5. Светосила спектрального аппарата

Для того, чтобы оценить воздействие излучения на приёмник (фотопластинку, фотоэлемент, электронно-оптический преобразователь, фотоумножитель и т. д., а так же на глаз человека) применяется такая характеристика как светосила спектрального прибора. Светосила числено равна отношению яркости изображения щели в фокальной плоскости объектива (на сетчатке глаза, если ведется непосредственное наблюдение) к яркости входной щели (считается, что входная щель – самосветящийся объект). Светосила выражается формулой:

, (20)

где - относительное отверстие спектрального аппарата (чем оно больше, тем больше света проходит через систему); T – коэффициент прозрачности оптической системы прибора (он уменьшается при увеличении числа оптических элементов); - отношение фокусных расстояний коллиматорного объектива 2 и камерного объектива 4 (рис.1);

- отношение ширины входной щели S₁ к ширине изображения S этой щели, находящегося в фокальной плоскости камерного объектива 4 (рис.1).

В общем случае ширина S изображения входной щели складывается из:

-ширины дифракционного инструментального контура для монохроматической линии и бесконечно узкой щели;

-ширины геометрического изображения щели при её монохроматическом освещении, если пренебречь дифракционными явлениями;

-уширения за счёт немонохроматичности спектральной линии в пренебрежении дифракционным и геометрическим расхождением.

При наблюдении узких спектральных линий всегда присутствует непрерывный фон. И при больших ширинах входной щели, кроме уширения спектральных линий, может случиться, что фон перекроет эти линии.

В условиях увеличения яркости спектральных линий при наблюдении непосредственно глазом бывает целесообразно увеличить ширину входной щели до

(5ч20) S_норм. При этом яркость линий не увеличивается, но размеры их становятся больше, и глаз легче различает спектр.

Освещение щели при помощи конденсора

Щель спектрального прибора освещается источником света, расположенным на некотором расстоянии от неё. Чтобы увеличить освещённость щели нужно приблизить источник света. Часто это не возможно. Тогда применяют оптические системы, называемые конденсорами. С их помощью источник света проектируется на щель. Это равносильно тому, что источник света поставили вплотную. Часто требуется создать равномерную освещённость щели (например, для количественного спектрального анализа). Для этой цели применяются сложные конденсоры, состоящие из многих линз.

Для качественного анализа достаточно однолинзового конденсора. Смысл его применения виден из рис.4а, где 1 – источник света; 2 – конденсорная линза, имеющая фокусное расстояние f_конд и диаметр d_конд; 3 – щель, её ось расположена перпендикулярно плоскости рисунка; 4 – объектив коллиматора, имеющий диаметр d и фокусное расстояние f₁.

Очевидно, что если взять d_конд меньше, чем на рис.4а, то коллиматорный объектив 4 будет освещён не полностью, если же d_конд взять больше, то часть лучей уйдёт за пределы коллиматорного объектива. И то и другое не является полезным.

Условие заполнения коллиматорного объектива светом находится из геометрии опыта:

. (21)

Наоборот, если дано и , то можно однозначно найти a и b (рис.4а). Условие заполнения коллиматорного объектива светом соблюдается лишь для точек источника света, лежащих на оптической оси коллиматора. В плоскости щели это условие не выполняется, например, для верхней точки щели (рис.4б). Половина света не попадает на объектив коллиматора. Это не только уменьшает яркость изображения щели, но и даже вредно, т. к. создаётся дополнительный фон из-за неполного поглощения лучей стенками прибора. Это явление называется виньентированием. Для устранения этого явления применяется антивиньетирующая линза 5 (рис.4в), которая расположена перед щелью очень близко к ней. Она рассчитывается специально для данного конденсора и данного объектива коллиматора. Чтобы антивиньетирующая линза была полезной, необходимо знать расстояния a и b (рис.4а).