色散型紅外光譜儀的原理.doc

色散型紅外光譜儀的原理可用圖512說明之。從光源發(fā)出的紅外輻射，分成二束，一束通過試樣他，另一束通過參比他，然后進入單色器。在單色器內(nèi)先通過以一定頻率轉(zhuǎn)動的扇形鏡(斬光器)，其作用與其它的雙光束光度計一樣，是周期地切割二束光，使試樣光束和參比光束交替地進入單色器中的色散棱鏡或光柵，最后進人檢測器。隨著扇形鏡的轉(zhuǎn)動，檢測器就交替地接受這二束光。假定從單色器發(fā)出的為某波數(shù)的單色光，而該單色光不被試樣吸收，此時二束光的強度相等，檢測器不產(chǎn)生交流信號；改變波數(shù)，若試樣對該波數(shù)的光產(chǎn)生吸收，則二束光的強度有差異，此時就在檢測器上產(chǎn)生一定頻率的交流信號(其頻率決定于斬光器的轉(zhuǎn)動頻率)。通過交流放大器放大，此信號即可通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動參比光路上的光楔(光學(xué)衰減器)進行補償，此時減弱參比光路的光強，使投射在檢測器上的光強等于試樣光路的光強。試樣對某一波數(shù)的紅外光吸收越多，光楔也就越多地遮住參比光路以使參比光強同樣程度地減弱，使二束光重新處于平衡。試樣對各種不同波數(shù)的紅外輻射的吸收有多有少，參比光路上的光楔也相應(yīng)地按比例移動以進行補償。記錄筆與光楔同步，因而光楔部位的改變相當(dāng)于試樣的透射比，它作為縱坐標(biāo)直接被描繪在記錄紙上。由于單色器內(nèi)棱鏡或光柵的轉(zhuǎn)動，使單色光的波數(shù)連續(xù)地發(fā)生改變，并與記錄紙的移動同步，這就是橫坐標(biāo)。這樣在記錄紙上就描繪出透射比T對波數(shù)(或波長)的紅外光譜吸收曲線。 上例是雙光束光學(xué)自動平衡系統(tǒng)的原理。也有采用雙光束電學(xué)自動平衡系統(tǒng)來進行工作的儀器。這時不是采用光楔來使兩束光達到平衡，而是測量兩個電信號的比率。 由上述可見，紅外光譜儀與紫外可見分光光度計類似，也是由光源、單色器、吸收池、檢測器和記錄系統(tǒng)等部分所組成。但由于紅外光譜儀與紫外可見分光光度計工作的波段范圍不同，因此，光源、透光材料及檢測器等都有很大的差異。現(xiàn)將中紅外光譜儀的主要部件簡要介紹如下。 1光源 紅外光譜儀中所用的光源通常是一種惰性固體，用電加熱使之發(fā)射高強度連續(xù)紅外輻射。常用的有能斯特?zé)艉凸杼及魞煞N。 能斯特?zé)?Nernst glower)是由氧化鋯、氧化釔和氧化釷燒結(jié)制成，是一直徑為l3mm，長約2050mm的中空棒或?qū)嵭陌?，兩端繞有鉑絲作為導(dǎo)線。在室溫下，它是非導(dǎo)體，但加熱至800時就成為導(dǎo)體并具有負(fù)的電阻特性，因此，在工作之前，要由一輔助加熱器進行預(yù)熱。這種光源的優(yōu)點是發(fā)出的光強度高，使用壽命可達6個月至一年，但機械強度差，稍受壓或受扭就會損壞，經(jīng)常開關(guān)也會縮短其壽命。 硅碳捧(globar)一般為兩端粗中間細(xì)的實心捧，中間為發(fā)光部分，其直徑約5mm，長約50mm。硅碳棒在室溫下是導(dǎo)體，并有正的電阻溫度系數(shù)，工作前不需預(yù)熱。和能斯特?zé)舯容^，它的優(yōu)點是堅固，壽命長，發(fā)光面積大；缺點是工作時電極接觸部分需用水冷卻。 2單色器 與其它波長范圍內(nèi)工作的單色器類似，紅外單色器也由一個或幾個色散元件(棱鏡或光柵，目前已主要使用光柵)，可變的入射和出射狹縫，以及用于聚焦和反射光束的反射鏡所構(gòu)成。在紅外儀器中一般不使用透鏡，以避免產(chǎn)生色差。另外，應(yīng)根據(jù)不同的工作波長區(qū)域選用不同的遠(yuǎn)光材料來制作棱鏡(以及吸收池窗口，檢測器窗口等)。常用的紅外光學(xué)材料和它們的最佳使用區(qū)見表54。 由于大多數(shù)紅外光學(xué)材料易吸濕(KRS5不吸濕)，因此使用時應(yīng)注意防濕。 表104一些紅外光學(xué)材料的透光范圍材 料透光范圍m玻璃0.32.5石英0.23.6氟化鋰LiF0.26氯化鈉NaCl0.217氯化鉀KCl0.221氯化銀AgCl0.225澳化鉀KBr0.225溴化艷CsBr138KRS5(溴化鉈與碘化鉈結(jié)晶1：1)145碘化銫CsI150 3檢測器 紫外可見分光光度計中所用的光電管或光電倍增管不適用于紅外區(qū)，因為紅外光譜區(qū)的光子能量較弱，不足以引致光電子發(fā)射。常用的紅外檢測器有真空熱電偶、熱釋電檢測器和汞鎘碲檢測器。 真空熱電偶是色散性紅外光譜儀中最常用的一種檢測器。它利用不同導(dǎo)體構(gòu)成回路時的溫差電現(xiàn)象，將溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢徊?。其結(jié)構(gòu)如圖513所示。它以一小片涂黑的金箔作為紅外輻射的接受面。在金箔的一面焊有兩種不同的金屬、合金或半導(dǎo)體作為熱接點，而在冷接點端(通常為室溫)連有金屬導(dǎo)線(冷接點在圖中未畫出)。此熱電偶封于真空度約為710-7Pa的腔體內(nèi)。為了接受各種波長的紅外輻射，在此腔體上對著涂黑的金箔開一小窗，粘以紅外透光材料，如KBr(至25m)，CsI(至50m)，KBS5