Opublikowano dnia 25 maja 1963 r. £ £ yj:z\ ^f^ 4l ^ POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Nr 46958 KI. 42 h, 36 KL internat. G 02 d Centralne Laboratorium Aparatów Pomiarowych i Optyki*) Warszawa, Polska Refraktometr interferencyjny Patent trwa od dnia 16 maja 1962 r.Refraktometr bedacy przedmiotem niniejsze¬ go wynalazku jest przeznaczony do pomiaru wspólczynnika zalamania swiatla substancji cieklych i cial stalych w warunkach laborato¬ ryjnych i przemyslowych a takze do regulacji róznych procesów chemicznych i przetwórczych na podstawie zmian tego wspólczynnika.Znane dotychczas refraktometry interferencyj¬ ne dzialajace na zasadzie przepuszczania dwóch równoleglych wiazek swiatla przez srodowisko badane i srodowisko wzorcowa oraz pomiarze wielkosci przesuniecia fazowego (prazków in¬ terferencyjnych) po przejsciu wiazek przez oby¬ dwa osrodki maja te zasadnicza wade ze umo¬ zliwiaja pomiar wspólczynników zalamania swiatla tylko niewiele rózniacych sie od wspól¬ czynnika srodowiska wzorcowego, poniewaz nie¬ wielkie nawet róznice tych wspólczynników po- *) Wlasciciel patentu oswiadczyl, ze twórca wynalazku jest Maksymilian Pluta, woduja bardzo znaczne przesuniecia fazowe.Wskutek tego wymagaja one stosowania wielu osrodków wzorcowych co pociaga za soba nie¬ dogodnosci natury technicznej oraz koniecznosc dokonania bardzo dokladnych pomiarów tych wlasnie wspólczynników osrodków wzorcowych.Znane sa równiez refraktometry interferencyj¬ ne, dzialajace na zasadzie przepuszczania fali równoleglej równoczesnie przez dwa osrodki od¬ dzielone od siebie granica równolegla do kierun¬ ku promienia fali przepuszczanej, przy czym je¬ den z tych osrodków jest osrodkiem wzorco¬ wym. Przesuniecie fazowe ma wówczas charak¬ ter uskoku pionowego, którego wartosc jest funkcja wspólczynnika zalamania obydwu osrod¬ ków. Jednak refraktometry tego rodzaju maja te same wady co wyzej opisane.Powyzsze wady i niedogodnosci usuwa re¬ fraktometr interferencyjny wedlug wynalazku w którym granica zetkniecia sie plyty wykona¬ nej z osrodka wzorcowego z osrodkiem badanymjest nachylona pod okreslonym' katem do po¬ wierzchni przepuszczanej przez refraktometr fa¬ li plaskiej, dzieki czemu przesuniecie fazowe ma charakter skosnego uskoku, przy czym kat na¬ chylenia tego uskoku do powierzchni fali plas¬ kiej jest funkcja wspólczynników zalamania swiatla jednego osrodka wzgledem drugiego.Fala przepuszczona przez refraktometr zostaje nastepnie rozdwojona za pomoca znanego urza¬ dzenia optycznego, na przyklad pryzmatu Wola- stona, umozliwiajac dokonanie pomiaru róznicy drogi optycznej na uskoku fazowym przez wy¬ gaszanie lub zrównywanie jasnosci pól obrazu interferencyjnego uskoku plyty refraktometru i obszaru sasiadujacego z nia. Dzieki temu uzy¬ skuje sie odpowiednie zmniejszenie wielkosci mierzonej w stosunku do wielkosci przesunie¬ cia fazowego i znaczne rozszerzenie zakresu po¬ miarowego refraktometru w stosunku do zna¬ nych dotychczas urzadzen tego typu, a ponadto umozliwia bezposrednie zastosowanie fotoelek- trycznego ukladu odczytowego, rejestrujacego i sterujacego.Wynalazek jest wjasniony na rysunku, na któ¬ rym fig. 1 przedstawia schemat optyczny re¬ fraktometru, fig. 2 — powierzchnie fali plas¬ kiej, przepuszczanej, fig. 3 — powierzchnie fali po przepuszczeniu przez plytke refraktometru z ukosnym uskokiem, fig. 4 — powierzchnie tej fali po rozdwojeniu, fig. 5 — powierzchnie fal, które wygaszono w obszarze