Способ измерения спектров эффекта фарадея различных веществ Советский патент 1979 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к аналити|ческим методам и может быть использовано для исследования и анализа твердых и жидких веществ в различных отраслях промышленности. Для получения дополнительной и принципиально.важной информации о пространственном распределении внешних электронов при образовании химических связей как в неорганических, так и В органических соединениях при меняют различные поляризационно-оптические методы, в которых измеряются и анализируются определенные характеристики поляризационного излучения различных длин волн после его взаимодействия с исследуемыми объектами.. Среди этих методов интересные ВОЗМОЖНОСТИ и широкие перспективы имеет эффект Фарадея, вследствие универсальной природы магнитного вращения плоскости поляризации, прис щей В той или иной мере любым вещес вам и черзвыч ;йно широкой области спектра:от радиодиапазона до рентге новского 1 . Величина угла поворота плоскости поляризации в магнитном поле опреде ляется разностью фаз круговых соста .пяющих линейно поляризованного излучения, проходящего через исследуемый образец В направлении магнитносиловых линий, а фазовые эффекты обладают повышенной чувствительностью к изменению состава и строения исследуемых веществ. Указанные особенности фарадеевского вращения обусловлены тем, что только под воздействием внешних магнитных полей полностью снимается вырождение энергетических уровней В любом веществе, а также изменяется вероятность направления квантовых переходов и появляется возможность получить сведения о комбинирукяцих уровнях, особенно в области полос поглощения, установить их симметрию и характер расщепления при спектральных исследованиях в магнитном поле соответствующей направленности. БОЛЬШИНСТВО известных исследований эффекта Фарадея в различных веществах проводятся В постоянных или переменных магнитных полях, напряженность которых не превьжиает 25 кЭ и ограничена магнитным насыщением сердечников электромагнитов, а в соленоидах без ферромагнитных сердечников. получать большие по напряженности Н магнитные поля затруднительно вследствие большой расходуемой мощности Р соответственно уравнению :,, :H--(f-y. где Г - коэффициент, характеризующий геометрию соленоида; V - внутренний объем; р - удельное сопротивление витко соленоида; k - параметр заполнения межвитко вой изоляции, Следовательно, для увеличения на пряженности Н магнитного поля в 2 р за необходимо в 4 раза увеличить расходуемую мощность, что, к примеру, для напряженности 200 тысяч Э в установках потребовало бы подводи мощность в сотни магаватт, которые смогли бы поставлять только особые энергетические электростанции. Если на электромагниты без ферро магнитных сердечников с сопротивлением Р десятки или сотни Ом поступа ет постоянный или переменный во вре мени t ток и, то существенным, а при больших токах и принципиальным, ограничением является проблема рассеяния тепловой.энергии G :о, - Rf (2) Таким образом, для значительного увеличения напряженности Н необходи мо существенно уменьшить сопротивление R соленоидов (в импульсных соленоидах R 5-6-10 Ом),а так же сократить время t прохождения то ка через соленоид (в данном случае 200 - 400 мкс) при времени заряда 2-4 с. Тогда вследствие скважинности импульсного процесса с .Л:-.. (3) 2-4-10- с в тысячи раз сокращается потребляемая электрическая мощность, соответ ственно габариты и вес всего компле са приборовна установках, Новые сверхпроводящие сплавы поз воляют получать магнитные поля напряженностью до 100 кЭ, но их устой чивая работа возможна только при наличии специальных устройств сверх низких температур. В таких условиях и.сследуемые образцы также охлаждают ся до указанных температур, а больш ство важнейших для технологических процессов веществ работают и исслед ются при положительньох температурах Для надежных измерений спектров фарадеевского вращения диамагнитных веществ необходимы магнитные поля с напряженностью значительно превышающей максимальные значения напряженности известных установок по исследованию эффекта Фарадея в переменных или постоянных магнитных полях по причине малой величины I удельного магнитного вращения V (постоянной Верде), так как амплитуда угла магнитного вращения плоскости поляризации линейно зависит от напряженности Н магнитного поля однородного на длине образца t, т.е. Ф VHE cos{H 1) (4) где cos{tf ) - угол между направлением распространения линейно поляризованного излучения и вектором напряженности магнитного поля Н, В известном способе 2 применялись импульсные магнитные поля переменной затухающей амплитуды R н н„е-2, SmcUot однократного действия и йобтветственно уравнению (4) также во времени t изменялось и положение плоскости по-ляризации, т.