Устройство для определения спектральной чувствительности оптически прозрачных твердых материалов

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4{s1) G 01 N 21/63

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬПИЙ (21) 3581466/24-25 (22) 13. 04.83 (46) 23.06.85. Бюл. У 23 (72) В.М.Анисимов, Т.Н.Жучкова, О.Н.Карпухин, Г;Е.Кричевский, А.Г.Новорадовский, В.П.Сааков, Г ° P.Tðóáíèêoâ и В.П.Яшин (71) Ордена Ленина институт химической физики АН СССР, Московский ордена Трудового Красного Знамени текстильный институт им. А.Н.Косыгина и Центральный научно-исследовательский институт шерстяной промышленности а (53) 535. 5 (088. 8) (56) 1. Ренби Б., Рабек Я. Фотодеструкция фот окисление, фотоста" билизация полимеров . M., "Мир", 1978, с.513.

2,.Григорьева Н.М. и др. Фотомет- . рические свойства фотопластинок, применяемых для спектрального аналиsa.-"Журнал прикладной спектроскопии"-, М., 1977 вып.2 с.221-227. (протот йп ).

„„SU„„1163220 А (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ, состоящее из блока облучения образ ца имеющего расположенные последо) вательно источник света с .непрерывным спектром, светофильтр и держатель образца, и блока регистрации, включающего спектрофотометр, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения длительности определения . чувствительности и повышения спектрального разрешения, в блоке облучения дополнительно размещена шторка, расйоложенная между держателем образца и светофильтром, выполненным абсорбционным и в форме. клина, причем шторка имеет возможность перемещения вдоль светофильтра в направлении, перпендикулярном изменению его толщины, а блок регистрации дополнительно содержит держатель образца, установленный с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, 63220 2

1 11

Изобретение относится к исследованиям химических и физических свойств, а именна к измерению спектральной чувствительности оптически прозрачных твердых материалов (например,фотовыцветание окрашенных полимеров, стекол, фоторазрушение красителей и т.п.), и может быть использовано

1 в приборостроении для научных исследований устойчивости материалов к световому воздействию.

Спектральная чувствительность характеризуется функцией распределения квантового выхода соответствующего фотопроцесса (эффективности ) по длинам волн действующего света.

Знание подобной характеристики необходимо при прогнозировании срока службы материалов в условиях облучения, в научных исследованиях, для экспресс-методов испытания материалов и т.п.

Известно устройство для измерения спектральной чувствительности материалов, содержащее блок облучения образцов и блок регистрации свойств облучения образца. Излучение от источника с непрерывным спектром разлагают на "монохроматические" пучки света с помощью призмы или интерференционной решетки. Этим светом облучают соответствующее количество образцов, регистрируя их оптические свойства во времени (например, оптическую плотность Э ), и, относя скорость происходящих в образцах изменений оптических свойств к интенсивности действующего света, вычисляют спектральную чувствительность к монохроматическому" свету. В качестве блока облучения используют спектрооблучатель, а блок регистрации представляет собой стандартный измерительный прибор-спектрофотометр.

Блок облучения содержит источник света, кварцевую призму или реплику с интерференционной сферической решеткой и набор держателей для образцов, облучаемых соответствующими

"монохроматическими" пучками света .(1j.

Недостатками этого устройства являются длительное время облучения и большое количество используемых образцов для определения спектральной чувствительности в диапазоне спектра 200-700 нм. Большая длительность получения спектральной чувст . внтельности определяется тем, что разложение исходного спектра лампы

55 шириной 500 нм на пучки по 2-3 нм значительно снижает интенсивность каждого из пучков, действующего на отдельный образец. Кроме того, требуется большое количество образцов, так как каждый образец дает значение спектральной чувствительности только для малого интервала длин волн.

Получение спектральной чувствительности в требуемом диапазоне требует кинетических измерений, для осуществления которых необходимы испытания сотен образцов. В этом случае очень велики требования к однородности всех .облучаемых образцов.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения спектральной чувствительности оптически прозрачных твердых материалов, состоящее из блока облучения образца, имеющего последовательно расположенные источник света с непрерывным спектром, светофильтр и держатель образца, и блока 2 регистрации,включающего спектрофотометр C23..

