ЛЕКЦІЯ

(№ 17-20 , 8 годин)

ТЕМА: Спектральні прилади

МЕТАпознайомити студентів з класифікацією та загальною схемою спектральних приладів.

ТИП ЗАНЯТТЯ: лекція

МАТЕРІАЛИ ТА ОБЛАДНАННЯ: Періодична система елементів Д.І. Менделєєва, опорний конспект лекції, індивідуальні картки, плакати,

ЛІТЕРАТУРА: Орешенков «Спектральний аналіз»

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

1. Класифікація спектральних приладів

2. Загальна схема спектрального приладу та основні її компоненти.

3. Диспергуючі елементи – призми, дифракційні решітки.

4. Візуальні прилади

5. Фотографічні прилади.

САМОСТІЙНА РОБОТА СТУДЕНТІВ

1. Атомні спектри та будова атома

2. Фотоелектричні прилади

Спектральні прилади - прилади для дослідження в оптич. діапазоні 10^-3-10³ мкм; спектрального складу електро-магнітних випромінювань по довжинах хвиль, знаходження спектральних характеристик випромінювачів і об'єктів, що взаємодіяли з випромінюванням, а також для спектрального аналізу. Спектральні прилади розрізняються методами спектрометрії, приймачами випромінювання, досліджуваним ( робочим) діапазоном довжин хвиль і ін характеристиками . 

Відібравши умови оатомізації і збудження спектрів проби необхідно подбати про те, щоб отримане в джерелі світла випромінювання було як можна більш ефективнішим при використанні. Це досягається правильним вибором спектрального приладу і способу установки джерела світла щодо нього. Спектральні прилади класифікують :

- По способу розкладання випромінювання джерела світла в спектри. Найбільше поширення отримали дисперсійні спектральні прилади, в яких випромінювання розкладається в спектри призмою або дифракційною решіткою. В окремих випадках, коли досліджується більш прості спектри застосовують фільтрові спектральні прилади.

Рис . 1 . Класифікація методів спектрометрії за способами поділу довжин хвиль. Контури шириною dl символічно зображують апаратні функції ( АФ ).

У одноканальних методах (1 і 3 ) застосовується сканування ( символ ®), в багатоканальних (2 і 4 ) - сканування відсутній і вимір інтенсивності випромінювання ряду довжин хвиль l ' , l " , l " ' , . проводиться одночасно.

Загальна класифікація методів спектрометрії, які є основою для різних схем і конструкцій спектральних приладів , здійснюється за двома основними ознаками - числу каналів і фізичним методам виділення X в просторі або часу (рис. 1 ). Історично першими і найбільш поширеними є методи просторового розділення X ( селективної фільтрації) , які називають класичними (групи 1 і 2). У одноканальних спектральних приладах (група 1 ) досліджуваний потік із спектром f ( l ) посилається на спектрально - селективний фільтр , який виділяє з потоку деякі інтервали 6Х в околиці кожної l ' і може перебудовуватися ( безперервно або дискретно ) , здійснюючи сканування спектру в часі t по деякому закону l ' ( t ). Виділені компоненти Dl надсилаються на приймач випромінювання , запис сигналів якого дає функццію часу F ( t ). Перехід від аргументу t до аргументу l дозволяє отримати функццію F ( l ) - спостережуваний спектр . 

У багатоканальних спектральних приладах (група 2) одночасно реєструються (без сканування по l) декількома приймачами потоки випромінювання різних довжин хвиль l ' , l " , l " ' , . . , які виділяють, наприклад, набором вузькосмугових фільтрів або багатощілинним монохроматором (поліхроматор) . Якщо відстань між каналами не перевищує dl і число каналів N досить велике, то отримувана інформація аналогічна міститься в записі спектра на скануючому одноканальному приладі (при тих же dl, однакових приймачах і пр. рівних умов) , але час вимірювання може бути скорочено у N раз. Найбільша многоканальность досягається застосуванням багатоелементних фотоелектричних приймачів випромінювання і фотографічних матеріалів (у спектрографах ) . 

