Способ определения показателя преломления жидкостей и газов

СОЮЗ ССВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 511 4 С 01 И 21/41 тс ". ГДВ 1,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК 0 РСН 0 ММ :8 ИД:ТЛСМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН БССР(56) Иоффе Б.В. Рефрактометрическиеметоды химии. Л.: Химия, 1974, с. 118129, 144-196.Алтухов А,М., Яцкова Т.И. Определение показателя преломления с помощью дифракционной решетки. - Оптика и спектроскопия, 1983, вып. 6,т. 54, с. 1102-1106801257424 А 1(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ(57) Изобретение относится к рефрактометрии и может быть использованодля технического анализа, контроляи автоматизации технологических процессов в химической промьппленности,исследования физико в химическисвойств веществ. С целью упрощения,повышения экспрессности и возможностиопределения показателя преломпения вспектральной области, соответствующей непрозрачности исследуемой среды,в способе, основанном на создании иизмерении световой картины от дифракционно-преломляющей структуры, формируют световую картину в плоскостимногомерной дифракционно-преломпяющей структуры, помещенной в исследу,емую среду, и по размерам световойкартины определяют показатель преломления среды. 2 ил.1257474 2носителей примерно 10-10 см , чтоопределяется чувствительностью глазапри визуальном наблюдении световойкартины и порогом разрушения полупро 5 водникового кристалла.При облучении исследуемой средыс помещенным в нее кристаллом излучением из области прозрачности световая картина образуется преломлением и дифракцией падающего излучения,а в случае возбуждающего излучения -светом люминесценции кристалла, Сформированная непосредственно на поверхности кристалла световая картина наблюдается преимущественно в виде ярких пятен, расстояние между которыми зависит от показателя преломлениясреды, а их количество и расположение - от кристаллической структурыполупроводника. Световая картина,обусловленная падающим излучением,зависит от длины волны света, что позволяет измерять дисперсию показателя преломления веществ. Размер каждого светового пятна определяется диаметром светового пучка и дифракциейсвета на фигурах травления. Для получения контрастной световой картины диаметр пучка должен быть меньшеЗО толщины кристаллической пластины.С целью определения показателяпреломления в спектральной области,соответствующей непрозрачности исследуемой среды, используют полупроводниковую структуру, пРозРачную дляуказанной области спектра, В этомслучае поверхность кристалла, на которую направляют луч лазера, должнаслужить передней гранью кюветы, апротивоположная поверхность кристалла, на которой имеются Фигуры травления, находится в исследуемой сре. -де и световую картину наблюдают со .,стороны этой поверхности.45 Используя законы преломления света на границе раздела двух сред (полупроводниковый кристалл - исследуемая среда), получают расчетную формулу для определения показателя преломления исследуемой среды: сов (12+ 8)пс п)соя(/2) Изобретение относится к рефрактометрии и может быть использовано для технического анализа, контроля и автоматизации технологических процессов в химической промьпппенности, исследования физико-химических свойств веществ.Цель изобретения - упрощение, повышение экспрессности и определение показателя преломления в спектральной области, соответствующей непрозрачности исследуемой среды,На фиг. 1 представлена схема образования световой картины излучением из области прозрачности кристалла СЙБ дифракционно-преломляющей структуры; на фиг. 2 - схема образования световой картины возбуждающим излучением.Способ осуществляют следующим образом,Поверхность многомерной дифракционно-прсломляющей структуры освещают пучком света с диаметром.поперечного сечения, меньшим толщины дифракционно-преломпяющей структуры, в результате чего на поверхности кристалла обраэуетсч световая картина,Принцип измерения показателя преломления среды основан на изменении размеров световой картины в зависимости от относительного показателя преломления на границе раздела поверхность кристалла - жидкость (газ). Поэтому кристаллическую пластину помещают в жидкость или газ полностью ли"бо частично, т.е. смачивают поверхность кристалла, содержащую дифракционно-преломляющую структуру, жидкостью. Наблюдение ведут при этом со, стороны кристалла, который выбираютс шириной запрещенной зоны, большейграницы прозрачности жидкости. В качестве многомерной дифракционно-преломпяющей структуры используют полупроводниковую кристаллическую пластинку, на одной поверхности которойимеются созданные травлением ограненные фигуры(например, шестигранныепирамиды с угломпри вершине), размеры которых сравнимы с длиной волныдифрагирующего света, образующие многомерную решетку.1В качестве излучения используютпоток электронов, электромагнитныеволны оптического или рентгеновскогодиапазона с плотностью потока, создающего концентрацию неравновесных где и - показатель преломления ис следуемой среды;и - показатель преломления полупроводникового кристалла;- угол при вершине пирамиды(фигуры травления);8 - угловой размер световой картины.Угловой размер 8 световой картины связан с ее линейным размером П соотношением, зависящим от структуры кристалла. В случае гексагональной решетки П - диаметр световой картины, т.