Wieloprzebiegowe spektroskopowe komórki absorpcyjne
Komórki absorpcyjne z wieloma przejściami lub długimi ścieżkami są powszechnie stosowane w spektroskopii do pomiaru składników o niskim stężeniu lub do obserwacji słabych widm w gazach lub cieczach. Począwszy od lat trzydziestych XX wieku w tej dziedzinie dokonano kilku ważnych postępów, a badania nad szerokim zakresem zastosowań trwają do dnia dzisiejszego.
Przegląd funkcjonalny
Ogólnie celem tego typu kuwety do próbek jest poprawa czułości wykrywania poprzez zwiększenie całkowitej długości ścieżki optycznej, która przechodzi przez małą, stałą objętość próbki. W zasadzie dłuższa droga prowadzi do większej czułości detekcji. Aby przekierować wiązkę w każdym punkcie odbicia, należy użyć luster skupiających, w wyniku czego wiązka jest ograniczona do z góry określonej przestrzeni wzdłuż kontrolowanej ścieżki, aż do opuszczenia wnęki optycznej . Wyjściem ogniwa jest wejście detektora optycznego (specjalnego typu przetwornika ), który wykrywa określone zmiany właściwości wiązki zachodzące podczas interakcji z próbka testowa . Na przykład próbka może pochłaniać energię z wiązki, powodując tłumienie sygnału wyjściowego, które jest wykrywane przez przetwornik. Dwie konwencjonalne komórki wieloprzebiegowe nazywane są komórką White i komórką Herriotta.
Komórka Pfund
Pod koniec lat trzydziestych August Pfund użył komory potrójnego przejścia, takiej jak ta pokazana powyżej, do badań atmosfery. Komórka, która stała się znana jako komórka Pfunda, jest zbudowana przy użyciu dwóch identycznych sferycznych zwierciadeł, z których każdy ma starannie wycięty otwór w środku. Odległość między zwierciadłami jest równa ogniskowej zwierciadła. Źródło wchodzi przez otwór w każdym zwierciadle, jest dwukrotnie przekierowywane w dwóch punktach odbicia, a następnie opuszcza komórkę przez drugie zwierciadło w trzecim przejściu. Komórka Pfunda była jednym z najwcześniejszych przykładów tego typu techniki spektroskopowej i jest znana z zastosowania wielu przejść.
Biała komórka
.gif)
Biała komórka została po raz pierwszy opisana w 1942 roku przez Johna U. White'a w jego artykule Long Optical Paths of Large Aperture i była znaczącym ulepszeniem w stosunku do poprzednich technik pomiaru spektroskopii długich ścieżek. Biała komórka jest zbudowana z trzech sferycznych, wklęsłych zwierciadeł o tym samym promieniu krzywizny. Zwierciadła oddalone są od siebie o odległość równą promieniom ich krzywizny. Animacja po prawej stronie przedstawia białą komórkę, w której wiązka wykonuje osiem odblaskowych przejść lub przejść. Liczbę przejść można dość łatwo zmienić, dokonując niewielkich korekt obrotowych w M2 lub M3; jednak całkowita liczba przejść musi zawsze występować jako wielokrotność czterech. Wiązki wchodzące i wychodzące nie zmieniają pozycji, gdy przejścia są dodawane lub usuwane, podczas gdy całkowitą liczbę przejść można wielokrotnie zwiększyć bez zmiany objętości komórki, a zatem całkowita długość ścieżki optycznej może być duża w porównaniu z objętością badanej próbki. Plamy z różnych przebiegów mogą nakładać się na zwierciadła M2 i M3, ale muszą być różne na zwierciadle M1. Jeśli wiązka wejściowa jest skupiona w płaszczyźnie M1, to każda podróż w obie strony będzie również skupiona w tej płaszczyźnie. Im ciaśniejsza ostrość, tym więcej nienakładających się plamek może znajdować się na M1, a tym samym większa maksymalna długość ścieżki.
Obecnie biała komórka jest nadal najczęściej używaną komórką wieloprzebiegową i zapewnia wiele korzyści. Na przykład,
- Liczba przejść jest łatwa do kontrolowania
- Pozwala to na uzyskanie dużej apertury numerycznej
- Jest dość stabilny (ale nie tak stabilny jak komórka Herriott)
Białe krwinki są dostępne z drogami o długości od mniej niż jednego metra do wielu setek metrów.
komórka Herriotta
Komórka Herriotta pojawiła się po raz pierwszy w 1965 roku, kiedy Donald R. Herriott i Harry J. Schulte opublikowali w Bell Laboratories Optical Delay Lines . Komórka Herriotta składa się z dwóch przeciwległych zwierciadeł sferycznych. Otwór jest obrabiany w jednym z luster, aby umożliwić wiązkom wejściowym i wyjściowym wejście i wyjście z wnęki. Alternatywnie, wiązka może wyjść przez otwór w przeciwległym zwierciadle. W ten sposób ogniwo Herriotta może obsługiwać wiele źródeł światła, zapewniając wiele otworów wejściowych i wyjściowych w każdym z luster. W przeciwieństwie do białej komórki, liczba przejść jest kontrolowana przez dostosowanie odległości D między dwoma lustrami. Ta komórka jest również powszechnie używana i ma pewne zalety w porównaniu z białą komórką:
- Jest prostszy niż cela White, ma tylko dwa lustra, które są łatwiejsze do ustawienia i mniej podatne na mechaniczne zakłócenia celi
- Może być bardziej stabilny niż biała komórka
Jednak komórka Herriota nie akceptuje wiązek o dużej aperturze numerycznej. Ponadto, gdy potrzebne są dłuższe ścieżki, należy użyć luster o większych rozmiarach.
Okrągłe komórki wieloprzebiegowe
Inna kategoria wieloprzebiegowych komórek jest ogólnie określana jako kołowe wieloprzebiegowe komórki odbiciowe. Po raz pierwszy zostały wprowadzone przez Thomę i współpracowników w 1994 roku. Takie komórki opierają się na okrągłym układzie luster. Wiązka wchodzi do komórki pod kątem i rozchodzi się po gwiaździstym wzorze (patrz rysunek po prawej). Długość ścieżki w okrągłych komórkach wieloprzebiegowych można zmieniać, dostosowując kąt padania wiązki. Zaletą jest ich odporność na naprężenia mechaniczne, takie jak wibracje lub zmiany temperatury. Co więcej, okrągłe komórki wieloprzebiegowe wyróżniają się niewielkimi obszarami wykrywania, które zapewniają. Stabilną propagację wiązki uzyskuje się poprzez kształtowanie poszczególnych punktów odbicia w celu utworzenia niekoncentrycznego układu luster.
W szczególnym przypadku stosuje się zwierciadło okrągłe, umożliwiające płynną regulację kąta padania. Wadą tej konfiguracji okrągłych komórek jest nieodłączny koncentryczny układ zwierciadeł, który prowadzi do niedoskonałego obrazowania po dużej liczbie odbić.