Принциповою основою нових методів (групи 3 і 4 на рис. 1) є селективна модуляція, при якій функції поділу l переносяться з оптичної частини приладу в електричну.У найпростішому одноканальному спектральному приладі групи 3 досліджуваний потік із спектром f (l) посилається на спектрально - селективний модулятор , здатний модулювати з деякою частотою w₀ = const лише інтервал dl в околиці l ' , залишаючи решті потік немодульованим. Сканування l ' (t) проводиться перебудовою модулятора таким чином, щоб різні l послідовно модулювати частотою w0 . Виділяючи складову w₀ в сигнали приймача за допомогою електричного фільтра, отримують функцію часу F (t), значення якої пропорційне відповідним интенсивностям в спектрі f (l) . Багатоканальні системи з селективної модуляцією (група 4 ) засновані на операції мультиплексування (від лат. Multiplex - складний , численний) - одночасному прийомі випромінювання від декількох спектральних елементів dl в кодированій формі одним приймачем. Це забезпечується тим , що довжини хвиль l ' , l " ,l", одночасно модулюються різними частотами w ' , w " , w '" , ... і суперпозиція відповідних потоків в приймачі випромінювання дає складний сигнал , частотний спектр якого по w несе інформацію про досліджуваний спектрі по l . При невеликому числі каналів компоненти w ' , w " , w " ' , ... виділяються з сигналу за допомогою електричних фільтрів. У міру збільшення числа каналів аналіз сигналу ускладнюється. У граничному випадку інтерференція. модуляції шуканий спектр f ( l ) можна отримати Фур'є- перетворенням реєстрованої інтерферограмми. Серед інших можливих способів багатоканального кодування отримали практич. застосування маски - матриці Адамара. За рамками класифікації, наведеної на рис.1, залишаються лише методи, які використовують майже монохроматічне випромінювання лазерів.

Дисперсійні прилади прийнято класифікувати:

1. По області спектру, в якій вони працюють.

2. В залежності від диспергуючого елемента розрізняють призменні і дифракційні прилади.

3. По способу реєстрації – візуальні, фотоелектричні, фотографічні

Візуальні – спектраскопи - стилоскопи, стилометри; фотографічні – спектрографи, фотоелектричні – спектрометри, спектрофотометри . дисперсійним приладом у спектрометрі може бути монохроматор або поліхроматор. Монохроматор дозволяє виділити на приймач світло дуже вузького діапазону довжин хвиль, поліхроматор одночасно виділяє світло на невелику кількість фотоелектричних приймачів, при чому на кожній світлом визначеного вузького інтервалу довжин хвиль. Спектрометр на основі монохроматора є одноканальним пристроєм, на базі поліхроматора– багатоканальним пристроєм.

Принцип дії спектрального приладу.

В основі всіх дисперсійних приладів знаходиться одна й та ж сама схема. Прилади можуть відрізнятися методом реєстрації і оптичними характеристиками, різною конструкцією, але принцип дії завжди єдиний. Світові джерела входять в спектральний прилад через вузьку щілину і від кожної крапки цієї щилина у вигляді пучків потрапляє на об’єктив коліматора, який перетворює пучки у паралельні. Щілина та об’єктив коліматора складає коліматорну частину приладу.паралельні пучки від об’єктиву коліматора потрапляють на диспергуючий елемент – призму або дифракційну гратку, де відбувається їх розкладання по довжинам хвиль. Від диспергуючого елемента світло однієї довжини хвилі від однієї крапки щілини виходить паралельними пучками і потрапляє на фокусуючий об’єктив, який збирає кожний паралельний пучок у відповідній крапці фокальної поверхні. З крапок складаються багато чисельні монохроматичні зображення щілини. Якщо в джерелі випромінювання атоми – отримується ряд окремих монохроматичних зображень у вигляді вузьких ліній – лінійчастих спекрів.ю молекули – смугастий спектр. В залежності від способу реєстрації спектра фокусуючий об’єктив прийнято називати в спектрографах – об’єктивом камери, в спектроскопах – об’єктивом зорової труби, в спектрометрах другим коліматорним об’єктивом.

