eng
Выпуск #5/2024
М. А. Копейченко
Сравнительный анализ источников света для спектрофотометров
Сравнительный анализ источников света для спектрофотометров
Просмотры: 939
DOI: 10.22184/2227-572X.2024.14.5.380.385
Спектрофотометрия – метод анализа, который широко применяется в химии, биологии, медицине и многих других областях науки и техники. Одним из ключевых элементов спектрофотометра является источник света. Сегодня наиболее часто используются два типа источников излучения: ксеноновые лампы и галогенные лампы в паре с дейтериевыми. В статье проведен сравнительный анализ этих типов ламп с целью выявления преимуществ и недостатков их применения в спектрофотомерии.
Спектрофотометрия – метод анализа, который широко применяется в химии, биологии, медицине и многих других областях науки и техники. Одним из ключевых элементов спектрофотометра является источник света. Сегодня наиболее часто используются два типа источников излучения: ксеноновые лампы и галогенные лампы в паре с дейтериевыми. В статье проведен сравнительный анализ этих типов ламп с целью выявления преимуществ и недостатков их применения в спектрофотомерии.
Теги: absorption deuterium lamps halogen radiation spectrophotometry xenon галогенные дейтериевые лампы излучение ксеноновые поглощение спектрофотометрия
Сравнительный анализ
источников света
для спектрофотометров
М. А. Копейченко
Спектрофотометрия – метод анализа, который широко применяется в химии, биологии, медицине и многих других областях науки и техники. Одним из ключевых элементов спектрофотометра является источник света. Сегодня наиболее часто используются два типа источников излучения: ксеноновые и галогенные лампы в паре с дейтериевыми. В статье проведен сравнительный анализ этих типов ламп с целью выявления преимуществ и недостатков их применения в спектрофотомерии.
Ключевые слова: спектрофотометрия, поглощение, излучение, ксеноновые, галогенные, дейтериевые лампы
Спектрофотометр – это прибор, предназначенный для измерения степени светопоглощения, пропускания, оптической плотности и концентрации веществ. Принцип работы спектрофотометра основан на поглощении света веществом [1]. При разработке и выборе спектрофотометра очень важен источник света с точки зрения экономической эффективности и достоверности результатов измерения. Его спектральный диапазон и стабильность являются основополагающими метрологическими характеристиками. Наравне с выбором источника света стоит другое важное конструкторское решение – выбор детектора. На данный момент применяются два вида детекторов на основе внутреннего или внешнего фотоэффекта. На внутреннем фотоэффекте работают полупроводниковые детекторы, например кремниевые фотодиоды [2], на внешнем – фотоэлектронные умножители [3]. Для исследования источников излучения в качестве детектора выбран фотоэлектронный умножитель. Кремневые фотодиоды не подходят, так как не обладают достаточной чувствительностью и сильно подвержены влиянию температуры.
Статья посвящена сопоставлению типов ламп с целью выявления преимуществ и недостатков их применения в спектрофотомерии.
Измерение спектральных характеристик ламп проводили на рабочем стенде спектрофотометра с фотоэлектронным умножителем Hamama
tsu R928 [4] (рис. 1).
При разработке спектрофотометров возникает вопрос выбора источника света. Рассмотрим наиболее часто используемые варианты источников излучения.
Галогенные лампы
Галогенные лампы представляют собой модифицированную версию вольфрамовых ламп накаливания. Внутри кварцевой колбы лампы содержится газ, обычно йод или бром, который предотвращает испарение вольфрама с нити накала. Это продлевает срок службы лампы и улучшает ее яркость. В нормативных документах обычно приводят следующие характеристики:
На практике у лампы после 1 500 ч работы заметно меняется спектр излучения, увеличивая погрешность измерений. Усиливается дрейф базовой линии, следовательно, прибору необходимо постоянно выставлять новое усиление на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), или оператор должен заменить лампу и провести ее юстировку. Однако, это не гарантирует того, что спектр испускания новой лампы будет совпадать со спектром предыдущей. По этой причине в конструкторской документации необходимо заранее закладывать погрешность, которая на практике составляет примерно 0,1%.
