ПОЛЯРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ВЕРДЕ ПРОЗРАЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к большому классу поляризационных приборов, предназначенных для измерения угла поворота плоскости поляризации света, прошедшего исследуемое прозрачное вещество, обладающее естественной оптической активностью, например раствор сахара, или наведенной оптической активностью, когда на изотропное вещество воздействуют продольным магнитным полем (эффект Фарадея) [1].

Известно, что подобно естественной оптической активности эффект Фарадея также существенно зависит от свойства вещества, в котором распространяется свет.

Величина, характеризующая магнитное вращение плоскости поляризации света в веществе, называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением.

Вещество, помещенное в продольное магнитное поле, поворачивает плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль магнитного поля, на угол

где: V - постоянная Верде (удельное магнитное вращение) в [рад./э⋅см];

Н - напряженность магнитного поля в эрстедах;

L - длина пути света в веществе в [см];

β - угол между направлением лучей света и вектором напряженности магнитного поля.

Из уравнения (1) видно, что если производить измерения угла α поворота плоскости поляризации света, прошедшего известный путь L в прозрачном веществе при известных значениях напряженности магнитного поля Н и угла β, то можно найти величину постоянной Верде по формуле

где: α - угол поворота плоскости поляризации света веществом;

М=H⋅L⋅Cosβ - конструктивный коэффициент, характеризующий воздействие магнитного поля Н на вещество при длине пути света L в веществе и при угле β.

По найденной величине постоянной Верде V можно идентифицировать анализируемое вещество или найти концентрацию растворенного вещества в растворителе, если заведомо известна разница постоянной Верде растворителя и растворенного вещества.

Таким образом, измерение постоянной Верде (удельного магнитного вращения) V является такой же важной и актуальной задачей, как и измерение удельного вращения плоскости поляризации света [α]_λ оптически активных веществ [1].

Для измерения угла α поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света, прошедшего вещество, находящееся в продольном магнитной поле, можно пользоваться простыми визуальными полярископами или объективными (цифровыми) поляриметрами [1].

Визуальные полярископы являются грубыми приборами. Их погрешность измерения угла α большая и находится в пределах от ±0,05° до ±0,5°. Существует множество фотоэлектрических поляриметров, с помощью которых можно измерять угол поворота плоскости поляризации α с погрешностью всего ±0,001° [2]. Так, например, известны фотоэлектрический метод и прибор для измерения постоянный Верде стекла и кристаллов [3].

Известный прибор содержит источник света, коллиматор, фильтр и установленные последовательно по ходу параллельного пучка света поляризатор, исследуемый образец известной длины L, размещенный в зазоре магнитопровода электромагнита, где напряженность продольного постоянного магнитного поля Н, модулятор в виде обычной ячейки Фарадея, которая питается переменным током с частотой ω, второй вращающийся поляризатор и фотоприемник. В исходном положении плоскости пропускания поляризаторов взаимно ортогональны («скрещены»).

Известный метод измерения постоянной Верде заключается в подборе величины напряженности магнитного поля Н, при котором происходит компенсация угла поворота плоскости поляризации, задаваемой поворотом на угол α вращающимся поляризатором. Угол α контролируют зеркалом, закрепленным на вращающемся поляризаторе и автоколлимационной трубкой с погрешностью ±2 угловые секунды. Момент компенсации угла α исследуемым образцом, находящимся в продольном магнитном поле, определяют по исчезновению первой гармоники частоты ω модуляции в спектре сигнала фотоприемника согласно выражению

где: I_max, I - исходный и воспринимаемый фотоприемником световые потоки; α - угол поворота плоскости поляризации света; А - амплитуда угла поворота плоскости поляризации света модулятором; ω - частота модуляции плоскости поляризации света.

Напряженность магнитного поля Н контролируют по величине э.д.с. источника тока Е, а постоянную Верде V вычисляют по формуле:

где: R - активное сопротивление цепи;

L - длина пути света в исследуемом веществе;

Е - э.д.с. источника постоянного тока;

К - коэффициент пропорциональности между напряженностью поля Н и током i.

