ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 148-151
_ ЛАБОРАТОРНАЯ
- ТЕХНИКА
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО СООТНОШЕНИЮ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ЛИНИЙ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ В ЧЕТЫРЕХХЛОРИСТОМ УГЛЕРОДЕ В СВЕТОВОДЕ С ЖИДКОЙ
СЕРДЦЕВИНОЙ
© 2007 г. Huang Baokun, Tian Yanjie, Li Zuowei, Gao Shuqin, Li Zhaokai
Physics College, Jilin University Jiefang Road, 2519, Changchun, 130021, P R. China Поступила в редакцию 16.03.2006 г.
Для измерения температуры по соотношению интенсивностей линий комбинационного рассеяния света использован световод с жидкой сердцевиной. Сердцевиной световода служит CCl4 с добавкой бензола для обеспечения условий полного внутреннего отражения. Измерения проводились на трех линиях комбинационного рассеяния в CCl4: 218, 314 и 459 см1. Результаты, полученные на линии 459 см1, лучше всего отвечают фактической температуре. Обсуждаются преимущества использования световода с жидкой сердцевиной, а также факторы, влияющие на результаты измерений.
PACS: 07.20.Dt, 07.60.Vg, 42.81.Pa, 78.30.-j
1. ВВЕДЕНИЕ
Со времени изобретения первого термометра Галилеем в 1603 г. для измерения температуры опробовано много способов. Один из них - определение температуры по отношению интенсивностей стоксовой и антистоксовой линий комбинационного рассеяния [1-4]. Это отношение связано с температурой выражением
I* ( v о + v к4 4
la V ^ - v
= exp (hcv к / (KT)),
(1)
где I и 1а - интенсивности стоксовой и антистоксовой линий соответственно; Vк - рамановский сдвиг; V), см-1 - частота возбуждающего света; Т, К - температура; остальные символы имеют обычное значение.
Как известно, интенсивности стоксовой и антистоксовой линий зависят от заселенности основного и возбужденного состояний соответствующего колебательного перехода. В условиях теплового равновесия число частиц в основном и в возбужденном состояниях может быть вычислено из распределения Больцмана:
I* =
2п
(v о - v к)
_(dj2
c Vk[ 1 - exp(-hcvк/(KT))]UqJo'
Ia =
2 n
(v o+ v к)
(dj2
c Vk[exp(hcvj(KT)) -1 ]UqJo
(2)
где а - тензор поляризации; Qk - нормальная координата к-й моды колебаний; g - вырожденность колебания.
Подстановка выражений (2) в (1) после логарифмирования дает:
T =
hcvu
K [ ln (I*/1 a ) + 4ln (( Vo + Vk)/( Vo - Vk ))]•
(3)
По формуле (3) температуру определяли многие авторы с различными веществами и источниками излучения [2-4].
Комбинационное рассеяние - неэффективный процесс, интенсивность его линий составляет 10-810-12 от интенсивности возбуждения, что приводит к невысокому отношению сигнал/шум [5]. Интенсивность сигнала можно повысить, используя мощный лазер, однако это может привести к повреждению или модификации образца. Кроме того, температура образца, облучаемого лазером, будет значительно выше окружающей, что снизит точность измерений. Поэтому мощный лазер - это не лучший выбор.
В данной работе для получения спектров комбинационного рассеяния высокого качества с маломощным лазером был использован световод с жидкой сердцевиной. С помощью такого световода интенсивность рассеяния можно повысить в 102-103 раз [5, 6].
При использовании световода свет лазера не требуется фокусировать на малую площадку, достаточно ввести его в световод, где он будет взаимодействовать со всем веществом образца. В этом
случае мощность лазера используется эффективно, а удельное поглощение энергии в образце слишком мало, чтобы вызвать его разложение.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Устройство световода показано на рис. 1. Диаметр кварцевого капилляра составлял 50 мкм, а длина 5.2 м соответствовала максимальной интенсивности комбинационного рассеяния [7]. После заливки в капилляр жидкости отверстия кювет запаивались, чтобы состояние образца было постоянным. Затем световод помещался в водяной термостат с ртутным термометром, имеющим точность 0.05 К. Для возбуждения служил Не-№-лазер мощностью 7 мВт, а рассеянный свет собирался двухрешеточным монохромато-ром HRD-1 с фотоумножителем С31034, который имел водяное охлаждение.
Температура термостата повышалась от 275 до 341 К с шагом 6 К, спектры комбинационного рассеяния записывались после того, как жидкость в световоде придет в тепловое равновесие с ванной термостата.
Коэффициент преломления СС14 немного меньше, чем у плавленого кварца (1.458), поэтому чистый СС14 не мог служить сердцевиной световода. Добавкой 10% бензола коэффициент преломления повышался до 1.465, такая смесь уже могла обеспечить полное внутреннее отражение на границе с кварцем.