1 . Одноканальні спектральні пирилади з просторовим розділенням довжин хвиль Основою схеми приладів цієї групи (рис. 2) є диспергирующий елемент ( дифракційна решітка)

Рис . 2. Принципова оптич. схема спектрального приладу з просторовим розділенням довжин хвиль за допомогою кутової дисперсії : 1 - коліматор з вхідною щілиною Щ і об'єктивом O₁ з фокусною відстанню С1 ; 2 - диспергирующий елемент, що володіє кутовою дисперсією Dj / Dl ; 3 - фокусирующая система (камера) з об'єктивом О₂ , що створює у фокальній площині Ф зображення вхідної щілини у випромінюванні різних довжин хвиль з лінійною дисперсією D х / Dl . решітка , ешелет , інтерферометр Фабрі - Перо , призма) , що володіє кутовою дисперсією Dj / Dl , що дозволяє розгорнути в фокальній площині Ф зображення вхідної щілини Щ у випромінюванні різних довжин хвиль. Об'єктивами O₁ і O₂ зазвичай служать сферичні або параболічні дзеркала , так як їх фокусні відстані не залежать від l (на відміну від лінзових систем).

Одноканальні спектральні прилади мають в площині Ф одну вихідну щілину і називається монохроматором ; якщо щілин кілька , то спектральний прилад називають поліхроматор , якщо світлочутливий шар або очей , спектральний прилад- спектрограф або спектроскоп. Сканування в монохроматорах по l здійснюється , як правило , поворотом диспергуючого елемента 2 або допоміжними дзеркалами. У найпростіших конструкціях замість дифракційної гратки і призм застосовуються циркулярно - клинові світлофільтри з безперервною перебудовою вузької смуги пропускання або набори вузькосмугових світлофільтрів, що дають ряд дискретних відліків для різних l. На основі монохроматорів будуються однопроменеві і двопроменеві спектрометри. Для однопроменевих спектральних приладів (мал. 3) характерне послідовне з'єднання функціональних елементів. У разі вимірювання спектрів пропускання або відбиття зазвичай використовується вбудоване в спектральний прилад джерело суцільного спектру випромінювання; для вимірювання спектрів зовнішніх випромінювачів передбачаються відповідні освітлювачі.

2. Двопроменеві схеми характерні для спектрофотометрів . Розглянемо типові прилади групи 1. приймач випромінювання; У- підсилювач і перетворювач сигналів приймача; Р - аналоговий або цифровий реєстратор .

Рис . 3. Блок - схема однопроменевого одноканального спектрального приладу : І - джерело випромінювання; М - оптич. модулятор ( обтюратор ) ; С) - досліджуваний зразок; Ф - скануючий фільтр ( монохроматор ) ; П - фотоелектріч .

1.1 . Спектрометри високого дозволу для досліджень структури атомів і молекул спектрів являють собою стаціонарні лабораторні установки, що працюють за схемою , наведеною на рис. 3 . Їх довгофокусні (до 6 м) монохроматори поміщають у вакуумні корпуси ( для усунення атмосферного поглинання ) в віброзахищенних і термостабілізуючих приміщеннях. У цих приладах використовується 2 - і 4 -разова дифракція на великих ешелетах , застосовуються високочуттєві охолоджувані приймачі , що дозволяє досягати в спектрах поглинання значень R » 2 • 105 при l » З мкм. Для виявлення ще більш тонкої структури в схему вводять інтерферометри Фабрі - Перо, в яких брало сканування за l, в межах вузького діапазону виробляється зміною тиску в зазорі або величини зазору за допомогою пьезодвигунів , а щілинний монохроматор використовується лише для передачі вибору спектрального діапазону і розділення порядків інтерференції, які накладаються. Такі прилади називаються. спектрометрами Фабрі - Перо , вони дозволяють у видимій області отримувати R » 106

