Описание лабораторной установки. ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Цель работы: Дать студентам теоретические знания и практические навыки работы с поляризационно-оптическими приборами.

Задания: 1. По учебнику [1] и данной методичке изучить принцип действия поляризационно-оптических приборов.

2. По методическим указаниям и инструкциям [4,5] изучить устройство и порядок работы с приборами, используемыми в лабораторной работе.

3. Выполнить измерение концентрации сахарных растворов с использованием поляризационно-оптических приборов.

Методические указания

Известно, что световые волны представляют собой электромагнитные колебания. У естественного луча колебания электрического и магнитных полей происходят во всех плоскостях, перпендикулярных к его направлению рис.11(а).

Луч, колебания которого происходят только в одной плоскости, называется поляризованным. Плоскость I, в которой происходит колебание луча, называется плоскостью колебания поляризованного луча, а плоскость II, перпендикулярная к ней, плоскостью поляризации, рис. 11(б)

В качестве источника поляризованных лучей может служить, например, призма Николя, изготовленная из голландского шпата. Призма состоит из двух половинок кристалла, склеенных под углом 22° (см. рис. 12). Луч света, входя в призму, разделяется на "обыкновенный" луч О и "необыкновенный" луч Е; последний поляризован во взаимно перпендикулярных плоскостях. Обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от плоскости раздела, и через призму проходит только поляризованный луч (необыкновенный).

Рис. 11 Схемы естественного (а) и поляризованного (б) лучей

Рис.12 Призма Николя

Поляризационно-оптические методы определения концентрации вещества в растворе основаны на взаимодействии поляризованного излучения с оптически активной средой, которая меняет параметры поляризации.

Если пропустить монохроматическое излучение через линейный поляризатор (поляроид, призму Николя, призму Глана и др.), то оно становится линейно поляризованным. Это означает, что за поляризатором электрический вектор Е колеблется только в одной плоскости, которая совпадает с плоскостью колебаний, пропускаемых поляризатором. Взаимодействие линейно поляризованного излучения с оптически активной средой (кристаллом, жидкостью, газом, раствором вещества) приводит к повороту азимута поляризации на угол а, который, в частности, пропорционален концентрации вещества С и толщине b слоя исследуемого раствора: = *С*b, где удельный угол, зависящий от рода вещества и длины волны излучения. Зная , и b, можно определить концентрацию С.

В настоящее время считают, что оптическая активность обусловлена особенностями строения электронных оболочек индивидуальных молекул. Вращение азимута поляризации линейно поляризованного излучения и различное поглощение правой и левой форм поляризации происходят при наличии в среде молекул, не имеющих центра или плоскости симметрии, т. е. при асимметричном расположении атомов в молекуле. Класс оптически активных соединений очень обширен. Из наиболее известных, в качестве примера, можно привести скипидар, эфирные масла, различные полисахариды.

Поляризационно-оптическими методами можно определять концентрацию и оптически неактивных веществ. Обычное вещество можно привести в оптически активное состояние, воздействуя на него внешними силами - механическими, магнитными, электрическими. В случае искусственной оптической активности результат взаимодействия линейно поляризованного излучения с веществами зависит от ориентации азимута поляризации относительно направления действия внешних сил.

Явление магнитного вращения азимута поляризации ("магнитно-оптический эффект") открыто Фарадеем в 1845 г. Магнитное вращение азимута поляризации происходит при распространении излучения в прозрачном веществе вдоль линий магнитного поля. Оно может быть обнаружено в системе с двумя скрещенными поляроидами. Угол поворота азимута поляризации в этом случае пропорционален толщине слоя вещества, находящегося в магнитном поле напряженностью Н: = *b*H*cos где - угол между направлениями линий магнитного поля и распространения излучения. Явление искусственной оптической активности вызвано изменениями, которые происходят с электронами, входящими в состав атомов и молекул вещества, под воздействием магнитного поля.

Поляриметрические измерения проводят при помощи поляризатора и анализатора. На рис.13 показано расположение поляризатора и анализатора при поляриметрических измерениях. Когда поляризатор 1 и анализатор 2 установлены так, что их плоскости поляризации параллельны (рис. 13а), то лучи света проходят через них. Если анализатор повернут на 90 (рис.13 б), то лучи света не могут пройти через него, так как лучи, прошедшие через поляризатор, имеют плоскость колебаний, перпендикулярную плоскости колебания лучей анализатора. В этом случае света за анализатором не будет; такая схема установки поляризатора и анализатора называется установкой на "темноту".

Рис. 13. Схемы расположения поляризатора и анализатора при поляриметрических измерениях

Если между анализатором и поляризатором, поставленными на темноту, поместить раствор 3 оптически активного вещества, то за анализатором появится свет (рис.13в). Появление света связано с тем, что луч, вышедший из раствора, колеблется не в плоскости, перпендикулярной плоскости анализатора, а в плоскости NN, и может быть разложен на два луча оr и os (рис.13г). Луч оr колеблется в плоскости пропускания лучей анализатора и, следовательно, может пройти через него. Для вторичного достижения темноты необходимо повернуть анализатор так, чтобы плоскость его стала перпендикулярной плоскости NN, т.е. на угол . Величину этого угла и определяют при измерении.