uskoku, a fig. 6 — powierzchnie fal, w których wyrównano jasnosc w obszarze uskoku i poza nim, fig. 7 — sche¬ mat optyczny refraktometru do pomiarów mi¬ kroskopowych, fig. 8 — obraz pola widzenia przy pomiarze metoda wygaszenia obrazu na granicach uskoku, fig. 9 — obraz zrenicy wyj¬ sciowej obiektywu refraktometru w trakcie te¬ go pomiaru, fig. 10 — obraz pola widzenia re¬ fraktometru przy pomiarze metoda zrównywa¬ nia jasnosci uskoku i obszarów sasiadujacych z nim, fig. 11 — schemat refraktometru labora¬ toryjnego (sluzacego do pomiarów makroskopo¬ wych), fig. 12 — schemat refraktometru labora¬ toryjnego z fotoelektrycznym urzadzeniem od¬ czytowym i pomiarowym, a fig. 13 — schemat refraktometru przemyslowego, umozliwiajacego ciagla rejestracje zmian wspólczynnika zalama¬ nia oraz sterowanie procesem wytwarzania, któ¬ ry powoduje te zmiany.Zasada dzialania refraktometru (fig. 1 do 6) polega na wykorzystaniu do pomiaru wspólczyn¬ nika zalamania swiatla — spadku przesuniecia fazowego (róznicy drogi optycznej) fali swietl¬ nej przechodzacej przez warstwe zachodzacych na siebie wzdluz ukosnego uskoku dwóch sro¬ dowisk: badanego i odniesienia.Plaska fala swietlna 2"p (fig. 2) pada na szkla¬ na plytke refraktometryczna R (fig. 1) o wspól¬ czynniku zalamania N zaopatrzona w ukosny usfcok, pod katem a do podstawy plytki, z któ¬ rym graniczy badana ciecz o wspólczynniku za- founania n. Po przejsciu przez plytke R fala 2p pczyjmuje ksztalt fali (fig. 3), a nastepnie zo¬ staje rozdwojona za pomoca elementów dwój- lomnych na przyklad pryzmatu Wollestona lub innych urzadzen na dwie fale 20 i 2*e (fig. 4).Spadek (gradient) przesuniecia fazowego 2: r fali fi powstajacy na uskoku plytki refraktome¬ trycznej i wyrazajacy sie tangensem kata /?, jest nastepujaca funkcja róznicy wspólczynników zalamania materialu plytki i sasiadujacej z nia cieczy oraz kata uskoku: tg/?=(N —n)tga. (1) Poniewaz zas tg£=—, (2) r. gdzie A jest róznica drogi optycznej miedzy fa¬ la 2*0 i 2e w obrebie uskoku (obszar II na fig. 1), r — rozdwojeniem poprzecznym fal 20 i 2e.Laczac równania (1) i (2) otrzymuje sie naste¬ pujaca zaleznosc: n =N-— , (3) rtga przy czym A dla nN jest ujemne, a dla n dodatnie. Poniewaz N, r oraz a sa dla refrakto¬ metru wartosciami stalymi wyznaczenie wspól¬ czynnika zalamania n badanej cieczy za pomoca refraktometru wedlug wynalazku sprowadza sie do pomiaru wartosci A.Pomiar A moze byc wedlug wynalazku zreali¬ zowany dwoma zasadniczymi sposobami (fig.Ic, d). Jeden z nich polega na sprowadzaniu róz¬ nicy drogi optycznej w obrebie uskoku (obszar II na fig. 5 do wartosci poza uskokiem (obszar I lub III na fig. 4), drugi — na doprowadzeniu róznicy drogi optycznej w obrebie uskoku i poza nim do takiej samej wartosci (fig. 6. W pierw¬ szym przypadku wyznacza sie calkowita war¬ tosc A, a w drugim wartosc A/2.Fig. 7 przedstawia schemat przykladowego rozwiazania refraktometru interferencyjnego przeznaczonego do badan mikroskopowych. — 2Sklada sie on z mikroskopu interferencyjno-po¬ laryzacyjnego, mikroskopu pomocniczego oraz z plytki refraktometrycznej R z kanalikiem o ukosnym uskoku wypelnionym badana ciecza, umieszczonej na stoliku mikroskopu. W sklad ukladu optycznego mikroskopu interferencyjno- polaryzacyjnego wchodza nastepujace zasadnicze czesci: kondensator K z przyslona szczelinowa S, obiektyw Ob o powiekszeniu 5 do 10 x, polaryza- tor kwarcowy P dwójlomny pryzmat Wollasto- na W o kacie lamiacym c? = 