Галогенные лампы не имеют нормативной документации на весь излучаемый спектр, а часто ограничиваются описанием цветовой температуры, что для измерительного оборудования не подходит. Все существующие галогенные лампы в фотометрии являются бытовыми, а не измерительными .
Рассмотрим спектр излучения галогенной лампы (рис. 3), приведенный в [1], и сравним его с измеренным спектром излучения лампы Philips [9] на стенде (рис. 4).
На практике спектр излучения значительно отличается от приведенного в [1] и имеет существенные недостатки для точного измерения детектором – неравномерное излучение энергии на разных диапазонах волн.
На практике это означает, что без выборочного изменения усиления АЦП построить стабильную базовую кривую невозможно, особенно это актуально для работы в паре с дейтериевой лампой, так как ИК-излучение сильно зависит от температуры не только лампы, но и всех элементов электрической цепи. Необходимо проводить калибровку темнового тока каждый час после включения и прогрева прибора.
Преимущества галогенных ламп:
• низкая стоимость, простота замены и доступность;
• достаточно равномерное и сильное излучение в видимом диапазоне.
Недостатки:
• ограниченный спектральный диапазон. Практически не излучает в УФ-области;
• высокая температура. Выделение большого количества тепла приводит к нагреву образца и прибора, что влияет на результат измерений;
• огромная разница интенсивности излучения между видимым и ИК-диапазонами;
• необходимость частой замены лампы, что требует дополнительных затрат как времени, так и финансов.
Дейтериевые лампы
Дейтериевые лампы (рис. 5) представляют собой источники света, обладающие интенсивным ультрафиолетовым излучением. Они широко используются в спектрофотомерии для работы в УФ-диапазоне [6].
Дейтериевая лампа заполнена дейтерием, внутри находятся электроды, помещенные в герметичную кварцевую трубку. При приложении высокого напряжения к электродам, происходит газовый разряд, и молекулы дейтерия переходят в возбужденное состояние, излучая свет при возвращении в основное состояние.
Дейтериевые лампы излучают преимущественно в УФ-диапазоне от 160 до 400 нм. Основная часть интенсивного излучения приходится на интервал от 200 до 300 нм. В отличие от ламп с линейчатым спектром, у дейтериевых почти непрерывный спектр в УФ-области. Это делает их идеальными для целей, требующих равномерного освещения в этом диапазоне.
Рассмотрим спектры излучения дейтериевой лампы (рис. 6) из [1] и Hamamatsu [6] (рис. 7).
Спектры на рис. 6 и 7 практически совпадают. Для дейтериевой лампы требуется отдельный источник питания, как и другие значения усиления АЦП. Это увеличивает конечную стоимость прибора и требует особой юстировки.
Для дейтериевых ламп характерны некоторые недостатки галогенных ламп.
Преимущества дейтериевых ламп:
высокая стабильность излучения, что важно для точных измерений в спектрофотометрии;
достаточная интенсивность света в УФ-области для детектирования малых концентраций веществ.
Недостатки:
Ксеноновые лампы
Ксеноновые лампы (рис. 8) являются газоразрядными лампами: излучение происходит за счет электрического разряда в атмосфере ксенона под высоким давлением [5].
Характеристики ксеноновых ламп:
Сравним спектры излучения ксеноновой лампы (рис. 9) из [1] и измеренного на стенде (рис. 10).
Спектр излучения ксеноновой лампы на практике неравномерен по интенсивности излучения на разных длинах волн. Можно наблюдать огромные провалы с минимальным излучением в видимой области. На практике это означает, что проблем связанных с усилением АЦП значительно больше, чем у других типов ламп. Но есть одно важное различие: ксеноновая лампа практически не меняет свои характеристики даже после работы в течение более 10 тыс. ч, что позволяет использовать одну лампу на весь срок эксплуатации. Необходимость в юстировке так же отпадает, достаточно провести настройку на производстве. Юстировка может происходить в автоматическом режиме, но на практике приходится всегда перепроверять метрологические характеристики.
Главная особенность ксеноновой лампы в том, что она работает только в момент измерения. Следовательно, нагрев, влияющий на характеристики образца или прибора, отсутствует. Благодаря этому возрастает точность измерения.