Недостатками известного устройства являются длительное время определения и большое количество используемых образцов, а также малое спектральное разрешение и большая трудоемкость определения.

Действительно время определения спектральной чувствительности материала зависит от того интервала длин волн ДЯ,которое содержит действующее на образец излучение. Чем меньше ЬЛ, тем меньше интенсивность действующего на образец света

"J(5 ) 3, (8 ) a rl гд. 2< (h ) исходная спектральная плотность излучения, соответственно уменьшается скорость фотохимического процесса и увеличивается время, необходимое для определения спектральной чувствительности. Кроме того, интер ференционные светофильтры имеют, как правило, номинальное максимальное пропускание, не превышающее

45Х что дополнительно увеличивает время облучения. Для определения спектральной чувствительности материала в достаточно широком интервале спектра по данному способу необходимо увеличивать (в пределе до бесконечности) количество образцов, так как определение, проведенное на одном образце даже при облучении светом с д 3, близкой к нулю, дает лишь чувствительность материа1163220 ла к одной длине волны света.

Приготовление и испытание большого количества одинаковых образцов для получения всей информации является достаточно трудоемкой операцией.

В приборе "Спектротест" спектральный состав действующего на образцы света формируют интерференционными светофильтрами, пропускающими свет в областях шириной 20-30 нм. Только ))) при такой степени "монохроматичности" удается исследовать в обозримые времена фотохимические превращения в имеющих практическое значение достаточно светостойких системах, на" 35 пример в окрашенных полимерных материалах, стеклах и т.п. Соответственно, спектральное разрешение при определении спектральной чувствительности в данном случае не З) превышает десятков нанометров . Такое разрешение недостаточно для практических расчетов, например, срока службы полимерных материалов, полимерных стекол, окрашенных систем 2Ю и подобных, где данные о форме спектральной чувствительности необ-. ходимо иметь с разрешением в 1-2 нм.

Цель изобретения " сокращение яп длительности определения чувствитель.ности и повьп&.ние спектрального разрешения.

Для достижения поставленной цели в устройстве для определения спект35 ральной чувствитеиьности оптически прозрачных твердых материалов, состоящем из блока облучения образца, имеющего расположенные последовательно источник света с непрерывным спектром, светофильтр и держатель образца, и блока регистрации, включайщего спектрофотометр, в блоке облучения дополнительно размещена шторка, расположенная между держа45 телем образца и светофильтром, вы-. полненным абсорбционным и в форме клина, причем шторка имеет возможность перемещения вдоль светофильтра в .направлении, перпендикулярном

50 изменению его толщины, а блок регистрации дополнительно содержит держатель образца, установленный с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направле5S ниях.

На фиг.! представлена схема предлагаемого устройства с блоком облу чения; на фиг.2 — то же,. с блоком регистрации, на фиг.3 — разрез А А на фиг.l; на фиг.4 — изменение спек.трального состава света 1, прошедшего через светопоглощающий слой переменной толщины (клиновидный светофильтр 1, и диапазон спектра, в котором изменяется поглощение К светопоглощающего слоя переменной толщины; на фиг.5 — результаты реги" страции оптической плотности образца, облученного через светофильтр клиновидной формы в течение некоторых промежутков времени на фиг.6— зависимость скорости изменения концентрации молекул оптически прозрачного твердого материала вдоль направления изменения толщины светопоглощающего слоя.

Устройство работает следующим образом.

Образец ) (фиг.! и 3) в держателе

2 облучают параллельным пучком света источника 3 через светофильтр 4 и компенсирующий кварцевый клин 5 по заданной временной сетке Ф в кассете б. Время облучения задается системой управления, содержащей блок 7 управления и двигатель 8, перемещающий ш орку 9 между образцом и светофильтром. Редуктор 10 обеспечивает разные скорости перемещения шторки по коорди нате 1

> Облученный образец 1 в держателе 2 помещают в рамку ll (.фиг.2) таким образом, что координата образца совпадает с горизонтальным направлением перемещения рамки ll в станине 12, а точка образца Х=О, облученная в течение времени 1 = l находится перед выходной.шелью спектрофотометра. Блок 13 синхронизации включает двигателв 14 и спектрофотометр„ опускает перо самописца йа регистрационный бланк и производит сканирование образца вдоль его координаты Х. Перо поднимается, рамка )l перемещается в исходное положение, механизм 15 вертикального перемещения устанавливает образец на следующий участок с 1 = 2 и Х = О. Блок 13 снова опускает перо, производит сканирование и т.д, Редуктор 16 обеспечивает соответствие скоростей сканирования образца скорости перемещения каретки самописца снектрофотометра.

