Физическое материаловедение Оптические методы исследования Физическое материаловедение

Физическое материаловедение Оптические методы исследования

Физическое материаловедение Задачи: • Элементный • Изотопный • Молекулярный • Структурный Оптические методы исследования Спектральный анализ Методы: • Эмиссионный • Люминесцентный • Абсорбционный • Комбинационный • Рентгеновский • Радиоспектроскопический

Шкала длин волн электромагнитного излучения

Переводные множители Units cm-1 s-1 erg e. V °K Cal/mol 1 cm-1 1 2. 99793∙ 1010 1. 98618∙ 10 -16 1. 23977∙ 10 -4 1. 4388 2. 8584 1 s-1=1 Hz 3. 33563∙ 10 -11 1 6. 6252∙ 10 -27 4. 13541∙ 10 -15 4. 7994∙ 10 -11 0. 95447∙ 10 -10 1 erg 5. 0348∙ 1015 1. 50940∙ 1026 1 6. 2414∙ 1011 7. 2440∙ 1015 1. 4407∙ 1016 1 e. V 8066. 0 2. 41814∙ 1014 1. 60221∙ 10 -12 1 11605. 4 23082 1°K 0. 69502 2. 0836∙ 1010 1. 38044∙ 10 -16 0. 86167∙ 10 -4 1 1. 9888 1 cal/mol 0. 34947 1. 0477∙ 1010 6. 9412∙ 10 -17 4. 3323∙ 10 -5 0. 50282 1 М. А. Ельяшевич Атомная и молекулярная спектроскопия, ФМ, Москва, 1962

Переходы между уровнями ________ Е 3 Испускание Поглощение ________ Е 2 ________ 656 410 434 486 Е 1 Бальмеровская серия = R(1/22 – 1/n 2) R – постоянная Ридберга El - Ej = h h – постоянная Планка, - частота. 1/ = /c 1/ - волновое число, c – скорость света. h = k. T k – постоянная Больцмана h = e. V e – заряд электрона, V – разность потенциалов

Линии Фраунгофера Бальмеровская серия атома водорода Другие линии: C H 6562, 81 A O 2 F H 4861, 34 B O 2 G' H 4340, 47 D Na h H 4101, 75 E Fe

Полярные сияния и эмиссионные спектры Randy Russell, University of Michigan US Online. Available: http: //www. windows. ucar. edu.

Разряд молнии Спектр N и N+ Свет молнии кажется белым благодаря наложению линий, возбужденных и ионизированных атомов, возникших при диссоциации составляющих воздуха Спектр O и O+ http: //commons. wikimedia. org/wiki/File : Lightning_on_Wageningen. JPG http: //www. itp. unihannover. de/~zawischa/ITP/atoms. html

Фейерверк Li 2 CO 3 Sr. CO 3 Na. NO 3 Na 3 Al. F 6 Ba. Cl+ Cu. Cl http: //www. digitalpicturezone. com/digital-pictures/35 -spectacular-examples-of-fireworks-photography/

Деление спектроскопии по свойствам атомных систем Электронные переходы атомов и молекул Ультрафиолетовая область Видимая область Переходы между колебательными уровнями молекул Инфракрасная область Дальняя инфракрасная Переходы между вращательными уровнями молекул Микроволновая область

Источники света Инфракрасная область Видимая область Штифт Нернста Газовые пламена Газоразрядные лампы Синхротронное излучение Силитовый стержень (глобар) Лазеры Область ультрафиолета

Спектр натрия в пламени Na

Бунзеновская горелка 1 4 увеличивается подача воздуха Используемые газы: метан, пропан, бутан и смеси

Спектр пламени бутана

Источники света Состав смеси Температура, К Метан-воздух 2100 Водород-воздух 2400 Ацетилен-воздух 2600 Водород-кислород 3000 Метан-кислород 2900 Ацетилен-кислород 3300 Циан-кислород 4900 Пламена

Тесты в пламенах Al. Cl 3 H 3 BO 3 Li. Cl Mg. Cl 2 (Na Impurity) Ca. Cl 2 Mg. Cl 2 Co. Cl 3 Na. Cl Cu. Cl 2 Sr. Cl 2

Спектр излучения хрома в пламени Переход a 7 S 3 -z 7 P 4 a 7 S 3 -z 7 P 3 a 7 S 3 -z 7 P 2 a 7 S 3 -y 7 P 4 a 7 S 3 -y 7 P 3 a 7 S 3 -y 7 P 2 a 5 S 2 -z 5 P 1 a 5 S 2 -z 5 P 2 a 5 S 2 -z 5 P 3 λ, нм 425, 4 427, 5 429, 0 357, 9 359, 4 360, 5 520, 6 520, 8 Евозб, эв 2, 91 2, 90 2, 89 3, 46 3, 44 3, 43 3, 32