Данные известные метод и устройство измерения постоянной Верде имеют ряд существенных недостатков.

Во-первых, метод усложнен тем, что основан на эффектах поворота одного из поляризаторов на заданный угол и компенсации поворота плоскости поляризации с помощью ячейки Фарадея, играющей роль компенсатора. Поэтому конструкция устройства сложна и громоздкая. Устройство для реализации метода содержит контролируемое сложное устройство углового перемещения поляризатора, дополнительную ячейку Фарадея, которая питается переменным током и служит модулятором плоскости поляризации по гармоническому закону, ячейку Фарадея, питаемую регулируемым постоянным током для компенсации заданного угла поворота поляризатора.

Во-вторых, в момент компенсации угла поворота плоскости поляризации фотоприемник воспринимает минимальный световой поток I_min, что соответствует нижнему экстремуму функции I=I_0⋅Sin²α, где производная близка к нулю. Следовательно, устройства, принцип работы которых основан на регистрации минимального значения света, по чувствительности не являются оптимальными и обязательно требуют наличия компенсаторов угла поворота плоскости поляризации, например, в виде ячейки Фарадея [3], либо в виде углоизмерительного устройства, контролирующего угол поворота одного из поляризаторов [1].

Существует ряд более совершенных схем построения поляризационных устройств для измерения угла поворота плоскости поляризации света. Наиболее близким аналогом по отношению к предлагаемому устройству является известное устройство по патенту Японии №06072807. Устройство содержит источник монохроматического коллимированного пучка света 1 (фиг. 1) и установленные по ходу лучей первый простой линейный поляризатор 2, кювету 3 с исследуемым веществом 4 и штуцерами 5, второй линейный поляризатор в виде призмы Волластона 6, который пропускает раздельно два пучка света I₁ и I₂ с взаимоортогональными плоскостями поляризации между собой. Плоскость пропускания простого поляризатора 2 отличается от плоскости пропускания второго поляризатора (призмы Волластона) 6 на углы ±45°.

Интенсивности пучков света с различными азимутами плоскости поляризации I₁ и I₂ после поляризатора 6, воспринимаются фотоприемниками 7, 8. Электрические сигналы U₁ и U₂ фотоприемников 7, 8 усиливаются линейными усилителями 9, 10, которые подсоединены к электронному блоку 11.

В электронном блоке 11 происходит вычисление разности сигналов U₁-U₂, суммы сигналов U₁+U₂ и их отношения

которые пропорциональны измеряемому углу поворота плоскости поляризации света α, произошедшему в результате прохождения поляризованного света через исследуемое вещество 4.

Результат измерений индуцируется на индикаторе 12.

Известное устройство по патенту Японии №06072807 работает следующим образом.

Если исследуемое вещество 4 (фиг. 1) не обладает естественной оптической активностью и не обладает наведенной оптической активностью, например, под воздействием продольного магнитного поля, то после прохождения поляризатора 6 интенсивности обоих пучков света I₁ и I₂ одинаковы, т.е.

где: I₀ - интенсивность света, падающего на поляризатор 2;

τ - коэффициент пропускания оптического тракта.

В этом случае потенциалы U₁ и U₂ равны, электронный блок 11 дает информацию об отношении Q=0 и на индикаторе 12 отображается нулевой результат измерений.

Если исследуемое вещество 4 (фиг. 1) обладает оптической активностью, например раствор сахара, или на вещество 4 действует продольное магнитное поле (на фиг. 1 не показано), то на выходе кюветы 3 азимут линейной поляризации изменится на угол α и интенсивности света I₁ и I₂ изменятся согласно уравнениям

В этом случае разность интенсивностей света

а их сумма

Потенциалы U₁ и U₂ пропорциональны I₁ и I₂, поэтому отношение

Электронный блок 11 (фиг. 1) дает информацию о измеренном угле α и на индикаторе 12 индуцируется результат измерения угла α.

