Оптические измерительные преобразователи

Тема 6 Оптические измерительные преобразователи. Физическая природа оптического (электромагнитного) излучения. Основные характеристики оптического излучения. Взаимодействие излучения со средой. Поглощение и рассеивание света. Взаимодействие оптического излучения с границей раздела двух сред. Взаимодействие оптического излучения с оптически анизотропной средой. 1. Оптические измерительные преобразования основаны на определении зависимости параметров потока оптического излучения от параметров источника излучения и среды распространения. То есть, если мы знаем свойства (спектральные, мощностные) источника излучения характеристики сигнала на входе приемника, то возможно определить характеристики среды распространения, и т.п. 2. Оптическое или световое излучение представляет собой электромагнитные волны, длина которых лежит в диапазоне 10–3 … 103 мкм. Диапазон радиоволн частично перекрывает оптический в интервале длин волн 50 … 103 мкм, а диапазон ионизирующих излучений – в интервале длин волн 10–3 … 10–2 мкм. 3. В оптическом диапазоне различают три поддиапазона: инфракрасный (0,78 … 103 мкм), видимый (0,38 … 0,78 мкм) и ультрафиолетовый (10–3 … 0,38 мкм). Границы диапазонов определяются способностью человеческого глаза воспринимать световое излучение. 4. Световые волны, как и любые электромагнитные волны, являются поперечными   волнами и характеризуются взаимно перпендикулярными векторами E и H напряженностей электрического и магнитного полей, которые изменяются синхронно в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волн. При этом, плотность потока энергиии электромагнитного поля (вектор Умова —   Пойнтинга) определяется как S  E  H  (векторное произведение, рисунок). 5. Скорость распространения света в вакууме – фундаментальная физическая константа c  1  0 0  2,99  108 м с . Среда, отличающаяся от вакуума, уменьшает скорость распространения световой (электромагнитной) волны v  1 , а    0 0 отношение скоростей электромагнитной волны в вакууме и в среде n  cv называется показателем преломления среды. Теоретически возможно существование сред со «скоростью» света больше с, например редкие состояния плазмы, но больше получается только фазовая скорость, а скорость групповая всеравно оказывается меньше (и значительно… рисунок). 6. Генерация оптического излучения осуществляется двумя способами: Первый ускоренным движением электрически заряженных частиц (электронов, атомов, ионов, молекул) (рассказать про уф смерть вселенной). Второй способ - дискретными переходами носителей зарядов с более высоких на более низкие уровни энергии. Частота излучения при этом определяется формулой Планка E    hf , (напомнить что такое циклическая частота). 7. рисунок шкалы электромагнитных, световых волн, рассказать. 8. Для описания оптических явлений применяют три системы величин: энергетическую, световую (фотометрическую) и квантовую. В квантовой системе свет рассматривается как поток частиц-квантов, энергия которых составляет E  hf h  6,625  1034 Дж⋅с – постоянная Планка, f – частота электромагнитных колебаний. Кванты видимого света обладают энергией 2…5 эВ. (1 эВ = 1,602·10−19 Дж, напомнить, что такое электрон-вольт). 9. Основной величиной энергетической системы световых величин является поток излучения q (Вт) − энергия электромагнитного излучения оптического диапазона, проходящая через площадь S в единицу времени. Характеристиками равномерности распределения потока оптического излучения в пространстве служат величины: освещенность G (Вт/м2), светимость R (Вт/м2) и сила света I (Вт/(рад2)). Освещенность в точке поверхности (поверхностная плотность светового потока) – отношение светового потока, падающего на малый элемент поверхности, содержащий рассматриваемую точку, к площади этого элемента: G  dq dS Сила света – отношение потока излучения, распространяющегося внутри малого телесного угла, который содержит данное направление, к этому телесному углу: I dq d Понятие силы света используется главным образом для характеристики источников света типа звезд – у которых кроме силы света ничего не определить. На Земле же чаще используется другая характеристика источника – светимость: R  dq dS 10. Для измерения распределения энергии оптического излучения в зависимости от длины волны используется понятие спектральной плотности потока оптического излучения p (Вт/м). Спектральная плотность потока оптического излучения – отношение потока оптического излучения, взятого в малом интервале длин волн (dλ), содержащем данную длину волны, к ширине этого интервала: p  dq d 11. По традиции, результаты измерений и получаемая информация ориентируется на человека и его органы чувств, в данном случае, зрение. Цветовое зрение человека (рассказать о палочках и колбочках) имеет различную чувствительность в разных частях видимого спекта. Поэтому для всех людей сразу определена т.н. − спектральная световая эффективность глаза К(λ). Основной величиной световой системы, так же как и энергетической, является поток излучения Φ, называемый в этом случае световым потоком и измеряемый в люменах (лм). Связь между энергетическим потоком оптического излучения и световым устанавливается соотношением: d  K  dq , где dΦ и dq – световой и энергетический потоки в диапазоне длин волн Δλ; К(λ) − спектральная световая эффективность глаза. 0 , 78 12. Световой поток можно определить по формуле:    K   p d , здесь p(λ) 0 , 38 cпектральная плотность потока оптического излучения. 13. Единицей измерения силы света является одна из семи основных единиц системы СИ кандела (кд), равная силе света в заданном направлении источника, испускающего излучение частотой 540⋅1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 (Вт/(рад2)). 14. Монохроматичным (одноцветным) называется излучение, состоящее из электромагнитных колебаний в сравнительно узком диапазоне частот Δf. Чем Δf меньше, тем степень монохроматичности соответственно, выше. 15. Когерентными называются колебания, имеющие одинаковую длину волны и постоянную разность фаз. Естественно, получить волну (световую) с постоянной и единственной частотой даже теоретически невозможно, поэтому практическое значение имеют понятия время когерентности – максимально возможное время отставания одного луча по отношению к другому, при котором их взаимная когерентность ещё сохраняется и длина когерентности – расстояние равное произведению времени когерентности на скорость света.  16. Поляризованность света определяется ориентацией вектора E в пространстве по мере распространения волны. Световые волны различаются на неполяризованные, линейно поляризованные, эллиптически поляризованные и с круговой поляризацией. Свет большинства источников является естественным (неполяризованным) или частично поляризованным. Изменение поляризации света происходит при его прохождении через оптически анизотропные среды, а также при отражении и преломлении на границе сред с различными оптическими свойствами, например при отражении солнчного света от поверхности воды. 17. Эффекты взаимодействия света с изотропной средой могут быть описаны физическими параметрами: показателем преломления n (повторить п.5), характеризующим уменьшение скорости света в среде, и коэффициентом поглощения χ, характеризующим затухание амплитуды света (То, что мы видим – интенсивность, т.е. амплитуда в квадрате, примерно). Закон распространения монохроматической световой волны в среде описывается выражением     z  z E  z , t   E0e c sin  t   , v   Где E0 - вектор амплитуды напряженности электрического поля световой волны в начальной точке, z – координата, в направлении распространения волны. 18. Поглощение света в среде может как и в случае излучения быть преимущественно тепловым или резонансным. Тепловое поглощение приводит к увеличению внутренней энергии (скорости движения) молекул (атомов) вещества – например, нагрев воды солнечным светом. Резонансное поглощение связано с квантовым возбуждением тех же молекул и атомов. Резонансное поглощение происходит в узких диапазонах длин волн, характерных для каждого типа атомов и молекул. Естественно, такое поглощение является одним из основных источников информации о составе среды. 19. Спектр поглощения изолированных атомов (например, разряженные газы) имеет вид узких линий поглощения, т. е. отличен от нуля только в определенных узких диапазонах длин волн. Молекулярный спектр поглощения, определяемый колебаниями атомов в молекулах, состоит из более широких областей длин волн – полос поглощения, в которых поглощение значительно. Ширина полос как правило, в десятки тысяч раз больше ширины линий поглощения. 20. Поглощение твердых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями. Это объясняется тем, что в конденсированных средах (жидкостях и твердых телах) непрерывное и сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче поглощенной частицей энергии ближайшим соседям. 21. Кроме явления поглощения при прохождении светового потока через среду имеет место рассеяние света – преобразование света веществом, сопровождающееся изменением направления его распространения, поляризации и во многих случаях, частоты. Рассеяние света обусловлено его дифракцией на оптических неоднородностях среды. Существует большое количество разновидностей рассеяния света. Рассеяние Рэлея происходит без изменения частоты света при прохождении света через скопление частиц с размерами, меньшими длины волны. Рассеяние может происходить на электронах среды (явление Комптона), молекулах вещества (комбинационное рассеяние), на частицах, размеры которых составляют от долей до нескольких длин волн. Рассеяние проявляется как несобственное свечение среды под действием оптического излучения. 22. На границе раздела сред с различными оптическими свойствами (плотностью) происходит отражение и преломление света. Отражение света – явление, состоящее в том, что при падении оптического излучения из первой среды на границу раздела со второй средой появляется световая волна, распространяющейся от границы раздела обратно в первую среду. Несамосветящиеся тела благодаря этому становятся видимыми. (Объяснить, что отражение происходит не только от зеркала). 23. Пространственное распределение интенсивности отраженного света определяется отношением размеров неоднородностей границы раздела и длины волны падающего излучения. Если неоднородности малы по сравнению с длиной волны, то такое отражение называется зеркальным. Если размеры неоднородностей сравнимы или больше длины волны, отражение называется диффузным (привести примеры). Диффузное отражение обычно носит селективный характер, что и определяет цвет, который мы видим (и иногда измеряем). 24. Зеркальное отражение характеризуется широко известной связью падающего и отраженного лучей. Отраженный луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности. Угол падения α равен углу отражения β. (нарисовать рисунок). 25. Интенсивность отраженного света, характеризуемого коэффициентом отражения kотр – отношением интенсивности отраженного светового потока к интенсивности падающего, зависит от угла падения и поляризации падающего оптического излучения, а также от соотношения показателей преломления первой и второй сред n1 и n2. 26. Соотношение амплитуд падающей, отраженной и преломленной волн установлено французским физиком О.Ж. Френелем в 1823 году. Это соотношение зависит не только от угла падения, но и от поляризации волны. Рассмотрим два варианта линейной поляризации волны: параллельная (вектор напряженности электрического поля падающей волны параллелен плоскости падения (=)) и перпендикулярная (вектор напряженности электрического поля падающей волны перпендикулярен плоскости падения (⊥)). Форулы Френеля получаются такими: E2  tg     E2  sin     ; ;   E1 tg     E1 sin     E3 2 sin  cos  E 2 sin  cos  ; 3  .  