ИСТИНА

Одним из удобных и широко используемых в наши дни методов исследования физических свойств воды является ИК-Фурье спектроскопия. Однако не всегда можно до приобретения соответствующего спектрометра определиться с диапазоном температур для исследования свойств образца, а также своевременно приобрести необходимые модули расширения функций прибора. Нами предлагается решение по расширению стандартного диапазона исследуемых температур ИК-Фурье спектрометра «MIDAC M4000» американской компании «MIDAC Corporation» (от комнатной до 100ºС) до -11ºС. В данном приборе применяется источник инфракрасного излучения 1650 К SiC с воздушным охлаждением. Спектрометр позволяет исследовать диапазон от 400 до 7000 см-1 с точностью менее 0,01 см-1 (для оптики ZnSe) и изменять разрешение в диапазоне от 32 до 0,5 см-1. Для реализации поставленной задачи была создана система внешнего охлаждения ячейки спектрометра на базе термостата жидкостного низкотемпературного «KRIO-VT-01» (далее термостат) и бруска из сыпучей латуни (марки «ЛС 59») с внутренней центральной сквозной выемкой для контроля температуры образца. Для обеспечения циркуляции хладагента в бруске была высверлена система отверстий по периметру параллелепипеда. Отверстия на поверхности были запаяны латунными заглушками, также обеспечивающими точную хорошую фиксацию охлаждающего бруска на ячейку. Размеры и симметрия бруска были подобраны в соответствии с геометрическими параметрами ячейки. Для соединения входов и выходов охлаждающего бруска со шлангами термостата жидкостного низкотемпературного "KRIO-VT-01" (далее термостат) были выточены и припаяны латунные оливки под ПВХ шланг с внутренним диаметром 10 мм. Масса охлаждающего бруска в конечном виде составила 500 50 г, что обеспечивает хорошие прижимную силу и теплопередачу c ячейкой для получения спектров конденсированных образцов. Главный элемент ячейки – кристалл селенида цинка ZnSe, образующий верхней своей частью дно объема, вырезанного в форме. В этот объем помещают исследуемое вещество. Кристалл является достаточно прочным и прозрачным для ИК-излучения веществом. Однако, для предотвращения его растрескивания, температура образца не должна отличаться от температуры кристалла более чем на 30ºС. Поэтому термостатирующий брусок кладется на поверхность ячейки и не контактирует с кристаллом. Металл ячейки обеспечивает постепенное выравнивание их температур. Хладагент в термостате составлял стандартную смесь дистиллированной воды и глицерина в объемном соотношении 1:1. Такое соотношение компонент смеси позволяет получить хорошее перемешивание жидкости в термостатируемой ванне. Хладагент замерзает при температурах ниже -25ºС, является безвредным и свободно циркулирует по шлангам. Теплопотери в шлангах и охлаждающем бруске от их контакта с окружающей воздушной средой ограничивали минимально достижимую на поверхности ячейки температуру -10ºС. Данная температура регистрировалась контактным термометром (зонд «Testo AG102» высокоточного эталонного измерительного прибора «Testo 950») с использованием в месте контакта термометра и ячейки теплопроводной пасты «АлСил-3». Он способен измерять температуру от -50 до 400ºС с точностью до 0,1ºС. Разница температуры поверхности ячейки и температуры, устанавливаемой на табло криостата, в среднем составляла 3,2ºС. Контроль температуры образца в ячейке осуществлялся с помощью бесконтактного ИК-термометра «Кельвин-ИКС с индикатором». Он способен измерять температуру в диапазоне от -40 до 350ºС с погрешностью 0,5ºС. Принцип измерения ИК-термометра термопарный. Поле зрения термометра составляет 5 градусов. Коэффициент излучательной способности для дистиллированной воды принимался равным 0,93. Термостат позволяет изменять температуру в диапазоне от -30 до 100ºС с точностью до 0,03%. При температуре поверхности ячейки -10ºС дистиллированная вода в ячейке охлаждалась до -11ºС. Таким образом, в среднем, температура поверхности ячейки и образца различалась на 1ºС. Для получения спектров используется метод ослабленного полного отражения («Attenuated total reflectance» или «ATR-спектроскопия»). Его достоинством является многократное отражение излучения от образца (10 раз), с проникновением в него на глубину порядка 10 -10 см, повышающее точность получения его спектра. В данной установке, «ATR-оборудование» выполнено в горизонтальном исполнении в виде стандартного «HATR»-устройства – это кронштейн для крепления ячейки с различными конденсированными образцами производства компании «PIKE Technologies». В процессе измерения ИК-спектров при отрицательных температурах вода, образуемая за счёт конденсата, намерзает на бруске, тем самым уменьшая влажность в отсеке для установки исследуемого образца и препятствуя образованию конденсата на зеркалах «HATR»-устройства. К достоинствам предложенной системы охлаждения образца относятся следующие факторы: 1) высокая точность при контроле непосредственно температуры образца в ячейке спектрометра (до 0,5ºС); 2) безопасность для здоровья и большая длительность использования материалов охлаждения (дистиллированная вода и глицерин); 3) высокая длительность термостатирования (время непрерывной работы термостата не ограничено производителем). В настоящее время, наше техническое решение по расширению диапазона исследуемых температур до отрицательных значений (-11ºС) является единственным для спектрометра данной модели. Готового решения данной задачи производители спектрометра «MIDAC M4000» не предоставляют. Компания «PIKE Technologies» предлагает к данному спектрометру модуль, позволяющий охлаждать образец до 5ºС. Однако, он даёт возможность снимать спектры только методикой на просвет. Стандартное охлаждающее оборудование на принципе Пельтье в случае нашей ячейки не применимо, так как отсек для образцов в спектрометре по своим размерам мал, для того чтобы разместить в нём систему термоэлектрического охлаждения. Усовершенствованный ИК-Фурье спектрометр позволил получить хорошо согласующиеся с литературными данными спектры переохлаждённой воды и льда.