е. определение величины эффекта Фарадея производилось через интенсивность импульсов засветки,. . 1/г -Ш Ф arc sin В результате магнитного вращения плоскости поляризации, которое возможно только для углов, превышающих 90° и относится к первому импульсу. Последующие осциляции тока (5) в таких способах вносят в измерительную схему специфические помехи, а их энергия расходуется на нежелательный разогрев импульсного соленоида. Основным недостатком измерения магнитооптического вращения плоскости поляризации в указанном прототипе с генераторами импульсных магнитных полей переменной затухающей амплитуды является сложность и большая погрешность-определения амплитуды импульсов эффекта в однократном режиме, которые особенно проявляются при спектральных исследованиях вследствие изменения чувствительности фотоприемников на различных длинах волн. Попытка; применить дополнительную механическую модуляцию с целью повышения разрешающей способности в измерениях фарадеевского вращения оказалось неудачной вследствие значительных неконтролируемых погрешностей, так как имеются принципиальные ограничения на устойчивость и пределы синхронизации механического модулятора с электронными схемами запуска установок однократных импульсных магнитных полей переменной затухающей амплитуды. Известные измерения эффекта Фарадея в указанных импульсах магнитных полей проведены только на. отдельных монохрометричес1сих длинах волн, В описываемом способе, с целью повышения точности измерения и расширения пределов измерения(Фарадеевского вращения, применяются однополярные перибдические импульсы магнитного поля значительной напряженности (до 200 тысяч Э) при длительности по основанию от 200 до 400 мк Если анализатор в ячейке Фарадея установлен перпендикулярно главной. плоскости поляризатора, то линейнополяризованное излучение через эту ячейку практически не проходит. В момент воздействия на исследуемый образец однополярного импульса магнитного поля происходит магнитное вращение плоскости поляризации. ; Вследствие статических и динами|Ческих особенностей магнитооптической ячейки Фарадея при воздействии однополярных импульсов магнитного поля на исследуемое вещество, через которое непрерывно проходит линейно поляризованное излучение, любое положение анализатора или поляризатора не позволяет полностью скомпенси ровать угол магнитного вращения пло кости поляризации. Но плавный поворот анализатора от перпендикулярного к поляризатору положения по напр лению импульсного магнитного вращения плоскости поляризации обуслав ливает уменьшение амплитуды импульсов Фарадеевского вращения по закону Малюса с последующим искажением формы в виде провала его верщины вследствие пересечения вращающимся электрическим вектором линейно поля ризованного излучения главной плоскости (или нулевой линии) анализато ра. Аналогичная ситуация наблюдается при вращении поляризатора в обра ном направлении. Следовательно, указанные особенности позволяют измерить величину угла поворота плоскости поляризации в эффекте Фарадея не по интенсивнос ти, как в известных способах, а по изменению формы импульса в схеме регистрации. Одновременно .однополяр (н(де импульсы воздействуют на иссле ВУвМые вещества магнитного поля, &к- полняют функции моделирующего, сигнала. Способ измерений спектров фарадеевского вращения в однополярных импульсных магнитных полях обуславливает хорошее отношение сигнала к шуму и позволяет измерить положительные зна,чения амплитуды угла магнитного вращения плоскости поляризации на раэ(личных длинах волн, с абсолютнойпог/решностью, не превышающей 1 мин. Экспериментально проверенная воспроизводимость., импульсов магнитного, поля не хуже 0,05%, а дрейф нулевого положения составляет 0,01/час и суммарная погрешность измерения спектров фарадеевского вращения не превышает1% с доверительной вероятностью 0,99 ,при соответствующей однородности магнитного поля в рабочем объеме двухсекционного импульсного соленоида. Формула изобретения Способ измерения спектров эффекта Фарадея различных веществ путем ре1гистрации униполярного импульсного магнитного вращения плоскости поляризации анализатором при непрерывном пропускании через образец вещестг ва линейно поляризованного излучения, отличающийс я , что с целью повышения точности и расширения пределов измерений, анализатор поворачивает по направлению магнитного вращения плоскости поляризации . и определяют изменение формы регистрируемого импульса. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Успехи химии , 1971, т. X, вып. 4, с. 654-693. 2.Acta Phys Pol-onica, V, 1957, V. 16, 1-2, 151(прототип).