E1 sin    cos    E1 sin     И формула Гюйгенса, связывающая углы падения и преломления: sin   n1  . sin   n2 Так, при падении света перпендикулярно к поверхности раздела сред (α=0º) 2 n n  значение коэффициента отражения не зависит от поляризации: k   2 1   n2  n1  27. При углах падения, равных углу Брюстера ( tg       ), отраженная волна становится линейно поляризованной перпендикулярно плоскости падения, поскольку волна, поляризованная в плоскости падения, проходит через границу раздела без отражения. Эта особенность широко используется для получения линейно поляризованного оптического излучения. 28. В случае падения света из оптически более плотной среды на границу с менее плотной (n1 > n2) под углом равным или большим критического происходит полное внутреннее отражение от поверхности раздела, при котором вся энергия падающего пучка возвращается обратно в более плотную среду. (рассказать, как нас видят рыбки, как устроен бинокль и световоды). 29. Зеркальное отражение от поверхностей металлов описывается формулами, аналогичными формулам Френеля, отличающимися тем что показатель преломления второй среды n2 в этом случае становится комплексной величиной, мнимая часть которой характеризует поглощение света . 30. Оптическая анизотропия – различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения и его поляризации. Различают естественную оптическую анизотропию и искусственную. Естественная оптическая анизотропия кристаллов обусловлена неодинаковостью по различным направлениям поля сил, связывающих атомы решетки, что обусловлено асимметрией строения отдельных молекул. В качестве эффектов, проявляющихся при взаимодействии оптического излучения с оптически анизотропной средой и нашедших наибольшее использование в измерительных преобразователях, рассмотрим двойное лучепреломление и вращение плоскости поляризации, происходящих в оптически активных веществах. 31. Двойное лучепреломление – раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропную среду, обусловленное зависимостью показателя преломления этой среды от направления вектора напряженности электрического поля световой волны. (нарисовать рисунок). Возникновение двойного лучепреломления под действием поперечного относительно направления распространения света внешнего электрического поля получило название эффекта Керра в честь открывшего его в 1875 году шотландского физика Д. Керра. При указанном воздействии электрическим полем изотропный материал становится анизотропным. Возникновение эффекта Керра объясняется поляризацией в направлении внешнего электрического поля молекул вещества, что облегчает их поляризуемость при прохождении световой электромагнитной волны в направлении электрического поля и усложняет поляризуемость в перпендикулярном направлении. Соответственно, по этим направлениям изменяются диэлектрические проницаемости и показатели преломления. Кроме измерительного преобразования напряженности электрического поля эффект Керра используется для модуляции светового потока. При этом благодаря малой инерционности эффекта (не более 10–13 с) достигается частота модуляции порядка 109…1013 Гц. Оптическая анизотропия возникает также под действием продольного электрического (эффект Поккельса) и поперечного магнитного (эффект Коттона–Мутона) полей. 32. Вращение плоскости поляризации – поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Вещества, обладающие данным свойством, называются оптически активными. Пусть на переднюю границу оптически активной среды падает линейно поляризованное оптическое излучение. Линейно поляризованный пучок света можно представить суммой двух пучков, распространяющихся в одном направлении и поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения (с левой и правой круговой поляризацией). В изотропной среде скорости вращения векторов напряженности электрического поля первого и второго пучка равны и направление колебаний результирующего вектора (плоскость поляризации) остается неизменным. Если же оптическое излучение распространяется в анизотропной среде, обладающей различными показателями преломления для оптических излучений с правой и левой круговой поляризацией, то это приводит к неравенству скоростей вращения плоскостей поляризации пучков и повороту результирующего вектора напряженности электрического поля, а соответственно и плоскости поляризации на некоторый угол α. (нарисовать рисунок). КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Физические основы получения информации 2 часть Направление подготовки 12.03.01 «Приборостроение» Профиль «Аналитическое приборостроение и интеллектуальные системы безопасности» Москва, 2021 Оптические измерительные преобразователи • Лекция 1. Источники оптического излучения. Тепловые источники оптического излучения. Люминесцентные источники оптического излучения. Лазерные источники оптического излучения. • Источники оптического излучения можно разделить на тепловые, лазерные и люминесцентные Оптические измерительные преобразователи • Оптическое излучение тепловых источников обусловлено колебаниями электрических зарядов вещества при возрастании температуры и связано с переходом атомов и молекул из возбужденного состояния в устойчивое. • Средняя кинетическая энергия вибрирующих частиц связана с температурой тела и выражается в их движении или колебаниях в твердых телах. • Все объекты обладают тепловым излучением (пока их температура выше абсолютного нуля, то есть -273,15 градусов по Цельсию). Ни один объект не является идеальным тепловым излучателем. • Для определения характеристик теплового излучения применяется модель абсолютно черного тела. • Абсолютно черное тело является идеальным тепловым излучателем. Цвет абсолютно черного тела, если его нагреть, будет зависеть от того, до какой температуры разогрето абсолютно черное тело. Оптические измерительные преобразователи • Цветовая температура – это температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. • Температура 5000К – это цвет, который приобретает абсолютно черное тело при нагревании его до 5000К. Цветовая температура оранжевого цвета – 2000К, это означает, что абсолютно черное тело необходимо нагреть до температуры 2000К, чтобы оно приобрело оранжевый цвет свечения. Цвет свечения раскаленного тела не всегда соответствует его температуре. Пламя газовой плиты на кухне сине-голубого цвета не означает, что температура пламени свыше 9000К (8727°С). Расплавленное железо в жидком состоянии имеет оранжево-желтый оттенок цвета, это соответствует его температуре, а это примерно 2000К (1727°С). (железо == черное тело) Оптические измерительные преобразователи • Для описания оптических явлений применяют три системы величин: энергетическую, световую (фотометрическую) и квантовую. Основной величиной энергетической системы световых величин является поток излучения q (Вт) − энергия электромагнитного излучения оптического диапазона, проходящая через площадь S в единицу времени. Характеристиками равномерности распределения потока оптического излучения в пространстве служат величины: освещенность G (Вт/м2), светимость R (Вт/м2) и сила света I (Вт/(рад2)). Освещенность в точке поверхности (поверхностная плотность светового потока) – отношение светового потока, падающего на малый элемент поверхности, содержащий рассматриваемую точку, к площади этого элемента: dq G dS Оптические измерительные преобразователи • • Результирующее тепловое излучение тела является результатом излучений огромного числа частиц, колеблющихся с различной скоростью и ускорением. Соответственно, спектр теплового излучения является непрерывным. • Распределение частиц (атомов, молекул) по энергиям подчиняется определенным законам. Для газов справедливо распределение Максвелла. • Спектральная плотность излучения газов будет описываться кривой, имеющей аналогичную распределению Максвелла форму. • Максимум этого распределения находится на длине волны, определенной Вильгельмом Вином. m  2898  • Наибольшая спектральная плотность излучения будет наблюдаться на длине волны λm, здесь θ − абсолютная температура тела, (по шкале Кельвина). Поток теплового или оптического излучения распределяется в спектральном диапазоне неравномерно, а его максимум с увеличением температуры смещается в фиолетовую область. Оптические измерительные преобразователи • • • • • • • Нагрев тепловых источников света обычно производится с помощью электрического тока. В ряде случаев нагрев рабочего тела осуществляется высокотемпературными газами. В качестве материала нагреваемого тела в тепловых источниках видимого света лучше всего использовать вольфрам, который имеет очень высокую температуру плавления (3650о К), низкую скорость испарения, отличные механические характеристики при высокой температуре. Положение максимума спектральной плотности потока излучения у вольфрама по сравнению с другими материалами сдвинуто в коротковолновую область спектра. Во избежание окисления раскаленную вольфрамовую спираль изолируют от содержащегося в воздухе кислорода. В лампе накаливания электрический ток, проходя через тело накала (обычно — вольфрамовую спираль), нагревает его до высокой температуры. Из-за высокой температуры атомы вольфрама испаряются с поверхности тела накала (вольфрамовой спирали) и осаждаются на менее горячих поверхностях колбы, ограничивая срок службы лампы. В галогенной лампе окружающий тело накала иод или бром (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама, препятствуя осаждению последних на колбе. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах вблизи тела накала соединения вольфрама распадаются на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё. В результате атомы вольфрама возвращаются на тело накала, что позволяет повысить рабочую температуру спирали (для получения более яркого света), продлить срок службы лампы. Оптические измерительные преобразователи • Люминесцентные источники оптического излучения. Принцип действия люминесцентных источников заключается в свечении атомов, молекул и ионов, возникающем в результате перехода этих частиц из более возбужденного состояния в менее возбужденное и в редких случаях в основное невозбужденное. • Предварительное возбуждение частиц осуществляется различными способами. Наиболее популярен нагрев до высокой температуры (термолюминесценция), широко используется также возбуждение под действием оптического излучения (фотолюминесценция – белые светодиоды), под действием ионизирующих излучений (рентгенлюминесценция), электрического поля (электролюминесценция - люминисцентные лампы), при протекании различных химических реакций (хемилюминесценция – частично, салют). Сначала происходит поглощения энергии атомом, сопровождающимся переходом электрона с одного из верхних основных энергетических уровней электронной оболочки на более высокий возбужденный энергетический уровень (переход 1). Далее в общем случае имеет место безызлучательный переход электрона с возбужденного энергетического уровня на уровень излучения (переход 2). Энергетический уровень излучения является неустойчивым, поэтому далее происходит переход электрона с уровня излучения на исходный устойчивый уровень. В некоторых средах возвращение электрона с уровня возбуждения на устойчивый уровень происходит непосредственно, без промежуточного перехода на уровень излучения (резонансная люминесценция). Оптические измерительные преобразователи • Уровней возбуждения и уровней излучения в большинстве люминисцентных источников несколько, поэтому одновремено излучаются разные длины волн. В свою очередь, в жидкостях и особенно в твердых телах меж атомные (молекулярные) связи сильны, что приводит к уширению уровней и как следствие к генерации линейчатого спектра. Оптические измерительные преобразователи • Разница энергий уровня излучения W2 и устойчивого уровня W1 определяет энергию Wk и частоту f кванта оптического излучения: hf = Wk = W2 – W1. Энергия атома, освобождаемая при безызлучательном