4.9. Отношение сигнал/шум в растровом спектрометре

Мы показали, что используя растры в качестве входной и выходной апертуры спектрального прибора, можно увеличить проходящий через него световой поток на два порядка величины. Соответственно, возрастает и величина сигнала. Вопрос о практической реализации такого выигрыша – это прежде всего вопрос точного согласования всех компонентов прибора. Применение большого по площади растра требует использования и большого фотоприемника. Не обязательно его площадь должна совпадать с растром, проекцию растра на фотоприемник можно осуществить с уменьшением геометрических размеров. Тем не менее, в аналогичных условиях площадь приемника растрового прибора будет больше площади приемника щелевого классического монохроматора. Приемники излучения в инфракрасной области спектра имеют уровень собственных шумов почти не зависящий от величины падающего на них светового потока, однако, при изменении размеров мощность шумов таких фотоприемников возрастает приблизительно пропорционально величине площади фоточувствительной площадки. Следовательно, предельные значения отношения сигнал/шум возрастут меньше, чем дает наш простой расчет выигрыша по световому потоку. В итоге, полностью реализовать теоретическое увеличение отношения сигнал/шум не удается, так как увеличивая площадь входной и выходной апертуры прибора в k раз, мы должны соответственно увеличить и площадь приемника излучения. С ростом размеров приемника в раз возрастет мощность шумов. В наши расчетные значения нужно внести поправку: отношение сигнал/шум должно возрастать приблизительно как корень квадратный из чисел, полученных при оценке выигрыша по световому потоку. Напомню, правда, что вероятность обнаружения сигнала зависит от принятой полной его энергии и мощности шума, так что пренебрегать порядком величины мы не имеем права.

Значительно хуже обстоит дело в видимой области спектра. Здесь имеются обладающие очень большой чувствительностью квантовые приемники света — фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи. Для сигналов, обеспечивающих величину фототока хотя бы в несколько раз больше темнового, мощность шумов таких фотоприемников растет пропорционально величине сигнала. Следовательно, для подобных фотоприемников критическое значение будет иметь не амплитуда полезного сигнала, а огромные по ширине медленно меняющиеся «крылья» аппаратного контура, которые мы обозначили в формуле (4.8) как . Именно они будут определять средний уровень освещенности фотоприемника при сколько-нибудь сложном спектре, и слабые линии (или малые изменения сигнала) «утонут» в шумах, созданных большой интегральной засветкой.

Таким образом, применяя спектрометр даже при регистрации одиночных линий в видимой или ближней УФ-области спектра не только для слабых, но и для ярких источников мы получим выигрыш меньше, чем в раз. Использование модуляции здесь не помогает, так как компенсации подвергается только ток, обусловленный регулярной составляющей контура. Компенсировать случайные помехи невозможно. Более того, при вычитании сигналов, идущих от прямого и от дополнительного растров, произойдет сложение мощности шумов!

В качестве примера рассмотрим случай, когда спектр состоит из двух линий, имеющих соотношение яркостей 1:10 и находящихся друг от друга на расстоянии в 5 раз большем, чем ширина аппаратного контура прибора (рис. 4.28 а). Допустим, что классическим монохроматором более яркий из двух компонентов регистрируется с отношением сигнала к шуму по напряжению (это – 100 раз по мощности!), тогда для слабого компонента мы получим . Заменим в том же приборе щели на растры, обладающие полезной площадью в 100 раз большей, чем у щели. Результирующий контур будет

а	б
Рис. 4.28

складываться из возросшего в 100 раз сигнала и фона, приблизительно равного по величине основному сигналу (рис. 4.28 б). Отношение для большего компонента будет равно , а для слабого оно оказывается равным всего 10, т. е. выигрыш всего в три раза. Именно это обстоятельство привело к тому, что растровые приборы применяются практически только для исследования ИК-области спектра. Следует отметить, однако, что при измерении предельно малых световых потоков в видимой области спектра случайные ошибки измерений определяются главным образом шумами темнового тока фотоприемника. В этом случае растровый монохроматор может обеспечить и для видимой области такой же выигрыш, как для инфракрасной.