Монохроматор
Монохроматор (диспергирующий элемент) разлагает излучение в спектр. Он определяет основные характеристики спектрального прибора: линейную дисперсию и разрешающую способность.
Линейное расстояние в фокальной плоскости прибора (∆l) между двумя лучами с близкими длинами волн (λ1 и λ2), отнесенное к их разности, называется линейной дисперсией:
(4.11)
В практике часто используют величину, обратную линейной дисперсии: (D = 1/Dl). Она обычно находится в пределах от 0,1 до 10,0 нм/мм. Линейная дисперсия прибора зависит от угловой дисперсии монохроматора, которую определяют как угловое расстояние ∆φ между лучами с близкими длинами волн (λ1 и λ2), отнесенное к интервалу ∆λ:
(4.12)
Разрешающей способностью спектрального прибора называют его способность давать раздельное изображение двух спектральных линий с близкими длинами волн. Количественной характеристикой разрешающей способности прибора является отношение R = λ/∆λ, где ∆λ = (λ1 – λ2) – интервал, в котором линии λ1 и λ2 наблюдаются раздельно, а λ = (λ1 + λ2)/2 – средняя длина волны. Разрешающая способность обычных спектральных приборов лежит в интервале от 5000 до 50 000.
В качестве диспергирующего элемента используют призмы, дифракционные решетки и интерференционные устройства. Большое распространение в аналитической практике получили призменные спектральные приборы и приборы с дифракционной решеткой. В монохроматоре любой конструкции световой поток попадает сначала на входную щель. Затем с помощью системы линз (в призменных монохроматорах) или вогнутых зеркал (в решеточных) он превращается в параллельный. После выхода из диспергирующего устройства лучи различных длин волн фокусируют в фокальной плоскости с помощью линз или зеркал. Выходная щель, находящаяся в фокальной плоскости, вырезает световой поток малой спектральной ширины, длина волны которого определяется положением диспергирующего элемента. На рис. 4.6 приведена оптическая схема призменного спектрального прибора.
Рис. 4.6. Схема спектрального прибора
1 – входная щель; 2 – коллиматорный объектив; 3 – монохроматор;
4 – камерный объектив; 5 – фокальная плоскость камерного объектива.
Дифракционные решетки по сравнению с призмами имеют существенные достоинства: а) дисперсия света в дифракционной решетке не зависит от длины волны и разрешающая способность решетки значительно выше, чем призмы. Спектральный интервал, доступный для исследования, достаточно широк (от 200 до 1000 нм).
Приемники излучения
Приемниками излучения являются устройства, в которых происходят изменения под действием излучения. Они характеризуются спектральной чувствительностью – способностью воспринимать излучение различной длины волны.
В визуальном методе приемником излучения является глаз человека, который чувствителен к свету в видимой области спектра ~ 400 – 760 нм. Чувствительность глаза максимальна к желто-зеленому свету (550 нм) и убывает от него в обе стороны. Этот метод чрезвычайно субъективен, так как глаз наблюдателя может только приближенно оценить разность или отношение интенсивностей световых потоков.
Более универсальными для регистрации электромагнитного излучения являются фотографические и фотоэлектрические методы.
В фотографическом методе приемником излучения является фотографическая эмульсия (взвесь монокристаллов бромида серебра в желатине), нанесенная на подложку (пластинка, пленка). Под действием света в эмульсии формируется «скрытое» изображение, которое после обработки (проявление и закрепление) визуализирует в виде темных линий за счет выделения металлического серебра в местах, подвергшихся облучению. Почернение спектральных линий становится мерой количества излучения, попавшего первоначально на фотоэмульсию. Сконструированы приборы (микрофотометры), способные очень точно определять величины почернений. Обычные фотоматериалы чувствительны в диапазоне 230 – 500 нм. Спектральная область может быть значительно расширена (от короткого ультрафиолета до 1000 нм) путем их сенсибилизации. Достоинствами фотографического метода являются документальность, чувствительность к широкому спектральному диапазону излучения, коммулятивность (суммирование количества излучения во времени), что позволяет регистрировать слабые световые потоки, увеличивая экспозицию (время воздействия излучения). Основные недостатки метода – неравномерность эмульсии фотопластинок, приводящая к увеличению погрешности анализа, а также необходимость химической обработки фотоматериалов.
Ф
отоэлектрические
методы
основаны на преобразовании световой
энергии в электрический сигнал с помощью
фотоэлементов, действие которых основано
на использовании внешнего
или
внутреннего
фотоэффекта.
Ф
Рис. 4.7. Фотоэлемент
с внешним фотоэффектом
Работа фотоэлемента с внутренним фотоэффектом основана на вентильном эффекте запирающего слоя, который образуется на границе между двумя полупроводниками или полупроводником и металлом и пропускает электроны только в одном направлении. В селеновом фотоэлементе (рис.4.8) электроны селенового слоя под действием света возбуждаются и через запирающий слой проходят в покрывной электрод (пленка золота). Покрывной электрод заряжается отрицательно, а селеновый слой – положительно. При замыкании такой системы во внешней цепи возникает ток без участия внешнего источника напряжения. Аналогично устроен и кремниевый фотодиод.
Рис.
4.8. Фотоэлемент
с внутренним фотоэффектом:
1 – контактное
кольцо
2 –
запирающий слой.
В настоящее время производятся кремниевые фотодиоды, чувствительные к излучению в отдельных спектральных областях. Для одновременного измерения интенсивностей во всей области спектра от 190 до 1100 нм служат многоканальные детекторы (массивы фотодиодов, диодные линейки).
Эмиссионный спектр пробы, возбуждаемый в источнике света, в зависимости от метода (визуальный, спектрографический, спектрометрический) регистрируют с помощью спектроскопа, спектрографа или спектрометра.