переходе, равна разности W3 − W2. • Как правило, длина волны «безызлучательного» перехода оказывается на несколько порядков больше характерных размеров излучающей системы, поэтому излучения не происходит и энергия переходит в энергию тепловых колебаний атомов. • При переходе электрона с уровня возбуждения непосредственно на устойчивый уровень тепловая энергия не выделяется, а энергия излучаемого кванта равна разности W3 − W1. • Отличительной особенностью люминесцентного излучения является то, что испускание кванта оптического излучения происходит с некоторой задержкой относительно момента возбуждения электронной оболочки атома. Оптические измерительные преобразователи • • • Источником излучения ксеноновой лампы является электрическая дуга в колбе, заполненной ксеноном. Дает яркий белый свет, близкий по спектру к дневному. Ксеноновые лампы можно разделить на следующие виды - с короткой и длинной дугой. Оптические измерительные преобразователи • • • • Среди люминесцентных источников оптического излучения наибольшее практическое использование имеют газоразрядные лампы и полупроводниковые светоизлучающие диоды. Газоразрядная лампа – это электроннооптический преобразователь, в котором оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях газов и паров. Газоразрядные лампы имеют высокую световую отдачу, а также могут обеспечивать различный спектральный состав излучения. Требуемые параметры оптического излучения по спектральному составу и силе света достигаются подбором состава газовой смеси, давления, расположения и формы электродов, выбором пространственного и временного распределения напряженности электрического поля и силы электрического тока. Благодаря этому можно получать спектры излучения, состоящие из одиночных линий и многополосные. Малая инерционность газоразрядных ламп обеспечивает возможность модуляции оптического излучения (стробоскопия, фотографирование и исследование быстропротекающих процессов). При необходимости изменения спектрального состава оптического излучения газоразрядной лампы и смещения спектра в длинноволновую область используется покрытие стенки стеклянной колбы люминофором, свечение которого происходит за счет фотолюминесценции под действием электролюминисценции газового разряда. Оптические измерительные преобразователи • • Светоизлучающий диод – полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе инжекционной люминесценции, происходящей в полупроводниковом кристалле с электронно-дырочным переходом. В результате диффузии носителей заряда из одной области в другую возникает контактное электрическое поле (контактная разность потенциалов), противодействующее дальнейшей диффузии электронов и дырок. Если приложить к p−n-переходу внешнее электрическое поле, направление которого противоположно контактному (прямое смещение, положительный потенциал приложен к p-области), то через переход потечет электрический ток. При этом в область полупроводника, прилегающую к переходу, инжектируются избыточные носители тока – электроны и дырки. Их рекомбинация приводит к понижению энергетического уровня участвующих в этом процессе электронов оболочек атомов, что сопровождается оптическим излучением. Светодиоды испускают некогерентное излучение с узким спектральным составом. Длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения, определяется полупроводниковым материалом и его легированием. КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Физические основы получения информации 2 часть Направление подготовки 12.03.01 «Приборостроение» Профиль «Аналитическое приборостроение и интеллектуальные системы безопасности» Москва, 2021 Оптические измерительные преобразователи • Лазерные источники оптического излучения. Лазер — квантовый генератор, источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения оптического диапазона. Обычно состоит из трёх основных элементов: 1. Источник энергии (система накачки). 2. Рабочее тело лазера. 3. Система зеркал (резонатор). Оптические измерительные преобразователи Лазерные источники оптического излучения. • • • При возбуждении атом рабочего тела лазера переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10−8 с), т.е. почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10−3 с : метастабильный уровень). Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации излучения. Создать инверсию населённостей непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя. Если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней. Оптические измерительные преобразователи • Газовые лазеры Рабочее тело Длина волны Гелий-неоновый лазер 632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм) Аргоновый лазер 488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм) Криптоновый лазер 416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм Ксеноновый лазер Множество спектральных линий по всему видимому спектру и частично в УФ и ИК областях. Азотный лазер 337,1 нм (316; 357 нм) Лазер на фтористом водороде 2,7—2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6—4,2 мкм (фторид дейтерия) Лазер на кислороде и йоде (COIL) 1,315 мкм Углекислотный лазер (CO2) 10,6 мкм, (9,6 мкм) Лазер на угарном газе (CO) 2,5—4,2 мкм, 4,8—8,3 мкм Эксимерный лазер 193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF) Оптические измерительные преобразователи • Лазеры на парах металлов (~ газовые) Рабочее тело Длина волны Гелий-кадмиевый лазер на парах кадмия 440 нм, 325 нм Гелий-ртутный лазер на парах ртути 567 нм, 615 нм Гелий-селеновый лазер на парах селена до 24 спектральных полос от красного до УФ Лазер на парах меди 510,6 нм, 578,2 нм Лазер на парах золота 627 нм Оптические измерительные преобразователи • Твердотельные лазеры (YAG – Алюмо Иттриевый Гранат) Рабочее тело Длина волны Рубиновый лазер 694,3 нм Алюмо-иттриевые лазеры, допированные неодимом (Nd:YAG) 1,064 мкм, (1,32 мкм) Лазер на фториде иттрия-лития с легированием неодимом (Nd:YLF) 1,047 и 1,053 мкм Лазер на ванадате иттрия (YVO4) с легированием неодимом (Nd:YVO) 1,064 мкм Лазер на неодимовом стекле (Nd:Glass) ~1,062 мкм (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла) Титан-сапфировый лазер 650—1100 нм Алюмо-иттриевые лазеры с легированием тулием (Tm:YAG) 2,0 мкм Алюмо-иттриевые лазеры с легированием иттербием (Yb:YAG) 1,03 мкм Алюмо-иттриевые лазеры с легированием гольмием (Ho:YAG) 2,1 мкм Церий-легированный литий-стронций (или кальций)-алюмофторидный лазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF) ~280-316 нм Лазер на александрите с легированием хромом Настраивается в диапазоне от 700 до 820 нм Волоконный лазер с легированием эрбием 1,53-1,56 мкм Лазеры на фториде кальция, легированном ураном (U:CaF2) 2,5 мкм Лазеры на халькогенидах цинка/кадмия, легированных переходными металлами (хромом,железом) (TM2+:AIIBVI, Cr2+:CdSe, Cr2+:ZnSe, Fe2+:ZnSe) Cr2+ 1,9-3,6 мкм, Fe2+ 4-5.5 мкм Оптические измерительные преобразователи Импульсные и непрерывные лазеры (по частотам) Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. • Приемники оптического излучения делятся на тепловые и фотоэлектрические • Принцип действия тепловых приемников основан на промежуточном преобразовании энергии излучения в тепловую и последующем ее преобразовании в электрический сигнал. Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. Поток оптического излучения, попадающий на измерительную пластину, поглощается диском и преобразуется во вносимый тепловой поток qвн. После окончания теплового переходного процесса и стабилизации температуры пластинки устанавливается тепловой баланс между вносимым тепловым потоком и тепловыми потоками теплоотдачи (рассеивания) в окружающую среду: qвн =qтп +qтс +qк +qл. Здесь qтп – тепловой поток теплопроводности в окружающую среду через элементы крепления пластинки и подключения термоэлектрического преобразователя; qтс – тепловой поток теплопроводности в окружающую среду; qк – тепловой поток конвекции в окружающую среду; qл – тепловой поток теплообмена излучением со стенками корпуса преобразователя. 1 – измерительная пластинка диск; 2 – термоэлектрический преобразователь; 3 – корпус; 4 – элементы крепления; 5 – прозрачная крышка Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. Установившееся значение температуры пластинки преобразователя tп определяется величиной вносимого оптическим излучением теплового потока, а также значениями тепловых проводимостей всех упомянутых видов теплообмена и температур среды tс и стенок корпуса tст. Для обеспечения точности преобразования потока оптического излучения в температуру пластинки должны быть снижены до возможного минимума тепловые потоки теплоотдачи (рассеивания) в окружающую среду. Уменьшение теплового потока qтп может быть достигнуто использованием для элементов крепления диска материалов с малой удельной тепловой проводимостью, уменьшения тепловых потоков qтс и qк можно достичь герметизацией корпуса и созданием внутри него вакуума, а уменьшения теплового потока qл – зеркальным покрытием стенок корпуса изнутри Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. Излучательная способность материалов (коэффициент серости) Материал Коэффициент излучения Полированный алюминий 0,03 Анодированный алюминий 0,55 Полированное золото 0,02 Полированное железо 0,21 Окисленное железо 0,64 Полированная сталь 0,07 Окисленная сталь 0,79 Черная сажа 0,95 Белая бумага 0,93 Дерево 0,90 Полированное стекло 0,94 Человеческая кожа 0,98 Вода 0,92 Снег 0,80 Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. Преобразователи, построенные на использовании пироэлектрического эффекта – поляризации диэлектрика вследствие нагрева. Пироэлектрики можно рассматривать как совокупность упорядоченно расположенных электрических диполей. Нагрев пироэлектрика приводит в результате теплового расширения к его деформации и проявлению пьезоэффекта. Кроме того, появлению поляризационных зарядов способствует тепловая деформация (удлинение) и нарушение первоначальной ориентации отдельных диполей. Структура пироэлектрического преобразователя, представляющего собой прямоугольный параллелепипед 1 из пироэлектрического материала, противоположные грани которого имеют электроды 2 для сбора индуцированных теплом электрических зарядов. Электрод, который подвергается воздействию теплового потока 3, покрыт теплопоглощающим слоем 4. Возникающая в результате проявления пироэффекта разность потенциалов U связана с изменением температуры кристалла Δt выражением: U pn h  t где pn – пироэлектрический коэффициент; h – толщина кристалла; ε – диэлектрическая проницаемость материала. Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. Принцип действия фотоэлектрических приемников оптического излучения основан на использовании явлений внешнего и внутреннего фотоэффектов Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) – испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду. Практическое значение имеет фотоэффект из твердых тел в вакуум. Покинувшие катод фотоэлектроны под действием электрического поля движутся к аноду, создавая электрический ток (фототок Iф). Внешний фотоэффект характеризуется следующими закономерностями. Количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения (поглощаемому фотокатодом световому потоку q). Для каждого вещества при определенной температуре существует порог минимальной частоты (или максимальной длины волны) излучения, за которым фотоэффект не возникает. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности. Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. Внутренний фотоэффект – передача энергии квантов излучения электронам вещества с изменением их энергетического состояния. Наибольшее использование для измерительных преобразований имеет внутренний фотоэффект в полупроводниках. Воздействие на полупроводник высокочастотного электромагнитного излучения вызывает возрастание числа носителей электрических зарядов – электронов и дырок. Это приводит к изменению электрического сопротивления полупроводника – фоторезистивный эффект, изменению электрического тока через p–n-переход – фотодиодный эффект, появлению ЭДС на p–n переходе – фотогальванический эффект. Фоторезистивный эффект объясняется увеличением в полупроводнике за счет энергии излучения числа свободных электронов (а соответственно и вакансий – дырок) вследствие преодоления ими энергетического барьера, отделяющего энергетические зоны валентных и свободных электронов. Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. Внутренний фотоэффект имеет селективный по длине волны и частоте излучения характер. Зависимость относительной спектральной чувствительности полупроводникового фоторезистора Sf от частоты излучения f. S f  R  R max Здесь ΔR – изменение электрического сопротивления под действием излучения частоты f; ΔRmax – максимальное изменение электрического сопротивления под действием излучения частоты fmax, при которой это изменение максимально. В интервале частот, меньших fmax, при уменьшении частоты наблюдается снижение чувствительности полупроводникового фоторезистора до нуля, что обусловлено пропорциональным снижением с уменьшением частоты энергии световых квантов. Плавное снижение чувствительности полупроводникового фоторезистора с ростом частоты в интервале частот больших fmax обусловлено уменьшением проникающей способности высокочастотного излучения через поверхностный слой полупроводника. Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. Фотодиодный и фотогальванический эффекты наблюдаются при наличии в полупроводнике p–n-перехода. Объясняются возрастанием в нем при воздействии излучения числа неосновных носителей (электронов в p-области и дырок в n-области). Благодаря диффузии электронов из n-области полупроводника в p-область, а дырок – из p-области в nобласть, на p–n -переходе возникает контактная разность потенциалов Uк. Наличие этого потенциального барьера ограничивает до минимума протекание через переход электрического тока основных носителей, определяющих проводимость соответствующей области полупроводника (дырок в p-области и электронов в n-области). Оптические измерительные преобразователи Приемники оптического излучения. Тепловые приемники оптического излучения. Фотоэлектрические приемники оптического излучения. Области применения измерительных преобразований в полях оптических излучений. В фотодиодном режиме полупроводника с p–n-переходом (фотодиода) к нему прикладывается внешнее напряжение Uсм (обратное смещение диода), совпадающее по направлению с контактной разностью потенциалов Uк (первый рисунок). В этом случае ток основных носителей полностью прекратится и ток через переход будет определяться обратным током неосновных носителей, возникающих под действием внешних воздействий (теплового, оптического, ионизирующего) в непосредственно прилегающих к p–n -переходу обедненных носителями областях полупроводника (электронов в p-области и дырок n-области). Фотодиодному режиму соответствует область отрицательных значений напряжения вольтамперных характеристик фотодиода. Upn – приложенное к полупроводниковому элементу напряжение, Iф – фототок через элемент.. Фотогальваническому режиму соответствует область положительных значений напряжения Upn вольтамперных характеристик. Рабочая точка характеристики фотогальванического элемента в режиме холостого хода находится в точке пересечения соответствующей конкретному значению потока q вольтамперной характеристики фотоэлемента КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Физические основы получения информации 2 часть Направление подготовки 12.03.01 «Приборостроение» Профиль «Аналитическое приборостроение и интеллектуальные системы безопасности» Москва, 2021 Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ.   E1 t   E10  cos1t    E 2 t   E 20  cos 2t    В 1801 году Томас Юнг, дал объяснение и ввёл термин «интерференция». Он также выполнил эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света. Интерференция электромагнитных волн — перераспределение интенсивности в результате наложения (суперпозиции) нескольких волн. Интерференция обычно характеризуется чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности света. Конкретный вид такого распределения интенсивности света в пространстве или на экране, куда падает свет, называется интерференционной картиной.       2 2 2           I ~ E1 t  E 2 t  E1  E 2  2  E1 t  E 2 t ~ I 1  I 2  2  E1 t  E 2 t    Напряженность результирующей волны будет равна их сумме волн E1 и E2. Интенсивность результирующей волны пропорциональна усредненному по времени квадрату напряженности электрического поля E Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ.   2  E1 t   E 2 t  называется интерференционным членом. Он обращается в нуль, если: 1) плоскости поляризации обеих волн взаимно перпендикулярны; 2) частоты колебаний E1 и E2 не равны друг другу. В этих случаях говорят, что волны не когерентны: интенсивность результирующей волны просто равна сумме интенсивностей падающих волн. Возможность регистрации интерференции на ранних этапах исследования сводилась к наблюдению лишь постоянных во времени картин распределения интенсивности, возникающих при пространственном пересечении двух пучков монохроматического света одинаковой частоты. Для наблюдения этой картины необходимо постоянство разности фаз колебаний обеих волн в данной точке пространства в любой момент времени. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Предположим, что обе волны имеют одинаковые частоты и одинаково линейно поляризованы. E1 t   A1  eit E2 t   A2  e i t   → A 2  A12  A22  2 A1 A2 cos  → I  I 1  I 2  2 I 1 I 2 cos  Если интенсивности обеих волн одинаковы, то I  2 I 0  1  cos  Интенсивность света в точке наблюдения зависит исключительно от разности фаз  между волнами. В широком смысле интерференция существует при пересечении любых волн, и для своей реализации не нуждается в дополнительной “когерентности” этих волн. В общем случае интерференционная картина представляет собой не стоячую, а бегущую волну (в случае различных частот волн), или хаотически осциллирующую картину (в случае несвязанных начальных фаз волн). Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Предположим, что вдоль направления s распространяется монохроматическая волна E s, t   E0 cosks  t   0  Для двух точек с координатами s1 и s 2, находящихся на расстоянии s  s2  s1 разность фаз, зафиксированная в один момент времени, равна друг от друга,    2  1  ks2  t   0   ks1  t   0   k s2  s1   k  s Разность хода одинакова для всех частот и длин волны, в то время как разность фаз зависит от частоты и длины волны.   k  s  2   s Рассмотрим подробнее эксперимент Томаса Юнга Монохроматический источник света находится перед непрозрачным препятствием с двумя точечными отверстиями, расположенными в точках О1 и О2. Эти отверстия становятся точечными монохроматическими источниками (длина волны , интенсивность каждого I0), расположенными на расстоянии d друг от друга. Экран для наблюдения удален от источников на расстояние L>>d. Разность хода между лучами от источников в зависимости от координаты х на экране будет выражаться: Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. d  s12  L2   x   2  s  xd L 2 2 s22  s12 2 d  d    x     x    2x  d 2  2  Разность фаз выражается   k  s  2   xd xd  2  L L Интенсивность света на экране I (x) (при условии одинаковости интенсивностей I1 = I2 = I0) определяется как x  d    I  x   2 I 0 1  cos    2 I 0   1  cos  2       L    В схеме Юнга в центре находится максимум нулевого порядка, затем следуют максимумы первого, второго, третьего и т.д. порядков. Для характеристики четкости интерференционной картины вводится понятие видности: V  I max  I min I max  I min Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Разделение света от источника можно осуществить двумя способами: 1) методом деления волнового фронта (билинза, бипризма, бизеркало, схема Юнга) 2) методом деления амплитуды (кольца Ньютона, тонкие пленки, интерферометры Майкельсона, Жамена) Точечный источник Оптическая схема деления пучка изобр.1 Область интерференции изобр.2 Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Интерферометр Майкельсона является одной из наиболее распространенных скелетных схем интерферометра Двухлучевой интерферометр Альберта Майкельсона позволил впервые измерить длину волны света. Был использован Майкельсоном и Морли для проверки гипотезы о «светоносном эфире» в 1887 году. Состоит из светоделительного зеркала, разделяющего входящий луч на два, которые в свою очередь, отражаются зеркалом обратно. На полупрозрачном зеркале разделённые лучи вновь направляются в одну сторону, чтобы, смешавшись на экране, образовать интерференционную картину. Длина когерентности используемого источника света определяет максимальную разность между плечами интерферометра. Интерферометр Майкельсона представляет собой достаточно точное устройство для контроля позиционирования объекта в пространстве, его угловой юстировки и плоскостности. Специальные методы точного измерения распределения интенсивности в плоскости экрана позволяют повысить точность позиционирования до единиц нанометров. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Интерферометр Майкельсона находит применение в оптических гироскопах, основанных на эффекте Саньяка, для контроля сдвига интерференционной полосы, порожденного вращением. Интерферометр Саньяка - однопроходной интерферометр, в котором лучи распространяются по одному и тому же оптическому пути в противоположных направлениях. Интерферометр Саньяка характеризуется высокой стабильностью и простотой юстирования. Свет разделяется полупрозрачной пластинкой-делителем на два луча, распространяющихся по кругу и сводимых зеркалами обратно на делитель. Благодаря симметрии схемы, вне зависимости от положения зеркал между лучами сохраняется постоянная разница хода. Создать ненулевой сдвиг фазы между лучами можно вращением интерферометра. Этот сдвиг возникает вследствие релятивистского закона сложения скоростей. В случае кольцевого интерферометра, в котором зеркала рассматриваются расположенными по окружности радиуса, и их количество стремится к бесконечности, фазовый сдвиг может быть рассчитан по формуле 4 S    c2  R  1   c   2 S — площадь кольца интерферометра, ω — частота источника света в системе отсчета, связанной с вращающимся интерферометром, Ω — угловая скорость вращения системы. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Интерферометр Кюстерса является модификацией интерферометра Майкельсона, предназначенной для измерения толщины тонких прозрачных объектов или неровностей зеркал Пучок света от практически точечного источника L (S1), находящегося в фокусе линзы O1, превращается этой линзой в параллельный пучок (или лазерное излучение, не коллимированное дополнительной линзой). Далее этот пучок полупрозрачным плоским зеркалом P1 делится на два, каждый из которых отражается назад зеркалами М2 и М1 соответственно. Эти два отраженных пучка формируют в точке S2 интерференционную картину. В случае, когда зеркала М2 и М1 оба плоские и находятся в оптически сопряженных относительно делителя плоскостях, в S2 получаем нулевую полосу интерференции. Если к одному из зеркал контактно присоединить тонкий прозрачный объект возникнет интерференционная картина на фоне изображения объекта Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Интерферометр Жамена представляет собой одно из наиболее чувствительных к разности фазовых набегов волн интерференционных устройств, применяется при исследовании показателя преломления газов. В интерферометре Жамена свет проходит через две одинаковые плоскопараллельные стеклянные пластины толщиной не менее 20 мм. От толщины пластин зависит расстояние между лучами, интерференция которых изучается. Её делают достаточной для помещения на пути лучей двух кювет с газами. Пластины устанавливаются под углом в 45° к линии, которая соединяет их центры. При падении пучка света на первую пластину, он частично отражается от её внешней и внутренней поверхностей, расщепляясь на два луча. При этом расстояние между лучами зависит от толщины пластины. Основными недостатками интерферометра Жамена является сложность создания пластин для УФ диапазона и сложность изготовления одинаковых по толщине пластин толще 5 см. При этом такие пластины очень медленно приходят в состояние теплового равновесия со средой при изменении её температуры. Недостатки интерферометра Жамена были позднее устранены в интерферометрах Рождественского и Маха — Цендера и интерферометре Рэлея. Сам интерферометр Жамена для измерения показателей преломления газов со временем был заменён интерферометром Рэлея. