Multipass spektroskopické absorpční buňky - Multipass spectroscopic absorption cells
Absorpční cely s více průchody nebo s dlouhou cestou se běžně používají ve spektroskopii k měření složek s nízkou koncentrací nebo k pozorování slabých spekter v plynech nebo kapalinách. V této oblasti bylo od 30. let 20. století učiněno několik důležitých pokroků a výzkum široké škály aplikací pokračuje dodnes.
Přehled funkcí
Obecně je cílem tohoto typu vzorkové cely zlepšit citlivost detekce zvýšením celkové délky optické dráhy, která prochází malým konstantním objemem vzorku. V zásadě platí, že delší délka cesty má za následek větší citlivost detekce. K přesměrování paprsku v každém bodě odrazu je třeba použít zaostřovací zrcadla, což má za následek, že paprsek bude omezen na předem definovaný prostor podél kontrolované dráhy, dokud neopustí optickou dutinu . Výstupem buňky je vstup optického detektoru (specializovaný typ snímače ), který snímá specifické změny vlastností paprsku, ke kterým dochází během interakce se zkušebním vzorkem . Například vzorek může absorbovat energii z paprsku, což má za následek útlum výstupu, který je detekovatelný převodníkem. Dvě konvenční víceprůchodové buňky se nazývají bílá buňka a buňka Herriott. V současnosti populární a komerčně používané víceprůchodové buňky také známé a kruhové víceprůchodové buňky jsou široce používány při snímání plynu Trace, environmentálních a průmyslových procesech.
Pfund Cell
Na konci třicátých let 20. století použil Pfund pro atmosférickou studii tříprůchodovou komoru, jako je ta výše. Buňka, která se stala známou jako buňka Pfund, je konstruována pomocí dvou identických sférických zrcadel, z nichž každé má ve svém středu pečlivě vyřezaný otvor. Vzdálenost mezi zrcadly je stejná jako ohnisková vzdálenost zrcadla. Zdroj vstupuje z otvoru v obou zrcadlech, je dvakrát přesměrován na dva body odrazu a poté opouští buňku druhým zrcadlem při třetím průchodu. Buňka Pfund byla jedním z prvních příkladů tohoto typu spektroskopické techniky a je známo, že používala více průchodů.
Bílá buňka
.gif)
Bílou buňku poprvé popsal v roce 1942 John U. White ve svém dokumentu Long Optical Paths of Large Aperture a představoval významné zlepšení oproti předchozím technikám spektroskopického měření na dlouhé dráze . Bílá buňka je konstruována pomocí tří sférických, konkávních zrcadel se stejným poloměrem zakřivení. Zrcadla jsou od sebe oddělena vzdáleností rovnající se jejich poloměrům zakřivení. Animace vpravo ukazuje bílou buňku, ve které paprsek provede osm reflexních průchodů nebo traverzů. Počet pojezdů lze poměrně snadno změnit mírným otočením buď na M2 nebo M3; celkový počet přechodů se však musí vždy vyskytovat v násobcích čtyř. Vstupní a výstupní paprsky nemění polohu, protože se přidávají nebo odebírají traverzy, přičemž celkový počet přechodů lze mnohonásobně zvýšit bez změny objemu buňky, a proto lze celkovou délku optické dráhy ve srovnání s objemem zvětšit testovaného vzorku. Skvrny z různých průchodů se mohou na zrcadlech M2 a M3 překrývat, ale na zrcátku M1 musí být odlišné. Pokud je vstupní paprsek zaostřen v rovině M1, pak bude každý kruhový výlet také zaostřen v této rovině. Čím je zaostření přísnější, tím více nepřekrývajících se míst může být na M1 a tím vyšší je maximální délka dráhy.
V současné době je bílá buňka stále nejčastěji používaným víceprůchodovým článkem a poskytuje mnoho výhod. Například,
- Počet pohybů lze snadno ovládat
- Umožňuje vysokou numerickou clonu
- Je poměrně stabilní (ale ne tak stabilní jako buňka Herriott)
K dispozici jsou bílé krvinky s délkou dráhy od méně než jednoho metru do mnoha stovek metrů.
Buňka Herriott
Buňka Herriott se poprvé objevila v roce 1965, kdy Donald R. Herriott a Harry J. Schulte publikovali Folded Optical Delay Lines zatímco v Bell Laboratories . Buňka Herriott se skládá ze dvou protilehlých sférických zrcadel. Do jednoho ze zrcadel je obroben otvor, který umožňuje vstupním a výstupním paprskům vstup a výstup z dutiny. Alternativně může paprsek vycházet otvorem v protilehlém zrcadle. Tímto způsobem může buňka Herriott podporovat více zdrojů světla poskytnutím několika vstupních a výstupních otvorů v každém ze zrcadel. Na rozdíl od bílé buňky je počet pohybů řízen nastavením vzdálenosti D mezi oběma zrcadly. Tato buňka se také běžně používá a má oproti bílé buňce určité výhody:
- Je to jednodušší než bílá buňka s pouhými dvěma zrcadly, která jsou snadněji umístitelná a méně náchylná k mechanickému rušení buňky
- Může být stabilnější než bílá buňka
Buňka Herriot však neakceptuje paprsky s vysokou numerickou aperturou. Kromě toho je třeba použít zrcadla větších velikostí, pokud jsou zapotřebí delší délky dráhy.
Kruhové víceprůchodové buňky
Jiná kategorie víceprůchodových buněk se obecně označuje jako kruhové víceprůchodové odrazové buňky. Poprvé je představil Thoma a spolupracovníci v roce 1994. Takové buňky se spoléhají na kruhové uspořádání zrcadel. Paprsek vstupuje do buňky pod úhlem a šíří se ve tvaru hvězdy (viz obrázek vpravo). Délku dráhy v kruhových víceprůchodových buňkách lze měnit nastavením úhlu dopadu paprsku. Výhoda spočívá v jejich odolnosti vůči mechanickému namáhání, jako jsou vibrace nebo změny teploty. Kromě toho kruhové víceprůchodové buňky vynikají díky malým detekčním objemům, které poskytují. Stabilního šíření paprsku je dosaženo tvarováním jednotlivých bodů odrazu do nekoncentrického zrcadlového uspořádání.
Ve speciálním případě se používá kruhové zrcadlo, umožňující plynulé nastavení úhlu dopadu. Nevýhodou této kruhové konfigurace buněk je inherentní soustředné zrcadlové uspořádání, které vede k nedokonalému zobrazení po velkém počtu odrazů.