Известное устройство по патенту Японии №06072807 позволяет выполнять более точные измерения угла поворота плоскости поляризации света, прошедшего через вещество, обладающее естественной оптической активностью, например через раствор сахара. Однако это устройство не содержит признаков, обеспечивающих возможность измерения угла поворота плоскости поляризации света, наведенного продольным магнитным полем. Следовательно, устройство по патенту Японии №06072807 не может обеспечить измерений постоянной Верде прозрачных веществ, находящихся под воздействием продольного магнитного поля.

Кроме того, в известном устройстве обеспечивается только однократное прохождение поляризованного пучка света через испытуемое вещество. Это означает, что если испытуемое вещество обладает естественной оптической активностью, то она наложится на искусственную оптическую активность, вызванную воздействием на вещество продольным магнитным полем (эффект Фарадея) и результаты измерений постоянной Верде будут недостоверными.

Предлагается новое устройство, свободное от упомянутых недостатков.

Предлагается поляриметр для измерения постоянной Верде прозрачных веществ, который содержит источник монохроматического, коллимированного пучка света и установленные по ходу лучей первый линейный поляризатор, кювету с исследуемым веществом, второй линейный поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° по отношению к плоскости пропускания первого поляризатора, фотоприемники, усилители, электронный блок с вычислителем отношения разности сигналов фотоприемников к их сумме и индикатор результатов измерений.

В качестве первого линейного поляризатора установлена призма Волластона, пропускающая в горизонтальной плоскости раздельно два пучка света, плоскость поляризации одного пучка горизонтальна, а другого - вертикальна. Кювета с исследуемым веществом установлена в центре набора кольцеобразных постоянных магнитов с коаксиальным направлением вектора напряженности магнитного поля. После кюветы установлено зеркало нормально к осевой линии кюветы.

Падающие на зеркало лучи наклонены в вертикальной плоскости под углом не менее

где: D - диаметр пучка света;

- расстояние от призмы Волластона до зеркала.

Второй простой линейный поляризатор установлен непосредственно перед фотоприемниками так, что одновременно он находится как в падающем на призму Волластона пучке света, так и в отраженных от зеркала и прошедших повторно через кювету двух пучках света.

На фиг. 1 показана структурная схема известного устройства по патенту Японии №06072807.

На фиг. 2 показана схема предлагаемого поляриметра для измерения постоянной Верде прозрачных веществ: а) вид сборку; б) вид сверху.

Предлагаемый поляриметр для измерения постоянной Верде прозрачных веществ содержит источник монохроматического коллимированного пучка света 1 (фиг. 2), например, в виде полупроводникового квантового модуля, и установленные по ходу лучей первый линейный поляризатор в виде призмы Волластона 2, кювету 3 с исследуемым веществом 4, зеркало 5, простой поляризатор 6, два фотоприемника 7, 8, два линейных усилителя 9, 10, электронный блок 11 и индикатор результатов измерений 12. В центре кюветы 3 имеются патрубки 13 для подачи и эвакуации испытуемого вещества 4. По обе стороны патрубков 13 на кювету 3 надеты наборы кольцеобразных постоянных магнитов 14 с коаксиальным направлением вектора напряженности магнитного поля. Таким образом, кювета 3 с исследуемым веществом находится в центре набора постоянных магнитов, где наибольшая напряженность магнитного поля и вектор этой напряженности совпадает с направлением распространения линейно поляризованного света.

Отражающая поверхность зеркала 5 перпендикулярна оси кюветы 3. Падающие на зеркало 5 лучи наклонены в вертикальной плоскости под углом не менее

где: D - диаметр пучка света;

- расстояние от призмы Волластона 2 до зеркала 5.

Первый линейный поляризатор 2 выполнен в виде призмы Волластона, пропускающей в горизонтальной плоскости два пучка света. Плоскость пропускания одного пучка горизонтальна, а другого - вертикальна. Простой поляризатор 6 установлен так, что находится в отраженных от зеркала 5 пучках света непосредственно перед фотоприемниками 7, 8 и одновременно находится в пучке света непосредственно после источника света 1, а его плоскость пропускания составляет углы ±45° с плоскостями пропускания поляризатора 2. Источник света 1 установлен так, что его азимут частичной поляризации света совпадает с плоскостью пропускания поляризатора 6.

