УДК 534.8; 621.3.082.4
РАЗРАБОТКА НОВОЙ ФОТОАКУСТИЧЕСКОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД
Ильясов Бауржан Момышевич, Абдыгапаров Алмас Канатович Студенты ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, Астана
Научный руководитель, - к.ф.м.н., доцент- Д.М. Шарифов
В последние годы, метод фотоакустической спектроскопии, как метод неразрушающего контроля и диагностики, находит все более широкое применение при исследовании и анализа различных родах конденсированных веществ (включая различные пористые веществ, растворах, волокнах, биомедицинских и других объектах).
Фотоакустическая камера является одним из основных узлов ФА- спектрометра. В настоящее время имеется различные типы и конструкции ФА камеры, которые отличаются по своим характеристикам, в зависимости от конкретной цели ФА исследований.
Характерная ФА камера, для исследования твердотельных конденсированных веществ, имеет герметическую полость с выходным окном для излучения, держатель образца, канал, соединяющей газовую камеры с микрофоном, и место для самого микрофона (рис.1).
302
Рис.1. Поперечный разрез фотоакустической камеры. 1.Корпус, 2.Зажим держателя образца, 3.Иследуемый образец, 4.Входное кварцевое окно, 5.Газовая камера, 6.Канал соединяющий газовую камеру с микрофоном, 7.Место для микрофона.
При конструировании ФА камеры необходимо учитывать ряд принципиальных требований, которые в настоящее время положили основу для расчета и их разработки.
Основным параметром, которой определяет геометрические размеры камеры, является длина столба газа в камере lg (расстояние от поверхности образца до входного окна).
Экспериментально показано, что с уменьшением lg до величине длиной тепловой диффузии в газе μg (μg =(2χg/ω)1/2, где χg –температурапроводность газа) величина ФА-сигнала растет и затем падает. Следовательно, оптимальным расстоянием между поверхностью образца и входным окном должно быт расстоянием немного большее, чем длина тепловой диффузии газа lg μg. Толщина слоя, равная длине тепловой диффузии газа μg, действует как акустический поршень. При условии lg μg происходит затухание тепловой волны на входном окне и величина ФА-сигнала уменьшается. Обычно величина μg определяется для минимального значения рабочей частоты модуляции. Для воздуха на частоте 10 Гц величина μg равна 0,56 мм. При этим минимальное расстояние lg должно быть 0,65 - 1,0 мм. Для выбора длины столба газа необходимо также учитывать поперечное сечение канала, соединяющего микрофона с рабочей камерой. С уменьшением lg соответственно уменьшается поперечное сечение этого канала, что приводит к ухудшению чувствительности микрофона. Поэтому для выбора столба газа следует определить соотношение между длиной тепловой диффузии μg и площадью канала микрофона [1]. Пустая ФА камера является источником образования фонового ФА сигнала, основная причина которого является поглощения света материалом, из которого изготовлена камера, а также входным окном и микрофоном. При работе с порошками и растворов в качестве образцов источниками фонового сигнала могут быть, также и осадки, которые оседают на внутреннею поверхности ячейки. Поэтому, чтобы исключить возникновение фонового сигнала за счет поглощения света или для уменьшить еѐ, необходимо выбрать такие материалы, которые обладали бы либо высокой отражающей способностью, либо высокой прозрачностью, а также необходимо шлифовать, полировать ее поверхности и соблюдать их чистоты. Для достижения этой цели, в рамках настоящей работы (разработки), в качестве материала камеры была выбрана оргстекла.
Оргстекло, это техническое название оптически прозрачных твѐрдых материалов на основе органических полимеров (полиакрилатов, полистирола, поликарбонатов, сополимеров винилхлорида с метилметакрилатом и др.), лѐгкий пластик (плотность 1,19 г/см3). Прозрачное оргстекло пропускает до 93 % видимого света, т.е. значительно больше,
303
чем прочие прозрачные материалы уступая лишь кварцевому стеклу, пропускающему почти все 100 % видимого света (данные могут варьироваться в зависимости от производителя, а также толщины материала). Оргстекло, также устойчиво к влаге.
Коэффициент поглощения влаги, равный 3, означает, что это практически влагонепроницаемый материал. Литьевое оргстекло имеет высокую прочность при сжатии (120-160 МПа), растяжении (60-80 МПа) и изгибе (80-140 МПа). Ударопрочность оргстекла (в зависимости от технологии производства и конкретного производителя) находится в пределах 10-12кДж/м2, что, например в 5-8 раз превышает ударопрочность силикатного стекла. При этом оргстекло обладает хорошей светостойкостью, т.е. оно не выцветает, не желтеет и не теряет своих прочностных характеристик под воздействием УФ лучей при длительном (10 лет) пребывании под воздействием окружающей среды.
Такой же высокой светостойкостью среди пластиков обладает только поликарбонат, в том случае, если он имеет специальный слой, защищающий от УФ лучей или в его состав введены УФ стабилизирующие добавки. Оргстекло инертно к разбавленным кислотам и щелочам, материал стоек к УФ излучению и атмосферным воздействиям, а также устойчиво к действию различных газов, присутствующих в воздухе, устойчиво к воздействию сырости, бактерий и микроорганизмов. Оргстекло обладает высокой химической стойкостью к воздействию неорганических веществ, солей и их растворов.
При конструирование ФА камеры среди прочих физических свойств материалов на основе которых разрабатываются камеры, особое место занимают теплофизические свойства. Если, по своим оптическим свойствам оргстекла является превосходным материалом для создания ФА камеры, то по своим теплофизическим свойствам является далеко не идеальным. Температура размягчения оргстекла (в зависимости от производителя и марки) находится в пределах 90-105°С, поэтому максимальная температура его применения - 80-100°С. Поэтому, разработанная ФА камера успешно может быть применена, при ФА исследовании полимерных материалов, (а также и других материалов) обладающим низким (чем 80-100°С) значением температуры плавления.
Литература 1.Мадвалиев У. Разработка новых методов фотоакустической спектроскопии
конденсированных сред. Дисс. на соиск., уч. степени д.ф.м.н. МГУ, Москва, 2007, 301 стр.