К сожалению, применение ксеноновой лампы повышает стоимость прибора даже по сравнению с комплектацией, включающей две лампы – дейтериевую и галогенную. Ксеноновые лампы достаточно дороги и требуют отдельного блока регистрации сигнала, так как необходимо измерять только сигналы с определенной мощностью и длительностью. Для исключения погрешности, связанной с неправильным измерением, лампа производит несколько вспышек в течение секунды, с промежутком 0,2 с, и измеряется только среднее значение сигнала.
Преимущества ксеноновых ламп:
Недостатки:
Точность измерений
с ксеноновым и галогенным источниками излучения
Проведены измерения абсолютной погрешности оптической плотности стандартных образцов в УФ-диапазоне комплекта светофильтров RM-USPEP20 [7]. Усредненные результаты измерений абсолютной погрешности приведены на рис. 11.
Погрешность измерения в УФ-диапазоне при использовании ксеноновой лампы, значительно ниже, чем с дейтериевой. Это достигается уменьшением влияния температуры на процесс измерения, и большей интенсивностью излучения в УФ-диапазоне.
На рис. 12 приведены усредненные значения абсолютной погрешности измерения оптической плотности комплекта светофильтров КС‑105 [8].
Анализируя рис. 11 и 12, можно сделать вывод, что использование разных источников излучения сильно влияет на результаты измерения. Вероятно, большая точность при измерении ксеноном вызвана уменьшением влияния температуры на процесс измерения. Результаты испытаний на нашем стенде показали, если использовать ксеноновую лампу, можно добиться улучшения точности измерений стабильно минимум на 0,1% в видимом диапазоне, и на 0,2% – в ультрафиолетовом. В рамках фотометрии это весомый аргумент в пользу ксеноновых ламп.
Заключение
Использование ксеноновых ламп в спектрофотометрии позволяет получить более точные и надежные результаты благодаря их широкому спектральному диапазону и высокой стабильной во времени интенсивности излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Галогенные лампы более экономичны и доступны, однако ограничены в своем применении из-за недостаточной интенсивности излучения в ультрафиолетовой области и быстрой утраты своих характеристик.
Литература / References
Бёккер Ю. Спектроскопия. М.: Техносфера. 2009. 528 с.
Böcker J. Spektroskopie. Vogel Buchverlag. 1997. 528 p.
Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2011. 574 с.
Pikhtin A. N. Optical and quantum electronics. Moscow: Higher School publ., 2011. 574 p.(in Russ)
Анисимова И. И., Глуховский Б. М. Фотоэлектронные умножители. М.: Сов. радио. 1974. 64 с.
Anisimova I. I., Glukhovsky B. M. Photomultipliers. Moscow: Sov. Radio publ. 1974. 64 p.(in Russ.)
https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/etd/R928_R928P_R955_R955P_TPMS1091E.pdf (Date of access 15.02.2024).
https://www.hamamatsu.com/us/en/product/light-and-radiation-sources/lamp/xe-f/2w_module.html (Date of access 15.02.2024).
https://www.hamamatsu.com/us/en/product/light-and-radiation-sources/lamp/deuterium-lamp/L6309.html (Date of access 15.02.2024).
https://www.chromspec.cz/sites/default/files/2023–11/References-for-Compliance-User-Guide.pdf (Date of access 15.02.2024).
http://lomophotonica.ru/poverochnye-sredstva/komplekt-svetofiltrov-ks‑105/
https://proflampa.ru/upload/iblock/f11/bsr0c5u2em6j2obxl6c6xssr83b018z1/d9f50476_faff_11e9_80b7_002590d86b6f_d9f50478_faff_11e9_80b7_002590d86b6f.pdf
Авторы / Authors
Копейченко Михаил Александрович, главный метролог ООО «Промышленные экологические лаборатории» Санкт-Петербург, РФ. Области научных интересов: приборостроение.
Kopeichenko Mikhail Alexandrovich, Chief metrologist of LLC Industrial Ecological Laboratories St. Petersburg, Russian Federation. Research interests: instrument making industry.