Предлагаемый поляриметр для измерения постоянной Верде прозрачных веществ работает следующим образом.

Монохроматический, коллимированный, частично поляризованный пучок света от полупроводникового лазерного модуля 1 (фиг. 2) проходит поляризатор 6, становится линейно поляризованным с азимутом поляризации +45° (или -45°), проходит призму Волластона 2, разделяется призмой 2 в горизонтальной плоскости на два одинаковые по интенсивности линейно поляризованные пучка света с взаимно ортогональными азимутами поляризации, проходят кювету 3 с исследуемым веществом 4, отражаются от зеркала 5 под углом в вертикальной плоскости повторно проходят исследуемое вещество 4, поляризатор 6 и воспринимаются фотоприемниками 7 и 8.

Под воздействием продольного магнитного поля набора постоянных магнитов 14 в кювете 3 длиной L с исследуемым веществом 4 происходит эффект поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в каждом пучке на угол

где: Н - напряженность магнитного поля;

V - постоянная Верде исследуемого вещества;

2L - путь, пройденный светом в исследуемом веществе в кювете длиной L.

Зависимость интенсивностей света I₁ и I₂ воспринимаемых фотоприемниками 7, 8, от угла поворота плоскости поляризации α исследуемым веществом 4 можно найти по первому параметру вектора Стокса после перемножения матриц Мюллера, характеризующих воздействие каждого элемента оптики на поляризованный свет согласно уравнению

где - вектор Стокса, характеризующий свет от источника 1;

- матрица поляризатора 6;

- матрица призмы Волластона 2;

- матрица исследуемого вещества 4, на которое воздействует постоянный магнит 14.

Свет от источника 1 частично поляризован, и его можно представить вектором Стокса

где I₀ - интенсивность света источника 1;

р - степень поляризации света источника 1;

γ - азимут преимущественной частичной поляризации, который изменяется при различных температурных условиях и при изменении тока через источник света 1 (лазерный модуль).

Пропуская такой свет через линейный поляризатор 6, происходит стабилизация состояния поляризации света, падающего на призму Волластона. Так, умножая матрицу [М_п]_45° на вектор , получаем новый вектор

который характеризуется стабильным азимутом линейной поляризации 45° и не зависит от изменения азимута преимущественной поляризации γ и степени поляризации р источника света 1, так как γ и р влияют только на величину интенсивности пучка света, а не на состояние поляризации падающего на призму Волластона.

После призмы Волластона 2 выходят разделенные в горизонтальной плоскости пучки света, которые можно представить векторами

то есть, один пучок света линейно поляризован в горизонтальной плоскости (знак «+»), а другой - вертикально поляризованный (знак «-»).

Далее после двукратного прохождения линейно поляризованных пучков света с взаимно ортогональными плоскостями поляризации через исследуемое вещество 4 получаем пучки света, которые представляются векторами Стокса

а после прохождения поляризатора 6 - векторами Стокса

Фотоприемники 7, 8 воспринимают интенсивности света, характеризующиеся первым параметром вектора Стокса, то есть:

Разность интенсивностей света

а их сумма

Усилители 9, 10 работают в линейном режиме, поэтому на их выходах потенциалы сигналов U₁ и U₂ пропорциональны интенсивностям света I₁ и I₂.

В электронном блоке 11 вычисляется отношение разности к сумме этих сигналов

а также искомый угол поворота плоскости поляризации

По найденному углу поворота плоскости поляризации α электронный блок 11 вычисляет постоянную Верде V

где М=Н⋅2⋅L⋅cos β - конструктивный коэффициент;

Н - напряженность магнитного поля магнитов 14;

L - длина кюветы;

β - угол между направлением света и магнитными силовыми линиями магнита 14.

