший, чем внутренний и образует светоотражающую оболочку кюветы. Для изготовления двухслойной кюветы использу ется известный технический метод осаждения из паровой фазы, который основан на высокотемпературной (до 1600°С) реакции получения, чистого кварца SiO2 из газовой смеси SiCU-Oi. Через нагретую трубку из плавленого кварца высокой степени очистки марки КСГ пропускают указанную смесь с добавкой ВгОз, при этом оседает слой кварца, легированного бором, а затем осаждают чистый кварц. Материал исходной кварцевой трубки в светопередаче не участвует, его функция заключается в механической защите кюветы, что делает ее коррозионно стойкой к агрессивным исследуемым веществам. Такая кювета очень устойчива к радиационному окращиванию и для специально изготовленного материала интенсивность фосфоресценции под действием радиоактивного облучения примерно в 10 раз меньще, чем в случае обычной кварцевой кюветы. Следует отметить, что фосфоресценция световодной кюветы (которая при этом является активным световодом) приводит к дополнительной «паразитной засветке, которая вносит искажения при измерении оптического пропускания исследуемого вещества.

Таким образом, за счет исключения «паразитной засветки повыщается точность измерений.

Величина поглощения анализирующего светового излучения в спиральной кювете зависит от длины пути света, плотности

и оптических свойств исследуемого вещества, а также в сильной степени определяется возможным нарушением эффекта полного внутреннего отражения света при радиолизе

вещества в кювете. При попадании на торец кюветы под заданными углами (больше критического угла для полного внутреннего отражения света) к оси оптические лучи испытывают многократные отражения, проходят в кювете путь больше, чем длина

самой кюветы Ь 13есф. Количество отражений света в световодной кювете можно оценить по формуле

,

оС

где

полная длина спиральной световодной кюветы;

d - внутренний диаметр кюветы; f - угол преломления луча с продольной осью световодной трубки кюветы. Так при длине кюветы см, ,l см и , . Предельная величина угла падения луча на входной торец кюветы фо, при котором происходит полное внутреннее отражение, определяется по формуле

, arcsinVnB -п|.

(2)

фо

м

где П1 - показатель преломления внутренней

стенки кюветы.

Формулой (2) следует пользоваться в случае, когда исследуемое вещество - жидкость с комплексным показателем преломления большим, чем у чистого кварца. Например, для дифенилметана (Ci3Hi2) п 1,575 и, следовательно, п. 1,544. В случае, если исследуемое вещество газообразное или жидкость с показателем преломления меньшим, чем у кварца, угол фо находят по формуле

фо агс51п- ч

(3)

где П2 - показатель преломления внешней

стенки кюветы.

При этом учитывается, что , (внешняя среда - воздух) и для входного торца кюветы

51пфо П1СО5, 1

где ii - угол падения.

Полный коэффициент пропускания спиральной световодной кюветы можно определить по формуле

.If

Isectf

Т()- (1-ра)

(4)

коэффициент поглощения светоотражающей оболочки кюветы;

коэффициент отражения на торцах кюветы;

коэффициент поглощения света в исследуемом веществе.

Проведенные расчеты по формулам (1) - (4) показывают, что чувствительность предлагаемого.устройства со световодной кюветой примерно на порядок выше по сравнению с существующими аналогами. Чувствительность увеличивается за счет увеличения длины пути света в световодной кювете 1 и с ростом числа отражений N.

Кроме того, в предлагаемом устройстве практически полностью рассеивается черенковское излучение, возникающее в исследуемом веществе при прохождении пучка

заряженных частиц. Черенковское излучение распространяется вдоль направления движения пучка и, так как угол полного внутреннего отражения для него не соблюдается, то черенковское излучение выходит

через светоотражающий слой кюветы. Таким

образом, за счет исключения «паразитного

излучения повышается точность измерений.

Благодаря тому, что кювета изготовлена

в виде спирали, поле радиационного облучения ускорителя используется полностью, что позволяет проводить радиолнз при малых токах пучка и увеличить точность измерений.

П

,