E-mail: metrology@pe-lab.ru
ORCID 0009-0008-0762-7056
Конфликт интересов /
Conflict of Interest
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
The author declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 02.08.2024
Принята к публикации 20.09.2024
источников света
для спектрофотометров
М. А. Копейченко
Спектрофотометрия – метод анализа, который широко применяется в химии, биологии, медицине и многих других областях науки и техники. Одним из ключевых элементов спектрофотометра является источник света. Сегодня наиболее часто используются два типа источников излучения: ксеноновые и галогенные лампы в паре с дейтериевыми. В статье проведен сравнительный анализ этих типов ламп с целью выявления преимуществ и недостатков их применения в спектрофотомерии.
Ключевые слова: спектрофотометрия, поглощение, излучение, ксеноновые, галогенные, дейтериевые лампы
Спектрофотометр – это прибор, предназначенный для измерения степени светопоглощения, пропускания, оптической плотности и концентрации веществ. Принцип работы спектрофотометра основан на поглощении света веществом [1]. При разработке и выборе спектрофотометра очень важен источник света с точки зрения экономической эффективности и достоверности результатов измерения. Его спектральный диапазон и стабильность являются основополагающими метрологическими характеристиками. Наравне с выбором источника света стоит другое важное конструкторское решение – выбор детектора. На данный момент применяются два вида детекторов на основе внутреннего или внешнего фотоэффекта. На внутреннем фотоэффекте работают полупроводниковые детекторы, например кремниевые фотодиоды [2], на внешнем – фотоэлектронные умножители [3]. Для исследования источников излучения в качестве детектора выбран фотоэлектронный умножитель. Кремневые фотодиоды не подходят, так как не обладают достаточной чувствительностью и сильно подвержены влиянию температуры.
Статья посвящена сопоставлению типов ламп с целью выявления преимуществ и недостатков их применения в спектрофотомерии.
Измерение спектральных характеристик ламп проводили на рабочем стенде спектрофотометра с фотоэлектронным умножителем Hamama
tsu R928 [4] (рис. 1).
При разработке спектрофотометров возникает вопрос выбора источника света. Рассмотрим наиболее часто используемые варианты источников излучения.
Галогенные лампы
Галогенные лампы представляют собой модифицированную версию вольфрамовых ламп накаливания. Внутри кварцевой колбы лампы содержится газ, обычно йод или бром, который предотвращает испарение вольфрама с нити накала. Это продлевает срок службы лампы и улучшает ее яркость. В нормативных документах обычно приводят следующие характеристики:
- спектральный диапазон: от 300 до 2 000 нм;
- срок службы: 1 000–4 000 ч;
- высокая интенсивность света в видимом диапазоне.
На практике у лампы после 1 500 ч работы заметно меняется спектр излучения, увеличивая погрешность измерений. Усиливается дрейф базовой линии, следовательно, прибору необходимо постоянно выставлять новое усиление на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), или оператор должен заменить лампу и провести ее юстировку. Однако, это не гарантирует того, что спектр испускания новой лампы будет совпадать со спектром предыдущей. По этой причине в конструкторской документации необходимо заранее закладывать погрешность, которая на практике составляет примерно 0,1%.
Галогенные лампы не имеют нормативной документации на весь излучаемый спектр, а часто ограничиваются описанием цветовой температуры, что для измерительного оборудования не подходит. Все существующие галогенные лампы в фотометрии являются бытовыми, а не измерительными .
Рассмотрим спектр излучения галогенной лампы (рис. 3), приведенный в [1], и сравним его с измеренным спектром излучения лампы Philips [9] на стенде (рис. 4).
На практике спектр излучения значительно отличается от приведенного в [1] и имеет существенные недостатки для точного измерения детектором – неравномерное излучение энергии на разных диапазонах волн.
На практике это означает, что без выборочного изменения усиления АЦП построить стабильную базовую кривую невозможно, особенно это актуально для работы в паре с дейтериевой лампой, так как ИК-излучение сильно зависит от температуры не только лампы, но и всех элементов электрической цепи. Необходимо проводить калибровку темнового тока каждый час после включения и прогрева прибора.
Преимущества галогенных ламп:
• низкая стоимость, простота замены и доступность;
• достаточно равномерное и сильное излучение в видимом диапазоне.