30'—45'; plytka mi- krometryczna M do pomiaru przesuwu tego pry¬ zmatu, analizator A oraz mikroskopowa nasadka okularowa dwuoczna N, zaopatrzona w okular Ok do obserwacji obrazu interferencyjnego.Szczelina 5 znajduje sie w ognisku kondensa¬ tora i biegnie równoleglego krawedzi lamiacej pryzmatu dwójlomnego, natomiast polaryzatorP i analizator A sa miedzy soba skrzyzowane i ich plaszczyzny polaryzacji tworza z krawedzia la¬ miaca pryzmatu W kat 45°. Pryzmat dwójlom- ny W mikroskopu jest umieszczony w takiej odleglosci od obiektywu Ob, aby punkt rozdzia¬ lu promieni swietlnych (punkt C) pokrywal sie z ogniskiem obrazowym obiektywu. Mikroskop pomocniczy Mp sluzy do odczytywania podzialki plytki mikrometrycznej M.Dzialanie refraktometru interferencyjnego przedstawionego na fig. 7 opisano ponizej. Wy¬ chodzaca z kondensatora plaska fala swietlna 2V po przejsciu przez plytke refraktometryczna R przyjmuje ksztalt fali 2 która wpada do obiek¬ tywu Ob i zostaje liniowo spolaryzowana przez polaryzator P, a nastepnie rozdwojona na dwie fale: zwyczajna 2Q i nadzwyczajna 2e, spolary¬ zowane wzgledem siebie w plaszczyznach wza¬ jemnie prostopadlych.Fale te po przejsciu przez analizator A inter- feruja ze soba dajac obraz obserwowany za po¬ moca okulara Ok, który ma postac jednorodnej barwy interferencyjnej. Plytke refraktometrycz¬ na R ustawia sie nastepnie tak, aby dolny albo górny brzeg uskoku znajdowal sie na osi optycz¬ nej mikroskopu. Pole widzenia mikroskopu jest wówczas podzielone na dwie równe czesci I i II o róznym zabarwieniu w przypadku stosowania swiatla bialego lub o róznej jasnosci, w przy¬ padku — swiatla monochromatycznego (fig. 8).Pomiar A przeprowadza sie w zerowym rze¬ dzie interferencyjnym. Mianowicie przesuwajac pryzmat dwójlomny W za pomoca pokretki B ustawia sie go w takim polozeniu (po) aby I po¬ lówka obrazu, stanowiaca obraz plytki refrak¬ tometrycznej poza uskokiem, zostala maksymal¬ nie wygaszona (fig. 8 lewa), a nastepnie prze¬ suwa sie go do polozenia Pi, przy którym druga polówka II, bedaca obrazem interferencyjnym uskoku równiez zostaje maksymalnie wygaszona (fig. 8 prawa). Róznice polpzen Pi —Po odczy¬ tuje sie na plytce mikrometrycznej M za pomoca mikroskopu pomocniczego Mp a A oblicza sie ze wzoru: J = (Pi-Po)A, (4) .gdzie Ap jest wartoscia stala wyrazajaca prze¬ suniecie fazowe miedzy falami 20 i Ee przypa¬ dajace na jednostke przesuwu pryzmatu dwój¬ lomnego.Pomiar wspólczynnika zalamania za pomoca opisanego refraktometru wprowadza sie wiec do pomiaru przesuwu pryzmatu dwójlomnego, przy czym zaleznosc miedzy mierzonym wspólczynni¬ kiem zalamania a przesunieciem pryzmatu jest liniowa co daje mozliwosc latwego cechowania refraktometru. Polozenie po dla danego usta¬ wienia plytki refraktometrycznej jest przy tym stale i ma charakter polozenia zerowego, nato¬ miast ze zmiana wspólczynnika zalamania ba¬ danej cieczy zmienia sie tylko polozenie Pi.Wizualna obserwacja maksymalnego zaciem¬ nienia jednej a nastepnie drugiej polówki pola widzenia jest dosc subiektywna. Bardziej do¬ kladne nastawienie pryzmatu dwójlomnego mozna uzyskac obserwujac obraz dyfrakcyjny tworzacy sie w plaszczyznie ogniskowej obrazo¬ wej obiektywu Ob. W tym celu na miejsce oku¬ lara Ok wstawia sie drugi pomocniczy mikro¬ skop Mp, który ogniskuje sie na zrenicy wyj¬ sciowej obiektywu Ob, gdzie dostrzega sie dwa obrazy S„ i Sx szczeliny S (fig. 9). Dokladne ustawienie pryzmatu dwójlomnego odpowiada¬ jace