Излучение от источника света 1, (см. рис.14) сформированное линзой 2 в пучок, близкий к параллельному, пройдя интерференционный фильтр 3, ста­новится монохроматическим. Поляризатор 4 превращает это излучение в линейно поляризованное с определенным азимутом. Модулятор 5 (например, ячейка Фарадея) меняет азимут поляризации с частотой f на одинаковую величину от среднего положения. Анализатор 7 установлен под углом 90 к среднему положению азимута поляризации, и на фотоприемник 8 поступает излучение с амплитудной модуляцией удвоенной частоты (21) изменения азимута поляризации. Фотоприемник работает от блока питания 9 и преобразует излучение в электрический сигнал. Если между модулятором и анализатором поместить оптически активный объект 6, то среднее положение азимута поляризации будет повер­нуто на определенный угол а, и на фотоприемник поступит излучение частотой f. Электрический сигнал частотой f вызовет появление в электронном усилителе 10 сигнала рассогласования, который поступает в исполнительный механизм 11, имеющий жесткую связь с анализатором.

Рис. 14 Схема автоматического поляриметра

В зависимости от фазы сигнала рассогласования исполнительный механизм будет поворачивать анализатор в ту или иную сторону вокруг оптической оси системы. Это будет продолжаться до тех пор, пока анализатор вновь не установится под углом 90° и частота излучения за анализатором не станет, равна 2f. Угол поворота анализатора равен углу вращения азимута поляризации оптически активным объектом. Результат измерения фиксируется отсчетным устройством 12, связанным с анализатором через исполнительный механизм 11. Поляризационно-оптические методы практически безинерционны и обладают высокой чувствительностью.

Назначение, принцип действия, устройство и работа датчика концентрации сахара типа ДКС.

Ниже приведены основные используемые сокращенные обозначения:

ДКС - датчик концентрации сахара; ПЭА - поляриметр электронный автоматический; БЭП - блок электронный поляриметра; СФД - станция фильтрации дигерата; УЛС-1 - полуавтоматическая линия определения сахаристости свеклы; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель; УКП-1 - установочная кварцевая пластина; ОКП-1 образцовая кварцевая пластина; УЦР - устройство цифровой регистрации.

Назначение. Датчик ДКС входит в состав поляриметра электронного автоматического ПЭА (самостоятельно датчик не работает), предназначен для эксплуатации в районах с умеренным климатом в закрытых отапливаемых помещениях в течение 16 часов в сутки.

Датчик ДКС выдает электронному блоку поляриметра ПЭА сигналы, пропорциональные углам поворота плоскости поляризации, соответствующие содержанию сахара в водной экстракции сахарной свеклы (дигерата).

Место установки датчика ДКС должно быть выбрано так, чтобы исключалась возможность одностороннего нагрева ДКС солнечными лучами или другими источниками тепла.

Принцип действия датчика ДКС. Измерение содержания сахара в свекле основано на свойстве раствора сахара, поворачивать плоскость поляризации, проходящего через него света на угол, пропорциональный концентрации сахара и длине пути света в растворе. На рис.15 представлена принципиальная схема датчика ДКС. Свет от лампочки 1 (рис.15) зеркалами 2 и 3, имеющими цилиндрическую поверхность, направляется через светофильтр 4 и фокусируется в плоскости точечной диафрагмы 5. Далее объектив 6 строит изображение точечной диафрагмы в плоскости фотокатода ФЗУ - посылает свет через всю систему.

Проходя через поляризатор 7, свет поляризуется, т.е. в его составе остаются только волны, лежащие в плоскостях, параллельных плоскости поляризации поляризатора 7. В случае поворота поляризатора 7 одновременно поворачивается и направление поляризации проходящего через него света. Далее свет попадает в модулятор 8. На контакты 9-10 попадает переменное напряжение 24-25 В, имеющее частоту 380 Гц. В результате катушка модулятора создает переменное магнитное поле, которое раскачивает (модулирует) плоскость поляризации света с частотой 380 Гц относительно исходного (нулевого) направления. Внешние витки обмотки модулятора выделены в самостоятельную катушку 9, за­короченную на корпус датчика ДКС. Эта катушка служит для защиты модулятора от воздействия посторонних магнитных полей. После модулятора свет проходит через рабочую камеру 10, в которой находится кювета с дигератом 11.

В зависимости от концентрации сахара в дигерате в каждый данный момент времени происходит дополнительный поворот плоскости поляризации света. В результате направление плоскости симметрии модуляции (раскачки) света поворачивается на угол, пропорциональный концентрации сахара в дигерате. В процессе настройки или контроля поляриметра взамен кюветы в рабочую камеру помещается кварцевая пластина, которая так же поворачивает плоскость поляризации.