Недостатки:
• ограниченный спектральный диапазон. Практически не излучает в УФ-области;
• высокая температура. Выделение большого количества тепла приводит к нагреву образца и прибора, что влияет на результат измерений;
• огромная разница интенсивности излучения между видимым и ИК-диапазонами;
• необходимость частой замены лампы, что требует дополнительных затрат как времени, так и финансов.
Дейтериевые лампы
Дейтериевые лампы (рис. 5) представляют собой источники света, обладающие интенсивным ультрафиолетовым излучением. Они широко используются в спектрофотомерии для работы в УФ-диапазоне [6].
Дейтериевая лампа заполнена дейтерием, внутри находятся электроды, помещенные в герметичную кварцевую трубку. При приложении высокого напряжения к электродам, происходит газовый разряд, и молекулы дейтерия переходят в возбужденное состояние, излучая свет при возвращении в основное состояние.
Дейтериевые лампы излучают преимущественно в УФ-диапазоне от 160 до 400 нм. Основная часть интенсивного излучения приходится на интервал от 200 до 300 нм. В отличие от ламп с линейчатым спектром, у дейтериевых почти непрерывный спектр в УФ-области. Это делает их идеальными для целей, требующих равномерного освещения в этом диапазоне.
Рассмотрим спектры излучения дейтериевой лампы (рис. 6) из [1] и Hamamatsu [6] (рис. 7).
Спектры на рис. 6 и 7 практически совпадают. Для дейтериевой лампы требуется отдельный источник питания, как и другие значения усиления АЦП. Это увеличивает конечную стоимость прибора и требует особой юстировки.
Для дейтериевых ламп характерны некоторые недостатки галогенных ламп.
Преимущества дейтериевых ламп:
высокая стабильность излучения, что важно для точных измерений в спектрофотометрии;
достаточная интенсивность света в УФ-области для детектирования малых концентраций веществ.
Недостатки:
- срок службы дейтериевых ламп ограничен, обычно около 2 000 ч;
- для поддержания стабильной работы требуется эффективная система охлаждения, как и отдельный источник питания, что значительно увеличивает стоимость прибора;
- замена дейтериевой лампы немного сложнее, чем галогенной.
Ксеноновые лампы
Ксеноновые лампы (рис. 8) являются газоразрядными лампами: излучение происходит за счет электрического разряда в атмосфере ксенона под высоким давлением [5].
Характеристики ксеноновых ламп:
- спектральный диапазон: от 190 до 1 100 нм;
- срок службы: 5 000 ч реальной работы;
- интенсивность света стабильная и неравномерная по всему спектру.
Сравним спектры излучения ксеноновой лампы (рис. 9) из [1] и измеренного на стенде (рис. 10).
Спектр излучения ксеноновой лампы на практике неравномерен по интенсивности излучения на разных длинах волн. Можно наблюдать огромные провалы с минимальным излучением в видимой области. На практике это означает, что проблем связанных с усилением АЦП значительно больше, чем у других типов ламп. Но есть одно важное различие: ксеноновая лампа практически не меняет свои характеристики даже после работы в течение более 10 тыс. ч, что позволяет использовать одну лампу на весь срок эксплуатации. Необходимость в юстировке так же отпадает, достаточно провести настройку на производстве. Юстировка может происходить в автоматическом режиме, но на практике приходится всегда перепроверять метрологические характеристики.
Главная особенность ксеноновой лампы в том, что она работает только в момент измерения. Следовательно, нагрев, влияющий на характеристики образца или прибора, отсутствует. Благодаря этому возрастает точность измерения.
К сожалению, применение ксеноновой лампы повышает стоимость прибора даже по сравнению с комплектацией, включающей две лампы – дейтериевую и галогенную. Ксеноновые лампы достаточно дороги и требуют отдельного блока регистрации сигнала, так как необходимо измерять только сигналы с определенной мощностью и длительностью. Для исключения погрешности, связанной с неправильным измерением, лампа производит несколько вспышек в течение секунды, с промежутком 0,2 с, и измеряется только среднее значение сигнала.
