9.3. Приборы для спектрофотометрических измерений

9.3.1. Измерение спектров

Учение об измерении распределения мощности излуче­ния по спектру называется спектрофотометр и-е и. Ее методы состоят в фотометрировании спектров, т. е. измерении распределения лучистых или световых мощно­стей по длинам волн или частотам (лат. spectrum — пред­ставление, образ). Этот термин в оптике имеет двоякое зна­чение. Под спектром чаще всего подразумевают изображе­ние, образуемое разложением излучения на его «монохро­матические» составляющие. Однако во многих случаях в тот же термин вкладывают иное содержание, имея в виду состав сложного излучения, распределение его характерис­тик по длинам волн*. В этом смысле спектрофотометрия дает методы получения спектров испускания, поглощения и рассеяния, выражаемых кривыми распределения световых или энергетических величин по длинам волн или частотам излучений.

Сущность спектрофотометрических измерений сводится к следующему.

Излучение с помощью диспергирующего устройства, например призмы или дифракционной решетки, разлагают в спектр (рис. 9.4). При помощи щелевой диафрагмы из не­го выделяют узкий пучок света — интервал Δλ. Его направ­ляют на приемник, реагирующий либо на мощность (фото­элемент, термостолбик), либо на энергию пучка (фотогра­фический материал). Реакцию приемника измеряют. Зная характер зависимости между реакцией и мощностью (энер­гией), находят нужную спектральную величину, приходя­щуюся на данный интервал или, как упрощенно считают, на данную длину волны (середину интервала). После этого строят график зависимости, например светового потока от длины волны, характеризующий спектральный состав из­лучения (спектр испускания источника).

При измерении спектра поглощения перед приемником помещают слой вещества, поглощение которого измеряет­ся. По мощности «монохрома­тического» излучения до и по­сле прохождения его через слой находят степень поглоще­ния, выражая ее коэффици­ентом поглощения, оптичес­кой плотностью или удель­ным показателем поглощения. В этом случае результат из­мерения описывается графи­ком зависимости измеренной величины от длины волны — спектром поглощения.

Спектр отражения полу­чают в результате сравнения монохроматических характе­ристик излучения, отражен­ного данной и белой эта­лонной поверхностью. Чаще всего это - - монохромати­ческий коэффициент отра­жения.

Рис. 9.4 иллюстрирует лишь метод измерения спектров, а не схемы приборов, которые, как увидим в следующем разделе, сложнее, чем показано на рисунке.

Рис. 9.4. Схемы измерения спектров испускания (а), про­пускания (б) и отражения (в)

9.3.2. Устройства и детали спектральных приборов

Оптические приборы, предназначенные для разложения сложных излучений в спектр с целью его исследования, носят общее название спектральных.

Для получения спектра и выделения узких спектраль­ных участков служат монохроматоры. Они применяются в сочетании с фотометром — прибором, позволяющим изме­рять мощности выделенных участков. Часто монохроматор и фотометр объединяют в один прибор, называемый спект­рофотометром. Как и другие светомерные прибо­ры, спектрофотометры бывают визуальными и объектив­ными. В объективных применяются разные приемники из­лучений, чаще всего — фотографический и фотоэлектри­ческий.

Спектральные приборы для регистрации спектра назы­ваются спектрографами. Иногда это название относится только к фотографирующим приборам, а те, в которых приемником служит фотоэлемент, называются спектрометрами.

В зависимости от типа диспергирующего устройства различают призменные, дифракционные и интерференци­онные приборы. Основой каждого из них служит моно­хроматор, принципиальная схема которого показана на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Принципиальная схема монохроматора

Осветитель 1 (лампа Л, конденсор К) создает равномер­ную освещенность в плоскости щели Щ₁ которая представ­ляет собой, таким образом, вторичный источник света, от­личающийся от основного тем, что имеет одинаковую на всей площади яркость.

Передний коллиматор 2 служит для создания параллель­ного пучка лучей. Щель Щ₁ находится в фокусе объектива О₁ коллиматора и поэтому проецируется на диспергирую­щее устройство 3 параллельным пучком. Вследствие этого монохроматические лучи одинаковых цветов, выходящие из диспергирующего устройства, оказываются также парал­лельными (на рисунке показаны крайние лучи: К₁ II К₂ и

Ф₁ Ф₂).

Перемещая щель Щ₂ вдоль спектра, поочередно выделя­ют интервалы Δλ по всей его длине. Во многих схемах при­боров предусмотрено не перемещение щели, а поворот дис­пергирующего устройства относительно неподвижной оси. Из рисунка видно, что каждая точка щели Щ₁ дает в спект­ре монохроматические точки (F_K и F_Ф). Следовательно, вся щель изображается монохроматическими полосками. Это легко представить себе, если вообразить, что лампа Л ис­пускает монохроматический свет. В этом случае на объектив О₂ направляется не веер лучей, а монохроматический па­раллельный пучок. Объектив О₂ изображает щель в виде монохроматической полоски, размеры которой определя­ются его фокусным расстоянием и шириной щели. По­лоска — изображение входной щели коллиматора, обра­зуемое объективом выходного коллиматора, называется в спектрофотометрии спектральной линией. Сложный свет дает множество спектральных линий, которые взаимно пе­рекрываются, если спектр сплошной. Перекрывание тем больше, чем шире щель. Поэтому монохроматичность из­лучения, пропускаемого выходной щелью, уменьшается с расширением входной. Степень монохроматичности пучка, пропускаемого щелью Щ₂, называется чистотой спектра.