maksymalnemu wygaszeniu I-ej polówki pola widzenia uzyskuje sie wtedy, gdy przez srodek obrazu &o biegnie ciemny prazek interfe¬ rencyjny (fig. 9 — prawa) a maksymalnemu wy¬ gaszeniu II-ej polówki pola wadzenia — gdy ciemny prazek biegnie przez srodek obrazu A. (fig. 9 — lewa). Ustawienie tego prazka dokladnie w srodku obrazów S0 i Si jest nadzwyczaj czule i gwarantuje ustawienie pryzmatu dwójlomne¬ go z dokladnoscia rzedu kilku mikronów.Drugi sposób pomiaru przesuniecia iazowe- go A polega na ustawieniu pryzmatu dwójlom¬ nego w takim polozeniu p, aby olpjrdwie polów¬ ki pola widzenia byly jednakowe ^ne i tak sa¬ mo zabarwione (fig. 10). Zostaje wtedy spelnio¬ ne równanie: A = 2 (p — Po)Jp. ., (5) — * —Sposób ten mozna stosowac tylko wtedy, gdy miesci sie w pierwszym rzedzie interferencyj¬ nym. Aby warunek ten mógl byc spelniony dla zadanego zakresu mierniczego, dobiera sie od¬ powiednio kat a uskoku lub wspólczynnik zala¬ mania N plytki refraktometrycznej.Jesli na przyklad c = 45', a = 45°, N«l,5, a powiekszenie obiektywu jest 10x, to zmianie wspólczynnika zalamania n o 0,0001 odpowiada przesuniecie pryzmatu dwójlomnego o 0,01 mm.W tych samych warunkach przedzial mierniczy wspólczynnika zalamania od 1,3 do 1,7 wymaga - okolo 15 milimetrowego przesuwu pryzmatu dwójlomnego, podczas gdy przy znanych dotych¬ czas refraktometrach wymagal przesuniecia 50 cm (dla grubosci plytki 1 mm) refraktometru laboratoryjnego wedlug wynalazku.Fig. 11 przedstawia schemat przykladowy ukladu optycznego refraktometru laboratoryjne¬ go wedlug wynalazku. Sklada sie on równiez z kondensatora K z przyslona szczelinowa S, z podobnej plytki refraktometrycznej R z obiek¬ tywu Ob o powiekszeniu 2x do 5x, z polaryza- tora P i analizatora A, pryzmatu dwójlomne¬ go W, plytki mikrometrycznej M polaczonej z pryzmatem W, mikroskopu pomocniczego Mp do odczytywania podzialki tej plytki, okulara Ok do obserwacji obrazu interferencyjnego oraz z pomocniczej soczewki L, która po wylaczeniu w bieg promieni swietlnych refraktometru sta¬ nowi wraz z okularem Ok pomocniczy mikro¬ skop do obserwacji zrenicy wyjsciowej obiekty¬ wu i umozliwia nastawienie ciemnego prazka interferencyjnego na srodek obrazów szczeliny. * Podzialka plytki mikrometrycznej oswietlana jest swiatlem dziennym odbijajacym sie od zwierciadla umieszczonego pod plytka M. Jako zródlo swiatla moze przy tym sluzyc zwykla ni- skowoltowa zarówka Z, której wlókno odwzoro¬ wuje sie za pomoca kolektora U na szczelinie S.Pomiar wspólczynnika zalamania za pomoca opisanego wyzej refraktometru laboratoryjnego mozna przeprowadzac zarówno w swietle bia¬ lym jak i monochromatycznym uzyskiwanym przy uzyciu odpowiednich filtrów interferencyj¬ nych I, przy czym przebieg pomiaru jest taki sam jak poprzednio opisany.Fig. 12 przedstawia przykladowy schemat re¬ fraktometru wedlug wynalazku z urzadzeniem fotoelektrycznym, umozliwiajacym ustawienie pryzmatu dwójlomnego w polozenie odpowiada¬ jace maksymalnemu zaciemnieniu polówek pola widzenia.Refraktometr ten tym rózni sie od uprzednio opisanego, ze zamiast ukladu optycznego i po¬ miarowego Mp, Ok i L (fig. 11) jest zaopatrzo¬ ny w soczewke D (fig. 12) rzutujaca obraz inter¬ ferencyjny na fotokomórke F na przyklad fo¬ toogniwo, fotomnoznik lub inny fotoodbiornik, a ponadto posiada umieszczony miedzy ta so¬ czewka i fotokomórka — ekran E z otworem zatrzymujacym swiatlo pochodzace od czesci plytki refraktometrycznej z obszaru poza usko¬ kiem, a przepuszczajacym swiatlo obrazu usko¬ ku. Fotokomórka F jest polaczona za posred¬ nictwem wzmacniacza Ws z galwanometrem G.Refraktometr wedlug fig. 12 jest równiez wy¬ posazony w urzadzenie projekcyjne Pr rzutujace skale plytki mikrometrycznej M na ekran Ek.Sposób dzialania tego refraktometru opisano po¬ nizej. Soczewka D rzutuje obraz interferencyj¬ ny na fotokomórke F, jednak znajdujacy sie przed fotokomórka ekran E z otworem zatrzy¬ muje swiatlo odpowiadajace czesci plytki re¬ fraktometrycznej poza obszarem uskoku, a prze¬ puszcza tylko swiatlo obrazu uskoku. Nateze¬ nie tego swiatla jest tym wieksze im wieksza jest róznica wspólczynników zalamania N—n.Prad fotoelektryczny wzmacniany przez wzmac¬ niacz W przekazywany jest na galwanometr G lub miliamperomierz. Przesuwajac pryzmat W za pomoca galki B nastawia sie go na minimal¬ ne wychylenie galwanometru i odczytuje na skali plytki mikrometrycznej M polozenie Pi pryzmatu W. Dla wygodniejszego odczytu po- dzialka plytki M wycechowana w wartosciach wspólczynnika zalamania jest rzutowana na ekran ze wskaznikiem. Zerowe polozenie p0 pryzmatu W sprawdza sie nastawiajac otwór ekranu E na druga polówke pola widzenia.Fig. 13 przedstawia schemat refraktometru interferencyjnego wedlug wynalazku przezna¬ czonego do rejestracji wspólczynnika zalamania przeplywajacej cieczy, a takze do samoczynnej regulacji procesów chemicznych lub fizyko-che¬ micznych, które maja wplyw na wartosc tego wspólczynnika. Plytka refraktometryczna R te¬ go refraktometru stanowi naczynko z uskokiem, przez które przeplywa badana ciecz, natomiast jego czesc optyczna nie rózni sie od poprzednio opisanej. Czesc fotoelektryczna refraktometru sklada sie z dwóch identycznych fotoodbiorni- ków FI i F2, ukladu mostkowo-kompensacyjne- go UK, wzmacniacza W oraz mechanizmu elek¬ tromagnetycznego ME lub innego sluzacego do przesuwania pryzmatu dwójlomnego W, — 4 —Pomiar wspólczynnika zalamania tym refrak¬ tometrem odbywa sie na zasadzie zrównywania jasnosci obu polówek obrazu interferencyjnego (fig. 10). Swiatlo pochodzace od tych polówek jest rozdzielane przez pryzmat odbijajacy PZ i kierowane na fotoodbiorniki FI i F2. Jezeli nastapi spadek wspólczynnika zalamania prze¬ plywajacej cieczy, to jeden odbiornik otrzymu¬ je wiecej swiatla, a drugi mniej. Wskutek za¬ chwiania równowagi ukladu fotoelektrycznego przez cewke ME poplynie prad, a wytworzone pole magnetyczne spowoduje przesuniecie pryz¬ matu dwójlomnego w takie polozenie, w którym wystapi ponownie równowaga w ukladzie. Je¬ zeli natomiast wspólczynnik zalamania cieczy wzrosnie, prad w cewce ukladu ME poplynie w przeciwnym kierunku przesuwajac równiez pryzmat W w kierunku przeciwnym. Polacze¬ nie pryzmatu dwójlomnego z mechanizmem re¬ jestrujacym MR umozliwia ciagla rejestracje przesuniec pryzmatu i odpowiadajacych im zmian wspólczynnika zalamania przeplywajacej cieczy. Przesuniecia te moga byc równiez wyko¬ rzystane do sterowania regulacji przebiegu pro¬ cesu majacego wplyw na zmiany wspólczynni¬ ka zalamania.Wszystkie opisane wyzej odmiany refraktome¬ tru wedlug wynalazku moga posiadac zamiast pryzmatu Wollastona inne elementy dwójlom- ne, na przyklad pryzmat Nomarskiego, Rocho- na, kompensator Babineta, Soleila albo tez plyt¬ ke Savarta. W tym ostatnim przypadku pomiar przesuniecia fazowego A odbywa sie przez obrót plytki, co stwarza dalsze mozliwosci rozwiazan czesci elektrodynamicznej i rejestrujacej refrak¬ tometru. PL