Результат измерений постоянной Верде индицируется на четырехразрядном индикаторе 12 в единицах измерений [минут/эрстед.см]⋅10⁴. Так, например, если в кювету 3 залита дистиллированная вода, то на индикаторе 12 появится результат измерений 131,2⋅10^-4 минут/э.см, если метиловый спирт, то 96,0⋅10^-4 минут/э.см, а если толуол, то 269,0⋅10^-4 минут/э.см.

По желанию потребителя результаты измерений постоянной Верде могут быть представлены в относительных единицах. Например, если предлагаемый поляриметр предполагается использовать в нефтехимии для оценки доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах, то результаты измерений удобно представлять в виде безразмерного толуольного коэффициента

где: α_х - угол поворота плоскости поляризации света исследуемым веществом 4;

α_тол - угол поворота плоскости поляризации света химически чистым толуолом при тех же условиях измерений, что и исследуемого вещества 4.

В случае заполнения кюветы химически чистым толуолом

и индикатор 12 будет индицировать трехзначное число К_т=1,000.

А если в качестве исследуемого вещества 4 в кювете 3 будет залит представитель парафинов, например химически чистый н-Октан, то индикатор будет индицировать толуольный коэффициент К_т=0,431.

Благодаря тому, что после кюветы 3 установлено зеркало 5, линейно поляризованные пучки света после призмы Волластона 2 проходят исследуемое вещество 4 дважды в прямом и обратном направлениях. Такая конструкция предлагаемого поляриметра позволяет полностью нейтрализовать влияние естественной оптической активности на результаты измерений постоянной Верде при обратном ходе лучей.

Известно, что в отличие от эффекта Фарадея оптически активные вещества, например, сахароза, в прямом направлении поляризованного света характеризуются матрицей правого вращения, как в уравнении (12), а в обратном направлении (после отражения от зеркала 5) - матрицей левого вращения:

Это означает, что после первого прохождения поляризованных пучков света через оптически активное вещество (раствор сахарозы) 4 эффект поворота плоскости поляризации можно отобразить вектором

после обратного прохождения света новый вектор Стокса найдем из уравнения

Результат перемножения матриц показывает, что мы получим состояние поляризации пучков света, которое было до прохождения света через исследуемое вещество 4, то есть эффект поворота плоскости поляризации света раствором сахарозы полностью скомпенсирован обратным ходом лучей.

Таким образом, при двукратном прохождении поляризованного света через исследуемое вещество естественная оптическая активность вещества компенсируется обратным ходом лучей, а оптическая активность, наведенная магнитным полем, удваивается.

Это одно из преимуществ предлагаемого поляриметра.

Другим существенным преимуществом предлагаемого поляриметра для измерения постоянной Верде является портативность и рекордно малое потребление энергии (не более 8 ВА). Использование набора мощных постоянных неодимовых магнитов 14 позволило достичь напряженности продольного магнитного поля в кювете 3 с веществом 4 в несколько тысяч Гаус без затраты электрической энергии.

При необходимости, например, при выполнении прецизионных измерений постоянной Верде длина кюветы 3 с исследуемым веществом 4 может быть увеличена с одновременным увеличением числа постоянных магнитов 14.

Предлагаемый поляриметр для измерения постоянной Верде особенно удобен для определения ароматических составляющих в светлых нефтепродуктах, например в моторных топливах, как в процессе контроля их качества в лабораториях нефтехимических предприятий, так и в технологическом процессе их изготовления.

ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Волкова Е.А. Поляризационные измерения. Издательство СТАНДАРТОВ, М. - 1974. С. 57.

2. Ванюрихин А.И., Герчановская В.П. Оптико-электронные, поляризационные устройства, Киев, «Техника», 1984 г. С - 94-108.

3. Бужинский А.Н., Заводчиков Г.И., Клейман В.А. и др. Метод и прибор для измерения постоянной Верде прозрачных сред, «Оптико-механическая промышленность», 1971, №3, с. 27-29.

4. Патент Японии №06072807.