Бензол был выбран среди других возможных добавок в силу того, что его структура проста и стабильна, а главное, он не дает ни флуоресценции, ни комбинационного рассеяния в диапазоне от 200 до 600 см-1, которые могли бы наложиться на спектр СС14. Что касается взаимодействия в растворе, в работе [8] было показано наличие п-связи между электронным облаком бензольного кольца и пустым уровнем 3d атомов хлора СС14. Поэтому добавка бензола может влиять на спектр комбинационного рассеяния СС14, а именно на рамановский сдвиг и на интенсивность. Тем не менее, распределение СС14 между основным и возбужденным состояниями определяется температурой, поэтому на отношение интенсивностей стоксовой и антистоксовой линий добавка бензола существенно не влияет.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Молекула СС14 проста, просты и его спектры комбинационного рассеяния. Три линии комбинационного рассеяния, а именно: 218, 314 и 459 см-1, не перекрываются друг с другом и имеют высокие и очень близкие интенсивности. Указанные линии регистрировались при различных температурах образца, а отношения их стоксовой и антистоксовой компонент использовались для расчета
3
2
Рис. 1. Схема эксперимента. 1 - излучение лазера, 2 -окно, 3 - кювета, 4 - световод с жидкой сердцевиной, 5 - падающее и рассеянное излучение.
температуры. Пределы изменений этих отношений представлены в таблице.
В большинстве точек расчетные значения температуры удовлетворительно согласуются с фактическими, особенно в диапазоне до 300 К. С повышением температуры расхождения возрастают (рис. 2). При этом линии ±459 см-1 дают наилучшие результаты, а линии ±218 см-1 лучше, чем ±314 см-1.
Рассмотрим факторы, влияющие на точность результатов.
3.1. Влияние сдвига частоты
При температуре образца 20°С (293 К) отношение интенсивностей стоксовой и антистоксовой линий, согласно (1), будет равно
у о - V
V 0 + V,
ехр (4.9 • 10-5ук),
(4)
а первый множитель близок к единице. Для такого большого рамановского сдвига, как 1000 см-1, это отношение будет достигать 102, так что анти-стоксова линия будет очень слабой и ее интенсивность трудно будет определить точно. При малом рамановском сдвиге, скажем 200 см-1, линии комбинационного рассеяния попадут под релеевские крылья линии возбуждения, что может привести к помехам. Приведенные в таблице пределы изменения отношения интенсивностей показывают, что СС14 - это хороший выбор рабочего вещества. Значения отношения интенсивностей не слишком велики, а поскольку на линии 459 см-1 его изменение максимально, на этой линии и достигается лучшая точность.
Т, К 4/4
±218 см-1 ±314 см-1 ±459 см-1
275 2.81 4.40 8.68
341 2.34 3.55 5.71
5
4
150
НиАШ ВАОКШ и др.
т, К
Рис. 2. Результаты измерений. Т - температура, измеренная ртутным термометром; Тс - расчетная температура; сплошная прямая Тс = Т.
3.2. Влияние характеристик световода
Функция световода состоит в том, чтобы возбуждающее излучение лазера полностью провза-имодействовало с образцом и значительная часть комбинационного излучения была собрана на фотокатод, благодаря полному внутреннему отражению. Однако, прежде чем достигнуть фотокатода, комбинационное излучение должно пройти через толщу образца, где оно может поглощаться и рассеиваться. Длины волн стоксовой и антистоксовой компонент различны, различны и коэффи-
Рис. 4. Спектральная характеристика фотокатода.
циенты поглощения и рассеяния, поэтому и отношение интенсивностей будет изменяться. С повышением температуры потери распространения возрастают [10], поэтому точность получается хуже, чем при низких температурах (рис. 3).
3.3. Влияние других факторов
Стабильность возбуждающего лазера также влияет на результаты измерений, в данной работе она составляла ±0.1%. Для защиты фотоумножителя от перегрузки сильной линией релеевского рассеяния измерения стоксовой и антистоксовой линий проводились раздельно, что повышало вероятность влияния нестабильности лазера.
Точка кипения СС14 равна 349.9 К, при приближении к ней в жидкости начинают появляться пузырьки пара, рассеяние на которых приводит к снижению светопропускания и ухудшает качество регистрируемых спектров.
4 На 9
8
7
6
5 4 3
о 218 см-1 * 314 см-1 + 459 см-1
280 290 300 310 320 330 340 350
Т, К
Рис. 3. Зависимость отношения интенсивностей линий комбинационного рассеяния от температуры. Сплошные линии - теория, точки - эксперимент.
3.4. Влияние перегрева образца
Перегрев образца поглощенным светом возбуждающего лазера можно оценить по формуле ЛТСрУ = Wt, где ЛТ - изменение температуры образца за время измерения t, р - плотность, а У -объем образца, С - его теплоемкость, W - мощность падающего света.
В нашем случае длина световода была равна 5.2 м, внутренний диаметр 50 мкм, W = 7 мВт, t = 1 с, отсюда ЛТ = 0.12 К при полном поглощении света и в отсутствие теплообмена. Видно, что перегрев образца был пренебрежимо мал.
3.5. Влияние спектральной характеристики фотокатода
В диапазоне длин волн 600-700 нм спектральная характеристика ф.э.у. С31034 практически горизонтальна (рис. 4) и хорошо подходит для работы с лазером на 632 нм.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Три линии комбинационного рассеяния четы-реххлористого углерода, ±218, ±314 и ±459 см1, использованы для определения температуры в диапазоне 275-341 К. Полученные значения температуры удовлетворительно согласуются с фактическими, особенно определяемые по линии ±459 см-1. Однако диапазон измеряемых температур был ограничен точками плавления и кипения. Если сердцевину световода выполнить из твердого вещества с малыми потерями, имеющего линию комбинационного рассеяния в интервале 300-500 см-1, диапазон
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.