Работа устройства связана с созданием на поверхности образца излучения с неоднородным распределением

1163220

w(x)= 3,(A) o " "е(л)ч(л),ул

40 дает функцию спектральной чувствительности образца в диапазоне света, который определяется областью из45 менения коэффициента поглощения слоя переменной толщины К (il ) . Критерием выбора слоя может быть условие ъ ам1ж х1 ах т.е. ширина области определения 1(Л) зависит от диапазона изменения величины K(hl чем больше интервал по

Й, где изменяется поглощение слоя, . тем больше область спектра, в которои получают спектральную чувствительспектрального состава света, прошедшего светопоглощающий слой переменной толщины. В качестве такого слоя используют, например, абсорбционный светофильтр, выполненный

5 в форме клина. По предлагаемому способу излучение источника света распределяется, например, светофильтром с постоянным К (71) и переменной d(X ) неоднородно и непрерыв- 1р но, изменяется от точки к точке координаты образца Х по его поверхности. В качестве примера на фиг.4 показаны изменения спектрального состава света 3, прошедшего через светопоглощающий слой переменной толщины (клиновидный светофильтр ), и диапазон спектра, в котором изменяется поглощение К светопоглощающеге слоя переменной толщины. Кривая 17— толщина слоя d = -- О,,координата Х =

= 0; кривая 18 — d = 0 5 мм, Х =

16 мм; кривая 19 — d = 1 мм, Х

32 мм; кривая 20 — d = 1,5 мм, Х = 48 мм кривая 21 — d = 2 мм, = 64 мм, кривая 22 — d = 2,5 мм, = 80 мм.

Если диффузия молекул твердого материала затруднена в точках координаты Х, то стандартными методами можно определить скорость фотореакции V4(X) которая содержит в неявном виде информацию об эффективности фотопроцесса в каждой точке координаты Х, а следовательно, 35 и о спектральной чувствительности.

Решение выражения ность. Таким образом, набор, напри- ° мер, светофильтров клиновидной формы из стандартного набора цветных стекол марок БС, ЖС, ОС, КС позволяет определить спектральную чувствительность в диапазоне спектра 200-700 нм для твердых материалов различной природы. Кинетический эксперимент с образцом, равным по площади светофильтру, позволяет получить на одном образце всю информацию о его спектральной чувствительности в диапазоне спектра, в котором К (Л } светофильтра изменяется, При облучении образца светом со спектральным составом 1(1, Х ), непрерывно распределенным по координате Х, возможно получить непрерывную зависимость %/(К), При решении выражения (1) по непрерывной зависимости Уl(Х) получают непрерывную функцию спектральной чувствительности. Спектральное разрешение в этом случае зависит от тре— бований к 9(g) для дальнейшего использования.

По предлагаемому способу возможно получить спектральную чувствительность любых оптически прозрачных твердых материалов, например полимерных пленок (окрашенных и неокрашенных), фотографических и фотохромных слоев, стекол и т.д. В качестве параметра слежения могут быть использованы оптические свойства материала, которые однозначно связаны с концентрацией молекул твердого материала — поглощение и пропускание света (оптическая плотность и коэффициент поглощения ).

Пример. Определяют спектральную чувствительность фотообесцвечивания красителя родамина 6Ж в пленке полиметилметакрилата размером

80 80н0,02 мм (концентрация красителя Со = 5 .10 моль ° кг полимера ").

-3

Координатой Х служит ось, направленная по стороне образца, вдоль которой изменяется толщина светофильтра (фиг.З). Устройство комплектуют из облучателя с ксеноновой лампой ДКсШ800 и спектрофотометра "Specord UVVIS".