е. расстояние между центрами 1 О диаметрально расположенных световых пятен,и йде = О/4 Й для излучения иэ области прозрачности кристалла и йд 9Р/2 й для возбуждающего излучения, где Й - толщина пластины крис талла, Следовательно, при определении показателя преломления жидких и газообразных сред с использованием в качестве дифракционно-преломляющей структуры полупроводниковой кристал лической пластины с известными параметрами и, , Й требуется определить лишь размер П световой картины. При этом величина угла падения излучения на дифракционно-преломляющую структу ру не имеет значения, а световая картина формируется непосредственно в ее плоскости. РПоказатель преломления вещества 30определяется по Формуле (1), в которой параметрыи 6 отличаются для различных типов кристаллов и ориентации пластины. В приведенной формуле Р/2 - угол наклона грани фигуры трав-д ления к оси кристалла, совпадающей в случае плоскости (0001) СИЯ с опти,ческой осью системы, 6 - угол между ,оптической осью и направлением на пят 1 но (элемент) световой фигуры из точ ки, противоположной поверхности пластины, в которую попадает луч света. При расчете вместо 9 можно воспользоваться каким-либо линейным размером световой картины, например для 4 СИЗ величиной диаметра, т.е. расстояния между противоположными пятнами. При использовании соотношений для связи между 8 и Р при формировании световой картины излучением с энергией квантов, большим и меньшим ширины запрещенной зоны кристалла, формула для и записывается, например, в виде:пеи = ---- соз (/2 +55ф соз (р/2) Если световая картина обладает меньшей симметрией, чем для (0001) СРЯ, размером световой фигуры может являться и расстояние между соседними или произвольными световыми пятнами. При этом также получаются простые соотношения между В и Э, ос" новная формула трансформируется незначительно. Поскольку размеры отдельных элементов (пятен) световой картины зависят в частности от дифракции света на фигурах травления, для увеличения точности определения и размеры световой фигуры определяют по расстоянию между центрами .пятен, Если размер светового пятна на образце больше толщины кристалла, световые пятна перекрываются и точность измерений резко падает. Способ может быть реализован и в случае, когда фигуры травления не имеют строгой огранки и световая картина представляет собой кольца, при этом размером световой фигуры является диаметр кольца.П р и м е р. Для определения показателя преломления исследуемых сред в качестве многомерной дифракционно-преломляющей структуры используют плоскопараллельную пластину из монокристалла сернистого кадмия СИЯ, вырезанную в плоскости (0001). Поверхность А (атомов кадмия) полирована. Поверхность В (атомов серы) протравлена в концентрированной соляной кислоте в течение 5-30 с, при этом на ней образовались фигуры травления - шестигранные пирамиды с углом при вершине ( = 64 . Толщина пластины й = 1,24 мм, показатель преломления и= 2,459 для длины волны Я = 632,8 нм. В кювету с исследуемой средой помещают цластину СЙЯ, На поверхности А и В пластины направляют луч лазера на красителе с перестраиваемой частотой в области длин волн 520-700 нм или гелий- неонового лазера с длиной волны 3632,8 нм и фокусируют его в пятно диаметром 0,1-0,5 мм. Сформированную на поверхности В световую картину в виде нести гексагонально расположен ных ярких пятен с одним пятном в центре наблюдают под микроскопом с увеФличекнем 1 О , Измеряют линейный размер картины О, т.е, расстояние между центрами диаметрально расположенных световых пятен, и по формуле (1) вычисляют показатель преломления среды,125 ф.ЯСоставитель С. ГолубеТехред Л.Сердюкова дакт А. Обру оррек Заказ 4908/39 Тираж 778 ВНИИЛИ Государственного к по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, РаушсПодписнотета СССРрытий я наб., д. изводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,Погрешность определения показателя преломления исследуемой среды при заданных и, ф и Э обусловлена,в основном, погрешностью измерения П и для приведенных величин не превьша-э ет, как и в прототипе, значения 1 ОВ случае использования вместо лазера лампы накаливания для измерений показателя преломления на заданной длине волны необходимьп спектральный участок выделяют фильтром. Световую картину можно получить и с помощью рентгеновского излучения или пучка быстрых электронов, которые возбуждают люминесценцию кристалла. В этом случае кристалл должен служить передней гранью кюветы. Ф о р м у л а изобретения Способ определения показателя преломления жидкостей и газов, включаю 7474 Ьщий освещение поверхности дифракционной структуры и исследуемой средыпучков света, измерение параметровобразовавшейся световой картины иопределение по параметрам световойкартины показателя преломления исследуемой среды, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью упрощения, повышения экспрессности и возможности оп ределения показателя преломления вспектральной области, соответствующей непрозрачности исследуемой среды, освещают поверхность дифракционной структуры пучком света с диамет ром поперечного сечения, меньшим толщины этой структуры, а показательпреломления определяют по расстояниюмежду центрами элементов световой картины на поверхности дифракционной 20 структуры, в качестве которой используют многомерную дифракционно-преломляющую структуру, помещенную в исследуемую среду.