Преимущества ксеноновых ламп:
- широкий спектральный диапазон излучения. Можно проводить измерения даже в ИК-диапазоне;
- стабильная во времени интенсивность излучения. Характеристика излучения не меняется в течение эксплуатации;
- низкая температура нагрева минимизирует влияние на образец;
- источник света работает только во время измерения, что увеличивает срок службы.
Недостатки:
- высокая стоимость;
- сложность эксплуатации: требуют более сложного обслуживания и замены в сервисном центре.
Точность измерений
с ксеноновым и галогенным источниками излучения
Проведены измерения абсолютной погрешности оптической плотности стандартных образцов в УФ-диапазоне комплекта светофильтров RM-USPEP20 [7]. Усредненные результаты измерений абсолютной погрешности приведены на рис. 11.
Погрешность измерения в УФ-диапазоне при использовании ксеноновой лампы, значительно ниже, чем с дейтериевой. Это достигается уменьшением влияния температуры на процесс измерения, и большей интенсивностью излучения в УФ-диапазоне.
На рис. 12 приведены усредненные значения абсолютной погрешности измерения оптической плотности комплекта светофильтров КС‑105 [8].
Анализируя рис. 11 и 12, можно сделать вывод, что использование разных источников излучения сильно влияет на результаты измерения. Вероятно, большая точность при измерении ксеноном вызвана уменьшением влияния температуры на процесс измерения. Результаты испытаний на нашем стенде показали, если использовать ксеноновую лампу, можно добиться улучшения точности измерений стабильно минимум на 0,1% в видимом диапазоне, и на 0,2% – в ультрафиолетовом. В рамках фотометрии это весомый аргумент в пользу ксеноновых ламп.
Заключение
Использование ксеноновых ламп в спектрофотометрии позволяет получить более точные и надежные результаты благодаря их широкому спектральному диапазону и высокой стабильной во времени интенсивности излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Галогенные лампы более экономичны и доступны, однако ограничены в своем применении из-за недостаточной интенсивности излучения в ультрафиолетовой области и быстрой утраты своих характеристик.
Литература / References
Бёккер Ю. Спектроскопия. М.: Техносфера. 2009. 528 с.
Böcker J. Spektroskopie. Vogel Buchverlag. 1997. 528 p.
Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2011. 574 с.
Pikhtin A. N. Optical and quantum electronics. Moscow: Higher School publ., 2011. 574 p.(in Russ)
Анисимова И. И., Глуховский Б. М. Фотоэлектронные умножители. М.: Сов. радио. 1974. 64 с.
Anisimova I. I., Glukhovsky B. M. Photomultipliers. Moscow: Sov. Radio publ. 1974. 64 p.(in Russ.)
https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/etd/R928_R928P_R955_R955P_TPMS1091E.pdf (Date of access 15.02.2024).
https://www.hamamatsu.com/us/en/product/light-and-radiation-sources/lamp/xe-f/2w_module.html (Date of access 15.02.2024).
https://www.hamamatsu.com/us/en/product/light-and-radiation-sources/lamp/deuterium-lamp/L6309.html (Date of access 15.02.2024).
https://www.chromspec.cz/sites/default/files/2023–11/References-for-Compliance-User-Guide.pdf (Date of access 15.02.2024).
http://lomophotonica.ru/poverochnye-sredstva/komplekt-svetofiltrov-ks‑105/
https://proflampa.ru/upload/iblock/f11/bsr0c5u2em6j2obxl6c6xssr83b018z1/d9f50476_faff_11e9_80b7_002590d86b6f_d9f50478_faff_11e9_80b7_002590d86b6f.pdf
Авторы / Authors
Копейченко Михаил Александрович, главный метролог ООО «Промышленные экологические лаборатории» Санкт-Петербург, РФ. Области научных интересов: приборостроение.
Kopeichenko Mikhail Alexandrovich, Chief metrologist of LLC Industrial Ecological Laboratories St. Petersburg, Russian Federation. Research interests: instrument making industry.
E-mail: metrology@pe-lab.ru
ORCID 0009-0008-0762-7056
Конфликт интересов /
Conflict of Interest
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
The author declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 02.08.2024
Принята к публикации 20.09.2024
Отзывы читателей