Образец, клиновидный светофильтр марки БС-6 и компенсирующий кварцевый клин помещают в кассету 6 для облучения (фиг.1). Облучают образец по временной сетке 125,285,355,490 и 1880 мин. Последовательное перекрывание производится электродвигателем, 1163220

10 Из полученных данных по закону

Ламберта-Бера вычисляют значения концентраций С(Х) для пяти значений времени. Непрерывную зависимость

W(X)получают стандартным методом

15 интерполяции С (4) при Х = con& (фиг.6 ). Далее по стандартной программе на ЭВМ вычисляют спектральную чувствительность фьтообесцвечивания родамина 6Ж в полиметилмет20 акрилате из выражения (1 ).

Результаты для некоторых значений Ч (ii) представлены в таблице

,(отн. ед. ) . !

Длина ° волны, нм 310.

320

350

340

330 у (Т) отн 9,45 10 1,51 ° 10 2,36 10 4,73 10 1,51.10 1

Вычислено с относительной ошибкой

Полученные данные не противоречат значениям спектральной чувствитель- ® ности фотообесцвечивания родамина

6Ж в обескислороженном этанольном растворе.Так,при облучении спир-. тового раствора красителя светом с А

= 313 нм получено значение чувствительности 0,75 -1О, а определенное по предлагаемому способу равно

5,6310 .

Таким образом, предлагаемое устройство обладает следующими пре имуществами по сравнению с известным.

1. Малое время определения. Облучение образца полным светом полихроматического источника с малыми потерями интенсивности позволяет достаточно быстро получать необходимую информацию. Время в этом случае определяется только светостойкостью твердого материала. Например, для получения только пяти значений спектральной чувствительности по известному способу требуется перемещающим шторку на расстояние

16 мм через заданные промежутки времени. Облученный образец 1 в держателе 2 помещают в рамку !1 (фиг.2), таким< образом, что координата Х образца совпадает с горизонтальным направленйем перемещения рамки 11 в станине 12, а точка образца Х = — О, облученная в течение времени — 125 мин, находится перед выходной щелью спектрофотометра. Блок 13 синхронизации включает двигатель 14 и спектрофотометр, опускает перо самописца на регистрационный бланк и производит сканирование образца вдоль его координаты Х. Перо поднимается, рамка 11 перемещается в исходное положение, механизм 15 вертикального перемещения устанавливает образец на следующий участок с X = О и t -- 285 мин. Блок 13 снова опускает перо и производит сканирование и т.д. Результаты регистрации показаны на фиг.5, где

3 /3 = сопз1 — оптическая плотность необлученного образца с

= О. Последующие кривые иллюстрируют чзменение оптической плотности в г соответствующих участках образца, экспонированных в течение соответ.ствующих промежутков времени.

37

l время в 5 раз большее, чем по предлагаемому способу.

2 . Большая информативность определения. Определение, проведенное с помощью одного образца, позволяет получить значения спектральной чувствительности в достаточно широком диапазоне длин волн. Этот интервал зависит только от оптических характеристик (поглощение ) выбранного светофильтра и природы испытуемого материала.

3. Высокое спектральное разрешение способа в принципе не ограничено и зависит только от возможностей алгоритма обработки экспериментальной информации, так как всв функции, входящие в выражение (1), задаются в непрерывном виде.

4. Снижение трудоемкости определения спектральной чувствительности оптически прозрачных твердых материалов иэ-за использования ограниченного количества образцов и автоматизации измерений. Количество образцов

1163220

10. определяется диапазоном спектра, в котором необходимо получить спектральную Чувствительность, и выбранным светофильтром. Например, для определения спектральной чувствительности фотообесцвечивания родамина 6Ж в области спектра 200-700 нм количество образцов и светофильтров не превьппает пяти, а по известному способу — более 200.

1)63220

270

Юлина 6олны, ни

ФиаФ

1163220

Фиа5

1,5

В хмм

Фиг.6

Составитель Б.Широков

Техред Ж.Кастелевич Корректор М.Демчик

Редактор И.Николайчук

Заказ 4098/43 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород ул.Проектная,4