Монохроматор, схема которого показана на рис. 9.5, называется простым или однократным. Недо­статок прибора, работающего по этой схеме, состоит в том, что на его выходную щель, кроме полезного, как это пока­зано на схеме, падает еще и паразитное излучение, отражае­мое от внутренних стенок прибора и его деталей. Это сни­жает чистоту спектра и, следовательно, точность спект­ральных определений.

Для уменьшения интенсивности паразитного света внутри приборов устанавливают перегородки, чернят вну­тренние поверхности стенок и оправы линз. Однако наибо­лее надежный способ повышения точности измерений состо­ит в применении двойных монохроматоров. Это приборы, состоящие из двух простых монохроматоров, причем вы­ходная щель первого служит входной щелью второго. Не­разложенный вследствие светорассеяния свет, выходящий из щели первого монохроматора, разлагается во втором. В результате этого спектр, даваемый двойным прибором, получается чистым.

Примером двойного монохроматора служит дисперги­рующее устройство в спектрофотометре СФ-18, который бу­дет рассмотрен ниже (раздел 9.3.3).

Осветительное устройство (рис. 9.6). Источник света в монохроматоре должен быть равноярким по всей площади. Иначе при обработке результатов измерений пришлось бы вносить поправки на неравномерность яркости. Щель Щи перед которой устанавливается источник, служит апертурной диафрагмой, т. е. ограничивает угол раскрытин пучков, посылаемых точками тела накала (рис. 9.6, а). Поэтому точка А изображается всем объективом, а точка В — только его частью, и в изображении она получается менее яркой, чем точка А. Кроме этого, виньетирующего, действия щели, на равномерность освещенности влияет структура поверхности источника. Конденсор К прое­цирует тело накала на объектив (рис. 9.6, б). Линзы кон­денсора дают широкий пучок, заполняющий щель, и все ее точки освещаются одинаково.

Коллиматоры. Принцип работы обоих коллиматоров оди­наков, хотя они выполняют противоположные функции: передний дает возможность получать параллельный пучок, а задний собирает его в точку. Степень параллельности лучей, с которой связана чистота спектра, зависит не толь­ко от ширины щели, но и от качества исправления объекти­ва на аберрации. В некоторых монохроматорах исполь­зуется принцип автоколлимации. Он состоит в том, что пу­чок света, прошедший через коллиматорный объектив, по­сле разложения в призме или решетке отражается плоским зеркалом и фокусируется тем же объективом.

Щели коллиматоров представляют собой пары пласти­нок, заточенных так, как показано на рис. 9.5, и называе­мых ножами. Ножи могут сдвигаться и раздвигаться с по­мощью винтового механизма. Края ножей изготавливают либо изогнутыми, либо прямыми. В первом случае получа­ется изогнутой и щель. Такие щели служат для компенса­ции искривления спектральных линий при разложении, особенно призмой.

Призмы, применяемые в фотометрических приборах, разделяются на три класса: спектральные (дисперсион­ные), отражательные и поляризационные.

Спектральные призмы используются в качест­ве диспергирующих элементов призменных монохромато­ров. Они бывают разных типов: от простой трехгранной до многокомпонентных. Сложные призмы применяются, на­пример, для увеличения угловой дисперсии, оптимизации потерь света на отражение, придания лучу заданной дли­ны волны определенного направления.

В отражательных призмах разложения в спектр не происходит. Они служат только для изменения направ­ления пучка и для оборачивания изображения — его мож­но сделать обратным, или зеркально перевернутым. Тот же эффект может быть достигнут и с помощью зеркал, од­нако применение призм упрощает конструкции приборов и уменьшает их габариты. Одна из граней отражательных призм делается отражающей: на нее наносится алюминий (или серебро).

Поляризационные призмы используются для получения плоскополяризованного света. Состоят из двух (иногда и большего числа) трехгранных призм, изготов­ленных из одноосных двоя-копреломляющих кристал­лов так, чтобы их оптичес­кие оси были ориентиро­ваны различно (рис. 9.7). Это — кристаллы исланд­ского шпата и кристалли­ческого кварца. Призмы склеены или разделены воздушным промежутком. Условия преломления све­та для компонентов пуч­ка, поляризованных в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях, на гра­нице раздела призм раз­личны. Это вызывает раз­деление пучков. Поляри­зационные призмы делят­ся на одно- и двухлуче-вые. Первые дают один по­ляризованный пучок (дру­гой поглощается или выво­дится из призмы), вторые— два, поляризованные во взаимно перпендикуляр­ных плоскостях.

В большинстве спект­ральных приборов отечест-

вейного производства используются двухлучевые призмы Ро-шона и Волластона (рис. 9.7, а и б). Линиями на рисунке по-, казаны направления оптических осей, находящихся в плос­кости чертежа, а точками — следы оптических осей, перпен­дикулярных этой плоскости. В призме Рошона один из вы--

Рис. 9.6. Схема действия конден-сорной осветительной системы

Рис. 9.7. Поляризационные приз­мы: а — Ротона; б — Волластона

ходящих лучей имеет то же направление, что и упавший, а другой выходит под некоторым углом к нему. В призме Волластона оба они симметричны направлению упавшего луча. Различие в углах между выходящими лучами связа­но с различной ориентировкой оптических осей кристаллов.