Для предотвращения случайного попадания дигерата внутрь датчика, в нижней части рабочей камеры имеется защитное стекло 12. Ниже рабочей камеры расположен компенсатор 13. На контакты 2-4 подается постоянное регулируемое напряжение. Катушка компенсатора 14 создает магнитное поле, которое компенсирует действие дигерата (кварцевой пластины), то есть возвращает плоскость поляризации (симметрии модуляции) в исходное (нулевое) положение.

Рис.15. Принципиальная схема.

1-лампа ММ6-6; 2,3-зеркала; 4-светофильтр; 5-диафрагма точечная; 6-объектив; 7-поляризатор; 8-модулятор; 9-катушка защитная; 10-камера рабочая; 11-кювета; 12-стекло защитное; 13-компенсатор; 14-катушка компенсатора; 15-катушка электрообнуления; 16-анализатор; 17-фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)

Чем больше был угол поворота плоскости поляризации, вызванный дигератом, тем большее магнитное поле требуется для возвращения ее в исходное (нулевое) положение. Таким образом, измеряя ток, идущий в катушке компенсатора, получим прямо пропорциональное ему значение угла поворота плоскости поляризации, а, в конечном счете, величину концентрации сахара в дигерате.

Часть витков обмотки компенсатора выделена в самостоятельную катушку 13, которая служит для осуществления точного электрообнуления. Регулирование тока в катушке электрообнуления осуществляется с помощью потенциометр, расположенного на лицевой панели БЭП. За компенсатором следует анализатор 16. Количество света, проходящего через анализатор, определяется формулой Ф=Ф *cos² , где Ф –световой поток за анализатором; Ф - световой поток, падающий на анализатор; - угол между плоскостями поляризации анализатора и падающего на него светового потока.

В исходном нулевом положении (см. рис.16) (при отсутствии дигерата или кварцевой пластинки), плоскость симметрии модуляции обнуленного датчика перпендикулярна к плоскости поляризации анализатора.

Рисунок 16.

М - плоскость поляризации анализатора; П - плоскость симметрии модуляции; А - плоскость поляризации поляризатора

Так как =90°, a cos 90°=0, то в этом случае в момент совпадения плоскости поляризации с плоскостью симметрии модуляции световой поток будет равен нулю. В моменты наибольшего отклонения плоскости поляризации от плоскости симметрии модуляции, световые потоки в каждом полупериоде будут максимальными и равными между собой:

Ф₂=Фо; Ф *sin²( )=Ф * sin² (+ ).

где угол отклонения плоскости поляризации при модуляции.

Таким образом, за период колебания напряжения в модуляторе проходит два периода колебания света. При повороте плоскости поляризации на некоторый угол (например, под действием дигерата), равенство световых потоков нарушается:

Ф *sin² ( - ) Ф *sin² ( + ).

Пройдя анализатор, свет попадает на фотоэлектронный умножитель 17 (ФЭУ) (рис.15). ФЭУ выдает сигнал, пропорциональный количеству поступившего света. Этот сигнал поступает в электронный блок поляриметра (БЭП). Так как за один период колебания напряжения в модуляторе происходят два периода колебания света, то при частоте модулирующего напряжения 380 Гц сигнал ФЭУ имеет частоту 760 Гц. При неравенстве световых потоков в первом и втором полупериодах, то есть при наличии угла , возникает дополнительная составляющая сигнала ФЭУ, имеющая частоту 380 Гц. БЭП усиливает, выпрямляет и направляет в компенсатор только сигнал, содержащий частоту 380 Гц.

Если сигнал ФЭУ, поступающий в БЭП, имеет только частоту 760 Гц (угол = 0), то в компенсатор ток не поступает и плоскость поляризации остается в неизменном положении.

При повороте плоскости поляризации, например, дигератом на угол , в сигнале ФЭУ появляется частота 380 Гц, что вызывает все возрастающую подачу тока в компенсатор до тех пор, пока плоскость поляризации не вернется в исходное положение.

Хотя сигнал ФЭУ и пропорционален углу поворота плоскости поляризации, вызываемого дигератом, это обстоятельство для работы поляриметра ПЭА не имеет значения. Обработка угла происходит по принципу "да" - "нет", компенсация производится до тех пор, пока в сигнале ФЭУ не исчезнет частота 380 Гц, независимо от величины самого сигнала. Выражение "до тех пор, пока" в данном случае означает лишь последовательность, а не длительность действия, так как все физические процессы, протекающие в датчике, безинерционны.

Так как в момент компенсации исчезает частота 380 Гц, то и поступление тока в компенсатор тут же прекращается. Однако поскольку в рабочей камере в это время все еще находится дигерат, плоскость поляризации снова оказывается в отклоненном положении, что вызывает появление частоты 380 Гц, новое поступление тока в компенсатор и т.д. Система все время находится в динамическом равновесии, и поляриметр показывает не отдельные компенсации, а результирующее значение уровня компенсаций, протекающих с высокой частотой.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает в себя поляриметр ПЭА, состав­ной частью которого является датчик ДКС, а также сахариметр универсальный типа СУ-4. В качестве исследуемых жидкостей используются растворы сахара в воде.