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Интерферометр Рэлея представляет собой одно из наиболее чувствительных к разности фазовых набегов волн интерференционных устройств, что позволяет использовать его для точного определения показателей преломления газов при давлении, близком к атмосферному. Пучок света от точечного источника S, находящегося в фокусе линзы, превращается этой линзой в параллельный пучок. Далее, за линзой, располагается диафрагма с двумя симметричными относительно главной оси системы отверстиями - вторичными источниками S1 и S2, формирующими два параллельных тонких пучка. Эти пучки, затем, фокусируются второй линзой на экран, находящийся в ее фокальной плоскости. В результате возникает интерференционная картина из горизонтальных полос. При этом в отсутствии по ходу распространения пучков между линзами дополнительных объектов с показателями преломления n1 (K1 - кювета с исследуемым газом) и K2 (компенсатор фазового набега), нулевой максимум интерференционной картины лежит на оси системы. Если внести кювету с исследуемым газом K1 (n1), и такую же кювету с газом, зависимость показателя преломления которого от давления известна, то пучки получат дополнительную разность хода. При этом нулевая полоса интерференционной картины сместится. Далее необходимо уравнять показатели преломления исследуемого газа и эталонного в двух кюветах, что достигается вариацией давления последнего. В итоге получают точные сведения о показателе преломления исследуемого газа. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Интерферометр Дайсона, является специальной модификацией интерферометра Жамена, предназначенной для исследования показателя преломления микроскопических прозрачных объектов Основу прибора составляют два одинаковых клина из стекла G1,G2. Поверхности их покрыты полупрозрачным отражающим слоем серебра. Нижняя поверхность клина G1 имеет в центре малого диаметра (порядка размера объекта O) часть стопроцентно отражающего покрытия. Клинья отюстированы параллельно друг другу и погружены в имерсионную жидкость (имеющую тот же показатель преломления как и стекло клиньев). Исследуемый объект О помещается на оптической оси на равном расстоянии от обоих клиньев. Верхняя сферическая грань которой формирует изображение объекта в отраженных лучах в центре грани, как показано на рисунке. Разность хода световых лучей, формирующих оба изображения, определяется только разностью толщин клиньев G1,G2 и оптической толщиной исследуемого объекта О. Интерферометр Дайсона используется как основа интерференционных микроскопов - приборов для исследования формы и показателя преломления микроскопических объектов. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Интерферометр Фабри-Перро является одним из важнейших приборов класса многолучевых интерферометров. Он широко используется как в спектроскопии для разрешения тонкой структуры спектральных линий, так и в лазерной технике - для создания лазерных резонаторов и селекции продольных мод в них. Конструкция простейшего лазерного диода основана на резонаторе Фабри-Перо. Основным достоинством такого лазера является простота конструкции. Отражатели резонатора получают простым скалыванием образца искусственного кристалла вдоль атомных плоскостей, перпендикулярных оси резонатора. Обычно такие диоды являются многомодовыми источниками, т.е. в них наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Основу интерферометра Фабри-Перро составляют два параллельных друг другу плоских полупрозрачных зеркала. Падающая на них плоская монохроматическая волна многократно отражается в зазоре между зеркалами. При этом много раз отраженная волна на выходе из системы будет иметь малую интенсивность и дополнительный набег фазы. На выходе из резонатора происходит сложение указанных волн. При больших коэффициентах отражения ширина интерференционных максимумов резко сужается. Отношение смещения двух соседних максимумов к ширине максимума называется тонкостью интерферометра. Эта величина характеризует разрешающую способность интерферометра Фабри-Перро как спектрального прибора. При освещении интерферометра расходящимся пучком монохроматического света угловой спектр прошедшего излучения будет представлять собой систему освещенных узких колец. Усилению в таком резонаторе подлежат не все длины волн внутри полосы усиления среды, а только те из них, которые удовлетворяют условию интерференционного максимума Фабри-Перро. Таких частот (продольных мод лазера), в зависимости от длины резонатора и ширины полосы усиления среды, в контуре усиления укладывается от 2-3 (He-Ne лазеры с длинным резонатором) до десятков тысяч (лазеры на красителях). Моды могут генерироваться независимо друг от друга, поэтому их разности фаз являются случайными функциями времени. Это приводит к уменьшению длины когерентности получаемого излучения. Для увеличения длины когерентности излучения осуществляют так называемую селекцию продольных мод, то есть создают условия, при которых число генерируемых мод снижается до одной. Такая селекция достигается внесением в основной лазерный резонатор одного или двух дополнительных эталонов Фабри-Перро существенно меньшей толщины, чем основной резонатор. Генерация становится возможной только в том случае, когда длина волны излучения удовлетворяет условию максимума пропускания одновременно для исходного и дополнительных резонаторов. В итоге число мод основного резонатора, удовлетворяющих этим дополнительным условиям, оказывается единичным в пределах ширины полосы усиления активной среды. КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Физические основы получения информации 2 часть Направление подготовки 12.03.01 «Приборостроение» Профиль «Аналитическое приборостроение и интеллектуальные системы безопасности» Москва, 2021 Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. При дифракции световые волны огибают границы непрозрачных тел и могут проникать в область геометрической тени. Принцип Гюйгенса-Френеля : Проникновение световых волн в область геометрической тени объясняется с помощью принципа Гюйгенса. В соответствии с этим принципом каждая точка, до которой доходит волновое движение, служит центром вторичных волн; огибающая этих волн дает положение фронта волны в следующий момент. Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. В соответствии с принципом Гюйгенса–Френеля каждый элемент dS волновой поверхности S служит источником вторичной сферической волны, амплитуда которой пропорциональна величине элемента dS. Амплитуда сферической волны убывает с расстоянием r от источника по закону A 1 r От каждого участка dS волновой поверхности в точку P., лежащую перед этой поверхностью, приходит волна с напряженностью поля dE : dE  KA 0 dS 1 cos  t  kr  r Интеграл Гюйгенса – Френеля представляет собой математическую формулировку принципа 1 E   K  a0 cos t  kr dS r S Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Различают два вида дифракции: - дифракция Френеля – дифракция в сходящихся лучах; - дифракция Фраунгофера (дифракция в параллельных лучах) - источник света и точка наблюдения расположены от препятствия далеко, падающие на препятствие и идущие в точку наблюдения лучи образуют практически параллельные пучки. Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Дифракция на отверстии Дифракция на щели Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Зоны Френеля Разобьем волновую поверхность на кольцевые зоны так, чтобы расстояния от краев каждой зоны до точки  отличались друг от друга на половину длины волны 2 Первая зона Френеля ограничивается точками волновой поверхности, расстояния от которых до точки P равны: r1  b  где λ — длина световой волны  2 Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Условие минимума Когда на отверстии укладывается четное число зон, то в точке наблюдения возникнет минимум (темное пятно) Условие максимума Когда на отверстии укладывается нечетное число зон, то в точке наблюдения возникнет максимум (светлое пятно) Оптические измерительные преобразователи Интерференция волн оптического излучения. Интерферометры. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах и рентгеноструктурный анализ. Зоны Френеля и линза Френеля Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом Принципы построения теории строения атома. Лагранжева механика Функция Лагранжа обычно берётся в виде разности кинетической и потенциальной энергии системы 1 L  mx 2  V  x  2 Уравнения движения системы (в обобщенных координатах qi) получаются следующим образом: d L L  0 dt qi qi Система этих уравнений является следствием принципа наименьшего действия: t2 S   Lq, q , t dt , t1 S  0 Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом Функция Гамильтона (гамильтониан) — функция, зависящая от обобщённых координат, импульсов, времени, описывающая динамику системы в гамильтоновой формулировке классической механики. H ( p, q, t ) p   p1 , p2 ... pn  набор обобщенных импульсов, описывающий данную систему q  q1 , q2 ...qn  набор обобщенных координат Для консервативных систем функция Гамильтона представляет полную энергию (выраженную как функция координат и импульсов), то есть сумму кинетической и потенциальной энергий системы. Функция Гамильтона связана с лагранжианом через преобразование Лежандра: H  p  q  L Гамильтониан в квантовой теории — оператор полной энергии системы. Его спектр — это множество возможных значений при измерении полной энергии системы. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом Гамильтониан генерирует временную эволюцию квантовых состояний, которая описывается уравнением Шредингера, сформулировано Эрвином Шрёдингером в 1925 году, опубликовано в 1926 году. Уравнение Шрёдингера не выводится, а постулируется по аналогии с классической оптикой.  i   H t t  2 2   i  r , t       V r , t   r , t  t  2m  Потенциальная энергия U(x) в одномерной яме с бесконечными границами, частица находится в области 0 ≤ x ≤ L. Вне этой области ψ(x) = 0. Уравнение Шредингера для частицы, находящейся в области 0 ≤ x ≤ L: d 2  x  2mE    x  2 2 dx  Волновая функция, являющаяся решением этого уравнения, имеет вид  x   A sin kx  B cos kx, k  2mE 2 Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом Внутри потенциальной ямы с бесконечно высокими стенками устанавливаются стоячие волны, а энергия состояния частиц имеет дискретный спектр значений En  2 k 2  2 2 n 2 En   , n  1,2,3... 2m 2mL2 В сферических координатах стационарное уравнение Шредингера для частицы в центральном потенциальном поле U(r) имеет вид  2  1   2   1     1  2   r   sin      U r   E 2m  r 2 r  r  r 2 sin      r 2 sin 2   2  После решения уравнения получаем распределения вероятности нахождения электрона в области ядра атома Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом Принцип неопределенности Гейзенберга – задает связь между возможными измеряемыми размерами (положением) и импульсом (массой, скоростью) частицы, т.е. положение электрона при его массе может быть определено с точностью до размеров порядка размеров электронной оболочки атома.  