Лабораторная водородная лампа

Газоразрядные источники для ВУФ области спектра В диапазоне 113 -150 нм преобладают резонансные линии: Xe - 147 и 129, 5 нм, Kr - 123, 6 и 116, 5 нм, H - 121, 6 нм, Ar - 106, 7 и 104, 8 нм. Лампы тлеющего разряда: Ксеноновые Кс. РМ-2 1 Вт Криптоновые Кр. РМ-2 1 Вт Ксеноновые Кс. Р-3 20 Вт Криптоновые Кр. Р-3 20 Вт 1 Вт Водородные ЛГВ-1 Лампы дугового разряда: Водородные ЛГВМ-0. 5 Поток ВУФ излучения 0, 5 м. Вт 0, 5 Вт Поток ВУФ излучения 30 м. Вт Разработки ГОИ

Свечение газов в разрядах He Ne Ar Kr Xe

Свечение газов и паров O 2 Hg Na

Газоразрядные лампы, газовые лазеры Спектр неона Спектр гелия

Лазеры He-Ne лазер Трехуровневая схема рубинового лазера Перестраиваемый лазер на красителе – родамин (580 нм) Эксимерный лазер Ar. F (emission at 193 nm), Kr. Cl (222 nm), Kr. F (248 nm), Xe. Cl (308 nm), and Xe. F (351 nm). Рубиновый лазер

Лазер на свободных электронах Схема работы лазера Вигглер представляет собой магнит, создающий сильное поперечное (как правило, вертикальное) знакопеременное магнитное поле. Его можно представить себе как последовательность коротких дипольных магнитов, полярность каждого следующего из которых противоположна предыдущему. Лазер на свободных электронах (англ. Free Electron Laser, FEL) — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, которые распространяются в ондуляторе — периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.

Синхротрон DESY, Гамбург, Германия

Синхротрон DESY, накопительное кольцо Накопительное кольцо DORIS Экспериментальная станция SUPERLUMI Energy 4. 45 Ge. V Сегмент ускорителя на DESY http: //en. wikipedia. org/wiki/DESY

Расположение линий (beamlines) на синхротроне SOLEIL

Спектральный диапазон линий синхротрона SOLEIL

Накопительное кольцо

Синхротронное излучение Излучение поворотного магнита Излучение ондулятора

Источник ВУФ и мягкого рентгеновского излучения Разработка ФТИНТ НАН Украины Источник дает также спектр в ближней ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра Используется для моделирования спектра солнца и исследования влияния факторов космического излучения на материалы

Лабораторные источники широкополосного спектра Лампа накаливания и металлгалогеновая лампа Вольфрам-галогеновая лампа

Приемники излучения Инфракрасная область Болометры Фотодиоды In. As, Pb. Sn. Te Фотопластинки Оптические линейки Видимая область Фотоумножители Фотодиоды Si, Ge Фотопластинки Оптические линейки Область ультрафиолета Фотоумножители Фотодиоды Si Фотоумножители открытого типа Вторичные электронные умножители

Принцип работы Фотоэффект Eкин = hν - W Вторичная электронная эмиссия σ = i 2/i 1 = δ + η + r δ –коэффициент истинной вторичной эмиссии , η и r – коэффициенты неупругого и упругого отражения электронов

Фотоэлектрические приемники излучения Фотоумножители Спектральные области Ультрафиолет УФ Видимая ВУФ Ближняя инфракрасная ИК

Типы фотоумножителей HAMAMATSU

Примеры фотоумножителей Плоскопанельный фотоумножитель с системой металлических динодов M. Suyama, PD 07

Конструкция фотоумножителя ФЭУ 79 Рабочая область – ближний УФ – ближняя ИК Фотокатод - мультищелочной Коэффициент усиления - 106 - 108 Напряжение питания 1 – 2 к. В

Приемники открытого типа ВЭУ

Схема подключения ФЭУ в режиме счета фотонов Основные преимущества метода счета фотонов • Возможность уменьшения темновых токов за счет дискриминации импульсов по амплитуде • Высокая точность • Линейность в широком диапазоне интенсивностей • Удобный способ выдачи информации

Характеристики фотоумножителей Счетная характеристика фотоумножителя Уровень дискриминации Аd = const Распределение импульсов по амплитудам n(A) = d. N/d. A N(A) - число импульсов с амплитудой < A Напряжение питания U = const

Характеристики фотокатодов HAMAMATSU

Спектральные характеристики фотокатодов

Спектральные характеристики фотокатодов

Темновые токи фотокатодов Эффективный способ уменьшения шумов – охлаждение фотокатода

Сравнение спектральных характеристик

Динодная система

Материал динодов Mg. O, Be. O, Ga. P, Ga. As. P, Pb. O, алмаз и др.

Пределы линейности Pulse mode PMT Handbook Hamamatsu DC mode

Оптические окна и конверторы http: //www. stanfordcomputeroptics. com/ticcd-system-overview. html Люминофоры, применяемые для конверсии ВУФ излучения в видимый свет • Салицилат натрия !!! • Терфенил • Коронен • Антрацен • Люмоген

Литература: 1. А. А. Бабушкин, П. А. Бажулин, Ф. А. Королев, Л. В. Левшин, В. К. Прокофьев, А. Р. Стриганов, Методы спектрального анализа, Изд. Московского университета, 1962. 2. С. Белянченко, Г. Изотова, С. Якушов, Фотоника, 6 (2011) 24.