x  mv  2 Электроны распределяются в атоме в дискретных «слоях», характеризуемых дискретными уровнями энергии. Каждый слой может содержать не больше определенного числа электронов. Самый близкий к ядру K-слой содержит не более двух электронов, а следующие в порядке удаления от ядра L-, M-, N-, O-, P- и Q-слои, соответственно, не больше 18, 32, 18, 12 и 2 электронов. Устойчивым состоянием атома является то, в котором электронами заполняются нижние вакантные уровни. Переход электрона на более высокий уровень соответствует неустойчивому возбужденному состоянию атома. Обратный переход электрона (этого или другого) на более низкий вакантный энергетический уровень сопровождается выделением энергии в виде тепловой либо электромагнитного излучения. . Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом Большинство химических и физических свойств атомов определяется строением его внешних электронных оболочек (энергетическая зона валентных электронов), в которых электроны связаны относительно слабо. В частности, обмен между атомами валентными электронами обусловливает их химические соединения. Этими же электронами определяются электрические и магнитные свойства материалов. Во внутренних оболочках электроны связаны гораздо сильнее (в сотни раз) и вступают во взаимодействие только с быстрыми частицами либо электромагнитными квантами высокой энергии. Ионизирующее излучение – потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул. Ионизирующими излучениями являются рентгеновское и γ-излучение, потоки α-частиц (ядер гелия), электронов, позитронов, протонов и нейтронов. Рентгеновское и γ-излучение по своей природе – высокочастотные электромагнитные волны. Диапазон длин волн рентгеновского излучения 10–12…10–8 м. Диапазон длин волн γ-излучения 10–14…10–10 м. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом Ионизирующее электромагнитное излучение называется фотонным, а ионизирующее излучение в виде потока заряженных частиц или нейтронов – корпускулярным. Ионизация фотонами рентгеновского и γ-излучения может быть непосредственной − первичной, а также, в большей степени, вторичной, обусловленной электронами, образующимися при взаимодействии фотонов с веществом. Заряженные частицы ионизируют среду непосредственно при столкновении с ее атомами и молекулами (первичная ионизация). Выбиваемые при этом электроны, если они обладают достаточно большой энергией, так же могут ионизировать (вторичная ионизация). В случае быстрых нейтронов ионизация обусловлена ядрами отдачи или другими частицами, возникающими при взаимодействии нейтронов со средой. Поток ионизирующих частиц – число ионизирующих частиц, проникающих в единицу времени в объем элементарной сферы. Единица измерения – частиц/с. Плотность потока ионизирующих частиц – отношение числа ионизирующих частиц, проникающих в единицу времени в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы. Единица измерения – частиц/м2⋅с. Перенос энергии ионизирующих частиц – переносимая ионизирующим излучением энергия в единицу времени через элементарную сферу к площади поперечного сечения этой сферы. Единица измерения – Вт/м2. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом Доза ионизирующего излучения – энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества. Единица измерения в системе СИ – Дж/кг, внесистемная единица – рад = 10–2 Дж/кг. Экспозиционная доза фотонного излучения – отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных в элементарном объеме воздуха к массе воздуха в указанном объеме. Единица измерения в системе СИ – Кл/кг, внесистемная единица – рентген (Р) = 2,6⋅⋅10–4 Кл/кг. Мощность дозы ионизирующего излучения – приращение поглощенной дозы в единицу времени. Единица измерения в системе СИ – Вт/кг, внесистемная единица – рад/с = 10-2 Вт/кг. Мощность экспозиционной дозы фотонного излучения – приращение экспозиционной дозы фотонного излучения в единицу времени. Единица измерения в системе СИ – А/кг, внесистемная единица – Р/с = 2,6⋅10–4 Кл/кг. Взаимодействие излучения с веществом. Рентгеновское и γ-излучение при прохождении через вещество теряют свою энергию за счет рассеяния и преобразования в кинетическую энергию электронов. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Строение атома Природа ионизирующего излучения Характеристики ионизирующих излучений Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Физические основы получения информации 2 часть Направление подготовки 12.03.01 «Приборостроение» Профиль «Аналитическое приборостроение и интеллектуальные системы безопасности» Москва, 2021 Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Для получения ионизирующих излучений используются главным образом ускорители, радиоактивные источники и ядерные реакторы Радиоактивные источники – природные и искуственные Уран и торий стали первыми известными человеку радиоактивными элементами. Именно на урановой руде Анри Беккерель обнаружил новое проникающее излучение, подобное рентгеновскому, именно из нее Мария Склодовская-Кюри получила первые крупицы радия и полония. Уран и торий –единственные долгоживущие радиоактивные элементы Периоды 8 10 полураспада: 238U tпр= 4.5 109 лет 235U tпр = 7.0 10 лет 232Th tпр = 1.4 10 лет Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Уран Протактиний Торий Актиний Радий Франций Радон Астат Полоний Висмут Свинец Таллий Ртуть Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Объектив Takumar (Pentax ~1970) является источником альфа излучения из-за оксида тория, входящего в состав заднего стеклянного элемента (линзы), и многие старые японские объективы обладают этим свойством (из современных Mitakon) Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Источники альфа-излучения Америций-241 Период полураспада : 432,1 года. Энергии альфа-излучения: α1 5485,6 кэВ (84,6%) α2 5442,9 кэВ (13,1%) Источник α-излучения на основе радионуклида 241Am предназначен для использования в качестве репера в системах амплитудной стабилизации установок радиационного контроля. Кюрий-244 Активная часть – подложка в форме диска, в поверхностном слое которой зафиксирован радионуклид кюрий-244 в виде сплава или соединения с материалом подложки (платина, иридий, родий, никель и др.), помещена в капсулу из титана. Рабочей поверхностью источника является окно (титановая фольга толщиной 0,003 мм). Открытые источники альфа-излучения предназначены для элементного анализа твердых веществ методом обратного рассеяния альфа-частиц и рентгенофлюоресцентного анализа. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Плутоний-239 Радиоизотопные приборы (автоматические пожарные извещатели дыма, устройства газовой хроматографии, газоанализаторы и т. п.). Уран-234, Уран-238 Для поверки и градуировки радиометрической аппаратуры в качестве мер активности радионуклидов. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Источники бета-излучения Криптон-85 85Kr Период полураспада: 10,758 лет Энергия бета-частиц: maxβ 687 кэВ —β 251 кэВ Источник представляет собой цилиндрическую капсулу из сплава титана или нержавеющей стали, имеющую выходное окно для бета-излучения, выполненное из такого же материала (0,04 мм для сплавов титана и 0,025 мм для нержавеющей стали), заполненную газообразным радионуклидом 85Kr. Никель-63 63Ni Период полураспада: 100,1 лет Энергия бета-частиц: maxβ 65,9 кэВ (100%) —β 17 кэВ Источник представляет собой металлическую подложку в виде пластины из металлического никеля, на которую с одной стороны нанесен методом электроосаждения радионуклид 63Ni. Активная часть герметизируется защитным слоем никеля. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Прометий-147 Область применения: Радиоизотопные приборы, генераторы ионов, нейтрализаторы статического напряжения. Стронций-90 + Иттрий-90 Период полураспада: 90Sr: 28,79 лет 90Y: 64,1 часа Энергия бета-частиц: —β 562 кэВ (200%) β1 546 кэВ (100%) β2 2274 кэВ (100%) Все источники на основе 90Sr содержат равновесное количество дочернего изотопа 90Y. Тритий 3H Период полураспада: 12,32 лет Энергия бета-частиц: maxβ 18,59 кэВ —β 5,69 кэВ Источник представляет собой металлическую подложку, на одну из сторон которой нанесен тонкий слой титана, насыщенного тритием. На поверхность источника наносится тонкий слой алюминия. Материалподложки - нержавеющая сталь, молибден или медь. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Источники гамма-излучения Америций-241 Область применения: Радиоизотопные приборы. 241Am Период полураспада: 432,6 года Энергия гамма-квантов: 59,5 кэВ (35,8%) Барий-133 Область применения: Радиоизотопные приборы. 133Ba Период полураспада: 10,54 лет Энергия фотонов: XK 31 - 36 кэВ (122%) γ181,0 кэВ (32,9%) γ2276,4 кэВ (7,17%) γ3302,9 кэВ (18,3%) γ4356,0 кэВ (62,0%) γ5383,9 кэВ (8,93%) Иридий-192 Область применения: Гамма-радиография. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Кобальт-57 57Co Область применения: Для проверки работоспособности дозиметров. Период полураспада: 271,8 дня Энергия гамма-квантов: γ114,40 кэВ (9,2%) γ2122,06 кэВ (85,5%) γ3136,47 кэВ (10,7%) Кобальт-60 60Co Период полураспада: 5,271 лет Энергия гамма-квантов: γ11173,2 кэВ (99,85%) γ2 1332,5 кэВ (99,98%) Область применения: Гамма-радиография, радиоизотопные приборы, облучательные установки, использование в шланговых гамма-терапевтических аппаратах внутриполостного облучения. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Радий-226 226Ra Период полураспада: 1600 лет Радий-226 находится в равновесии с продуктами своего распада. Применение: Источник применяется для градуировки дозиметрической и радиометрической аппаратуры. Цезий-137 137Cs Период полураспада: 130,018 лет Энергия гамма-квантов: 661,66 кэВ (84,98%) Область применения: Гамма-радиография, облучательные установки, радиоизотопные приборы для контроля процессов. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Особый тип источников - источники нейтронного излучения. Нейтроны не появляются при обычном распаде и должны производится технически. Прямой метод заключается в использовании очень тяжелых изотопов, например, 252Cf, получаемых в ядерных реакциях. Ядра Калифорния настолько велики, что стремятся к спонтанному расщеплению, в результате которого появляются несколько нейтронов. Для получения нейтронов можно также использовать ядерные реакции. Например, для 124Sb возможна γ-n реакция, а для 9Be – реакция α -n: Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Для получения гамма-излучения с энергией менее 500 кэВ обычно используются рентгеновская трубка В большинстве промышленных рентгеновских аппаратов используются вращающиеся аноды-мишени, в результате можно добиться более или менее равномерного нагревания всей поверхности анода. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Существует два типа рентгеновского излучения – с линейчатым спектром, называемое характеристическим, и со сплошным спектром, называемое белым. Белое рентгеновское излучение вызывается торможением быстрых электронов при их движении в веществе. Характеристическое излучение возникает в результате вырывания электрона с одной из близких к ядру оболочек атома (анода). На освободившееся место переходит электрон из более удаленных от ядра оболочек. Это приводит к возникновению рентгеновского фотона соответствующей частоты. Последовательные переходы электронов идут до полного перераспределения по состояниям в атоме, таким образом, формируется линейчатый спектр излучения. Непрерывный рентгеновский спектр тормозного излучения ограничен со стороны малых длин волн некоторой наименьшей длиной волны, называемой границей сплошного спектра. Появление границы связано с тем, что максимальная энергия рентгеновского кванта, возникшего за счет энергии электрона, не может превышать энергии: При ускоряющем напряжении 250 кВ минимальная длина волны λmin= 5*10-12м Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Принцип работы ускорителей основан на воздействии на заряженную частицу силами электрического и магнитного полей. Общим для всех ускорителей электронов является наличие источника частиц (термоэлектрическая эмиссия электронов из нагреваемого катода, плазменный разряд, автоэлектронная эмиссия), наличие ускоряющего электрического поля и создание в рабочей зоне ускорителя вакуума, обеспечивающего беспрепятственное движение ускоряемых частиц. Различают высоковольтные, индукционные и резонансные ускорители. • В прямых линейных ускорителях частица однократно проходит электрическое поле с большой разностью потенциалов. • Ускорителем индукционного типа является бетатрон. Здесь использовано возникновение в ускорительной камере вихревого электрического поля под влиянием переменного магнитного поля электромагнита. • В резонансных циклических ускорителях, ускоряемая частица многократно проходит через переменное электрическое поле по замкнутой траектории, каждый раз увеличивая свою энергию. КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Физические основы получения информации 2 часть Направление подготовки 12.03.01 «Приборостроение» Профиль «Аналитическое приборостроение и интеллектуальные системы безопасности» Москва, 2021 Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Регистрация ионизирующих излучений основана на эффектах, сопровождающих ионизацию газов (ионизационное преобразование), фазовые переходы в неустойчивых средах, полупроводников (фотоэлектрическое преобразование), воздействие на сцинтилляторы (сцинтилляционное преобразование) и фотоэмульсию (рентгенографическое преобразование). Ионизационное измерительное преобразование Ионизационные детекторы излучения представляют собой заполненный газом объём для создания в нём соответствующего электрического поля. Ионизирующее излучение, попавшее в объём детектора, производит в нём первичную ионизацию газа либо непосредственно за счёт потери энергии излучением (в случае заряженных частиц), либо через вторичные эффекты взаимодействия с газовой средой (в случае нейтральных частиц или γ-квантов). Электроны или ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа, движутся в электрическом поле между электродами, создавая тем самым ионизационный ток. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений В зависимости от режима работы детектора выходной сигнал с него может поступать в непрерывном или дискретном виде. В первом случае интенсивность излучения, попавшего в объём детектора, определяется средней величиной ионизационного тока (интегральный режим), а во втором случае – числом импульсов в единицу времени (импульсный режим). Энергия излучения определяется по амплитуде выходного сигнала в импульсном режиме. В соответствии с характером процесса, обеспечивающего регистрацию излучения, различают ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера. Наиболее обширную группу детекторов этого типа образуют газонаполненные детекторы. Простейшим из газонаполненных детекторов является ионизационная камера. Она представляет собой систему двух электродов в объеме, заполненном инертным газом (чаще всего аргоном и неоном). 1 – окуляр; 2 – шкала; 3 – корпус ионизационной камеры с креплением объектива; 4 – нить электроскопа; 5 – внутренний электрод; 6 – конденсатор; 7 – гайка; 8 – кольцо; 9 - малогабаритная ионизационная камера; 10 – объектив; 11 – пружинный держатель; 12 – защитная оправа; Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений При U=0 все ионы, созданные начальной ионизацией, полностью рекомбинируют в нейтральный газ. В электрическом поле ионы приобретают направленное движение к электродам, причём их скорость зависит от напряжённости поля и подвижности ионов два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объеме. При увеличении поля скорость ионов увеличивается, что уменьшает вероятность рекомбинации ионов в газе. По мере увеличения напряжения число собираемых ионов возрастает до насыщения, при котором все ионы, созданные начальной ионизацией, оказываются полностью собранными на электродах. Насыщение сохраняется при дальнейшем увеличении U участок II. Этот участок кривой называют областью насыщения. Именно в этой области работают ионизационные камеры. При увеличении напряжения электроны, созданные в результате первичной ионизации, ускоряются полем настолько, что при столкновении с нейтральными атомами газа ионизируют их. Происходит газовое усиление. При этом амплитуда импульса сначала растет пропорционально первичной ионизации. В этой области III работают пропорциональные счетчики. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений На участке V газовое усиление возрастает настолько, что собираемый заряд не зависит от первичной ионизации. Это так называемая область Гейгера. Однако разряд, как и в предыдущих областях, остается вынужденным, т. е. начинается после прохождения ионизирующей частицы. Это область работы счётчиков Гейгера-Мюллера. Ионизационная камера. Под чувствительностью детектора понимают минимальный ионизационный ток, который можно измерить с помощью детектора. Чем выше чувствительность, тем меньшую интенсивность излучения обнаруживает детектор. Высокочувствительными ионизационными камерами измеряются токи до 10-15 А. При работе ионизационной камеры под напряжением в области плато ток насыщения Jн изменяется по линейному закону в зависимости от интенсивности излучения I. За единицу времени в каждой единице объема газа образуется N=bE/ε ионных пар, где Е - энергия частиц, b — доля энергии частицы, поглощаемая в единице объема газа, а ε энергия образования ионной пары. Так как рабочий объем конкретной камеры постоянен, то ток насыщения Jн=aI пропорционален интенсивности излучения I. Эту важнейшую закономерность используют при измерении ядерных излучений ионизационной камерой. Измеритель тока градуируют на единицы интенсивности излучения, что упрощает обработку результатов измерений. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений При различных давлениях излучение постоянной интенсивности создает неодинаковое количество ионных пар в единице объема. С повышением давления плотность ионов становится больше и рекомбинация ионов увеличивается. С повышением давления увеличивается плотность ионов и уменьшается доля ионов, не участвующих в процессе рекомбинации. Конкуренцией этих двух эффектов объясняется зависимость ионизационного тока J от давления. В небольшом интервале давлений, который является характеристикой каждого газа, ионизационный ток пропорционален давлению р. Например, для аргона линейность изменения тока J от давления р наблюдается в интервале 0,51,2 атм, для воздуха - от 1 до 40 атм. Затем ток J достигает максимума. При давлении, соответствующем максимуму тока Jмакс, изменения скоростей образования и рекомбинации ионов равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. При дальнейшем повышении давления скорость рекомбинации ионов растет быстрее скорости образования ионов, поэтому ионизационный Ток начинает монотонно падать. Давление газа изменяет как нижнее, так и верхнее граничные напряжения области насыщения. При повышении давления начальное напряжение становится больше. Верхнее напряжение сдвигается в более высокую область. Электроны в более плотных газах имеют меньший свободный пробег, чем в менее плотных. Энергия, которую получает электрон от электрического поля на свободном пробеге, в первом случае меньше, чем во втором. Чтобы ускорить электрон до энергии, большей энергии ионизации молекул, необходимо более высокое напряжение. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Конструкция различных типов ионизационных камер 1 –изолятор; 2 – собирающий электрод; 3 – изолятор; 4 – охранное кольцо; 5 – высоковольтный электрод; 6 – окно для препарата; 7 – корпус камеры 1 – изолятор; 2 – собирающий электрод; 3 – изолятор; 4 – охранное кольцо; 5 – высоковольтный электрод; 6 – окно для препарата; 7 – корпус камеры 1 – корпус; 2 – изолятор; 3 – электрод Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений В импульсных ионизационных камерах регистрируются и измеряются импульсы напряжения, которые возникают на сопротивлении R при протекании по нему ионизационного тока, вызванного прохождением каждой частицы. Амплитуда и длительность импульсов зависят от величины R, а также от ёмкости С. Для импульсной ионизационной камеры, работающей в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорциональна энергии E, потерянной частицей в объёме ионизационной камеры. Обычно объектом исследования для импульсных ионизационных камер являются сильно ионизирующие короткопробежные частицы, способные полностью затормозиться в межэлектродном пространстве (α-частицы, осколки делящихся ядер). В этом случае величина импульса ионизационной камеры пропорциональна полной энергии частицы и распределение импульсов по амплитудам воспроизводит распределение частиц по энергиям (энергетический спектр частиц). Для α-частиц с энергией 5 МэВ разрешающая способность E E ионизационной камеры достигает 0,5%. 1 – ионизационная камера; 2 – высоковольтный источник напряжения; 3 – линейный усилитель с выносным входным блоком (3а); 4 – амплитудный дискриминатор; 5 – регистрирующее устройство; 6 – осциллограф Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи, которые трудно регистрировать. Этот недостаток преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Газовое усиление это увеличение количества свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов рабочей среды детектора. Коэффициент газового усиления может достигать 103-104 раз. Такой режим работы соответствует пропорциональному счётчику. Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых. Газовое усиление имеет место при любой геометрии электродов, однако наибольшее распространение получили цилиндрические пропорциональные счётчики, для которых характерны низкие значения рабочего напряжения, широкие возможности применения и компактность. 1 – собирающий электрод (анод +); 2 – охранное кольцо; 3 – изолятор; 4 – корпус счетчика. Газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити, а весь остальной путь электроны дрейфуют под действием поля без «размножения». Пропорциональный счётчик заполняют инертными газами (рабочий газ не должен поглощать дрейфующие электроны) с добавлением небольшого количества многоатомных газов, которые поглощают фотоны, образующиеся в лавинных разрядах. Давление газа а зависимости от задачи изменяется в широких пределах – от 50 до 760 мм рт. ст. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений В пропорциональном счётчике газовый разряд развивается только в части объёма газа. В ней образуется сначала первичная ионизация, а затем и лавина электронов. Остальной объём не охватывается газовым разрядом. С повышением напряжения критическая область расширяется. В ней увеличивается концентрация возбуждённых молекул, а следовательно, и количество испущенных фотонов. Под действием фотонов из катода и молекул газа вырывается всё больше и больше фотоэлектронов. Последние в свою очередь дают начала новым лавинам электронов в объёме счётчика, не занятом газовым разрядом от первичной ионизации. Таким образом, повышение напряжения U приводит к распространению газового разряда по объёму счётчика. При некотором напряжении Uп. Называемом пороговым, газовый разряд охватывает весь объём счётчика. При напряжении Uп начинается область Гейгера-Мюллера. Счетчик Гейгера изобретён в 1908 г. Х.Гейгером и Э.Резерфордом, позднее усовершенствован Гейгером и В. Мюллером. При попадании в счетчик Гейгера частицы в нём зажигается самостоятельный газовый разряд, видимый (если баллон прозрачный) простым глазом. При этом коэффициент газового усиления может достигать 1010, а величина импульса десятков вольт. Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток. При достаточно большом R (108—1010 ом) на нити скапливается отрицательный заряд и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает, в результате чего разряд обрывается. После этого чувствительность счётчика восстанавливается через 10-1—10-3 сек (время разрядки ёмкости С1 через сопротивление R). Именно такое время требуется, чтобы медленные положительные ионы, заполнившие пространство вблизи нити-анода после пролёта частицы и прохождения электронной лавины, ушли к катоду, и восстановилась чувствительность детектора. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений В зависимости от механизма гашения разряда в счетчиках Гейгера различают две группы счётчиков: несамогасящиеся и самогасящиеся. В несамогасящихся счётчиках «мёртвое» время слишком велико (10-2 сек), для его уменьшения применяют электронные схемы гашения разряда, которые снижают разрешающее время до времени собирания положительных ионов на катоде (10-4 сек). В 1937 г. Трост обратил внимание на то обстоятельство, что если в счетчик, наполненный аргоном, добавить несколько процентов паров этилового спирта С2H5OH, то разряд, вызванный в счетчике ионизирующей частицей, погаснет сам по себе. Счётчики Гейгера-Мюллера, в которых используются «гасящие» вещества, называются счетчиками - самогасящегося типа. Самогасящийся счётчик наполняется смесью двух (или нескольких) газов. Один газ, основной, составляет в смеси около 90 %, другой, гасящий - около 10 %. Компоненты рабочей смеси должны удовлетворять обязательному условию, заключающемуся в том, что потенциал ионизации гасящего газа должен быть ниже первого потенциала возбуждения основного газа. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика Гейгера и фактически определяющий его быстродействие «мертвое» время - является важной паспортной характеристикой. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Каждая фиксируемая счетчиком частица вызывает появление в его выходной цепи короткого импульса. Число импульсов, возникающих в единицу времени, (скорость счета счетчика Гейгера) зависит от уровня ионизирующей радиации и напряжения на его электродах. Зависимость скорости счета от напряжения питания U показана ниже. Здесь U0 - напряжение начала счета; U1 и U2 - нижняя и верхняя граница рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Uр обычно выбирают в середине этого участка. Ему соответствует Jр - скорость счета в этом режиме. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Счетчики Гейгера-Мюллера, производящиеся в настоящее время в России тип рабочее напряжен ие, В плато - область малой зависимости скорости счета от напряжения питания, собственный фон счетчика, имп/с, не более радиационная чувствительност ь счетчика, имп/мкР (* - по кобальту-60) амплитуда выходного импульса, В, не менее - габариты, мм - диаметр х длина (длина х ширина х высота) СБМ19 СБМ20 СБТ9 СБТ10А 400 400 380 390 100 100 80 80 2 1 0,17 2,2 310* 78* 40* 333* 50 50 40 5 19х195 11х108 12х74 (83х67х37) 1 1 2 2 СБТ11 390 80 0,7 50* 10 (55х29х23,5) 3 СИ8Б СИ14Б СИ22Г СИ23БГ 390 400 390 400 80 200 100 100 2 2 1,3 2 350-500 300 540* 200-400* 20 30 50 - 82х31 84х26 19х220 19х195 2 2 4 1 Применение: 1 жесткое β и γ излучение; 2 - жесткое β и γ и мягкое β излучение; 3 - жесткое β и γ и мягкое β излучение и α излучение; 4 – γ излучение Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Черенковский счётчик - прибор для регистрации заряженных частиц и γ-квантов, в котором используется излучение Черенкова-Вавилова. Принцип работы этого детектора основан на регистрации излучения, открытого П.А. Черенковым в 1934 г. и возникающего при движении заряженной частицы (γ-кванта) в прозрачной среде со скоростью v большей скорости света u в этой среде. Поскольку u =с/n, где с - скорость света в вакууме, с=3⋅108 м/с, а n – показатель преломления среды, то условие возникновения с черенковского излучения имеет вид v > с/n. Схема счётчика Черенкова: 1 – цилиндрический радиатор; 2 – фокусирующая линза; 3 – ФЭУ. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Важность черенковского излучения заключается в том, что оно позволяет прямо (без специальных детекторов) измерять концентрации радионуклидов в водных растворах. На практике, при проведении радиометрических измерений водных проб различного происхождения: питьевой воды, природных, сбросных и технологических вод, широкое распространение получил метод непосредственного измерения активности высокоэнергетичных β-излучающих радионуклидов, растворенных (или инкорпорированных в виде взвеси) в воде, по их Черенковскому излучению. Этот метод наиболее экономичен, и, в тоже время, обеспечивает высокую чувствительность измерений при регистрации таких радионуклидов, как 90Sr. В последние годы востребованность метода во всем мире возрастает. Сцинтилляционный счетчик. При попадании заряженной частицы в сцинтиллятор (кристалл, кювету с жидкостью или слой пластика) в нем возникает слабая вспышка люминесценции. Ее свет через световод поступает в фотоэлектронный умножитель, вырабатывающий электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна потере энергии налетающей частицы. Сцинтилляционный счётчик - прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, γ-квантов, мезонов и т. д.), основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Принцип работы сцинтилляционного счётчика основан на эффекте свечения (люминесценции) некоторых веществ под действием излучения. Метод регистрации заряженных частиц с помощью счета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS), является одним из первых методов регистрации ядерных излучений. Еще в 1903 Крукс и другие показали, что если рассматривать экран из сернистого цинка, облучаемый α-частицами, через увеличительное стекло в темном помещении, то на нем можно заметить появление отдельных кратковременных вспышек света - сцинтилляций. Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Именно эти опыты привели Резерфорда к открытию ядра. Впервые этот метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемые из ядер азота при бомбардировке их α -частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра. Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений Источники ионизирующих излучений Приемники ионизирующих излучений Процессы люминесценции (высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции и фосфоресценции. Если высвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течение промежутка времени порядка 10-8 сек, то процесс называется флуоресценцией. Интервал 10-8 сек выбран потому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденном состоянии для так называемых разрешенных переходов. Хотя спектры и длительность флуоресценции не зависят от вида возбуждения, выход же флуоресценции существенно зависит от него. Так при возбуждении кристалла αчастицами выход флуоресценции почти на порядок меньше, чем при фотовозбуждении. Под фосфоресценцией понимают люминесценцию, которая продолжается значительное время после прекращения возбуждения. КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Физические основы получения информации 2 часть Направление подготовки 12.03.01 «Приборостроение» Профиль «Аналитическое приборостроение и интеллектуальные системы безопасности» Москва, 2021 Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер . H µ eN h N    I  4 mN N – магнитный момент ядра γ – гиромагнитное отношение I – спиновое квантовое число ядра eN - заряд протона mN – масса протона PN – механический момент ядра N – ядерный магнетон Бора Кольцевой ток индуцирует магнитное поле, такое ядро представляет собой микроскопический магнит. Магнитный момент ядра μ направлен вдоль оси вращения Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер h PN  I 2 E   I  N  H N    I  N E  N  H N eN   PN 2mN eN h N  4 mN N – магнитный момент ядра γ – гиромагнитное отношение I – спиновое квантовое число ядра eN - заряд протона mN – масса протона PZ – механический момент ядра N – ядерный магнетон Бора Вращающееся вокруг своей оси ядро имеет собственный момент количества движения P. Магнитный момент ядра µ прямо пропорционален спину: µ = γ P. γ - гиромагнитное отношение. γ постоянна для каждого типа ядер Для ядра водорода 1Н γ = 2,675⋅10-8 рад/(Тл ⋅ с) Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер . Число протонов Число нейтронов Массовое число Спиновое квантовое число четный четное четное I=0 четный нечетное нечетное I = 1 /2 нечетный четное нечетное I= 1/ 2 Пример 12 6C 16 8O 13 6С 1 H 1 15 N 7 14 нечетный нечетное Угловой и магнитный моменты являются квантованными. Разрешенные значения проекции углового момента PZ на ось вращения определяются следующим соотношением: h - постоянная Планка, mI - магнитное квантовое число четное Значения mI I = 1/2 I=1 I = 3/2 I=1 * 2 7N 1D Спиновые состояния +1/2, - 1/2 -1, 0, +1 -3/2, -1/2, +1/2, +3/2 Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер . Все ядра с нечетными массовыми числами, а также ядра, имеющие нечетное число протонов и нейтронов, обладают магнитным моментом I≠0. В первом случае I принимает полуцелые значения 1/2, 3/2, 5/2…, во втором – целые 1, 2, 3... Для используемой в широкой практике спектроскопии ЯМР наибольшее значение имеют ядра, имеющие I = 1/2 подавляющее большинство спектров регистрируется на ядрах 1H и 13C. Из ядер, имеющих I = 1, заметное значение имеют ядра 2H использование растворителей на основе тяжелой воды (с дейтерием вместо водорода) Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер . В отсутствие внешнего магнитного поля спиновые состояния вырождены по энергии. При помещении ядра во внешнее магнитное поле B энергетическое вырождение ядер снимается и возникает возможность энергетического перехода с одного уровня на другой. Этот переход является физической основой спектроскопии ядерного магнитного резонанса +½gNNB E = hn gNNB = hn ΔE = 2mB 2mB= =gNbNB -½gNNB Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер . Резонансные частоты для протонов 1Н в разных магнитных полях Н0 ([Tl] Тесла) Напряженность магнитного Частота резонанса ядра водорода ν0(1Н) поля Н0 [Тl] Магнитное поле Земли на полюсе H0 = 6,5·10-5 2,7 КГц на экваторе H0 = 3,5·10-5 1,5 КГц -5 54 КГц на поверхности Юпитера 130·10 Спектрометры ЯМР H0 = 2,34 100 МГц H0 = 7,02 300 МГц H0 = 14,04 600 МГц H0 = 17,55 750 МГц H0 = 21,06 900 МГц Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер Спектрометр ЯМР с непрерывной разверткой Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер Свойства спектров ЯМР 1. 2. 3. 4. Интенсивность сигнала. Пропорциональна концентрации магнитных ядер в образце. Химический сдвиг. Зависит от степени экранировки ядер электронами. Измеряется в миллионных долях (м.д.). Спин-спиновое расщепление линий. Зависит от количества магнитных ядер в непосредственной близости от поглощающего ядра. Ширина линии. Определяется временем релаксации ядер, которое в свою очередь зависит от взаимосвязей ядер и электронов. Резонансные и спектроскопические измерительные преобразования. Ядерный магнитный резонанс. Расщепление линий атомных спектров в магнитном поле (Эффект Зеемана). Резонансное поглощение и излучение электромагнитной энергии веществом. Ларморовские частоты атомных ядер . Основные этапы развития и использования ЯМР. • 1945 г. две группы физиков - Парселла и Блоха, работавших независимо, наблюдали явление ЯМР в жидкостях и твердых телах. • Начало 1950-х г. конструирование спектрометров ПМР (протонный магнитный резонанс) и применение ЯМР для решения химических задач. • 1966 г. Р. Эрнст разработал принципы Фурье-спектроскопии (преобразование Радона). Применение сверхпроводящих магнитов. • 1960-1970-е гг. производство приборов высокого разрешения для других ядер, кроме 1Н и 13С. • 1970-е гг. усовершенствование вычислительной техники и разработка программного обеспечения для ЯМР. • 1980 гг. Развитие Д. Джинером двумерной ЯМР-спектроскопии (2D-ЯМР).