1.2 . Двопроменеві спектрофотометри (СФ) . У двопроменевих оптичних схемах потік від джерела розділяється на два пучки - основний і пучок порівняння (референтний) . Найчастіше застосовується двопроменева схема «оптичного нуля» (рис. 4) , що представляє собою систему з автоматичним . регулювання із зворотним зв'язком. При рівності потоків випромінювання в двох пучках , що проходять через зразок і фотометричний . клин К і поперемінно посилаються модулятором М на вхідну щілину монохроматора Ф , система знаходиться в рівновазі - клин До нерухомий. Зі зміною довжини хвилі при скануванні пропускання зразка міняється і рівновага порушується - виникає сигнал розбалансу, який посилюється і подається на сервомотор , керівник рухом клину і пов'язаним з ним реєстратором Р (самописцем). Клин переміщається до тих пір, поки вноситься ним ослаблення референтного потоку не компенсує ослаблення , внесеного зразком . Діапазон переміщення клину узгоджується зі шкалою (від 0 до 100%) реєстратора коефіцієнтом пропускання зразка

Рис . 4 . Схема « оптичного нуля » двопроменевого одноканального спектрофотометра : К - оптичний клин ; інші позначення аналогічні приведеним на мал. 3 . . багаточисленні . моделі СФ можна розділити на три основні класи : складні універсальні СФ для научних досліджень (Л = 103-104) , прилади СР класу (R » 103) і прості (« рутинні») СФ (R = 100-300) . У СФ 1 -го класу передбачена автоматичнна . зміна джерел , приймачів , що дозволяє охопити широкий спектральний. діапазон. Найбільш поширені прилади з діапазонами 0,19-3 , 2,5 - 50 і 20-330 мкм. Конструкції цих СФ забезпечують широкий вибір значень R , М , Dw , швидкостей і масштабів реєстрації спектрів розкладання об'єктів. Крім СФ , що працюють за схемою «оптичного нуля», існують прецизійні СФ , побудовані за схемою «електричні відносини». У них світлові пучки двопроменевого фотометра модулюються розкладеними частотами (або фазами) і відношення потоків визначається в електричній частині приладу . У конструкції спеціальних типів СФ вводять мікроскопи (мікроспектрофотометри), пристрої для досліджень спектрів флуоресценції (спектрофлуоріметри),дисперсії показника заломлення (спектрорефрактометри), вимірів яскравості зовн. випромінювачів в порівнянні з еталонним (спектрорадіометри). Автоматичні СФ є основними приладами для досліджень спектральник характеристик речовин і матеріалів та абсорбційного спектр ального. аналізу в лабораторіях.

1.3 . Однопроменеві нереєструючі спектрофотометри

 Зазвичай прості і відносно дешеві прилади для області 0,19-1,1 мкм , схема яких аналогічна наведеної на рис. 4 . Потрібна довжина хвилі в них встановлюється вручну ; зразок і еталон , щодо яких брало вимірюється пропускання або віддзеркалення , послідовно вводяться в світловий пучок. Відлік знімається візуально по стрілочному або цифровому приладу .

1.4 Спектрометри комбінаційного розсіювання можуть бути одинпроменевими і двопроменевими. Джерелом випромінювання в них зазвичай служать лазери, а для спостереження комбінації. частот і придушення фону, створюваного первинним випромінюванням, застосовуються подвійні і потрійні монохроматори , а також голографічні. дифракційні . решітки. У кращих приладах відношення фону до корисного сигналу знижено до 10-15 і комбінації. частоти можуть спостерігатися на відстанях порядку декылькох сантиметрыв - 1 від збудливою лінії.

1.5 . Швидкісні спектрометри ( хроноспектрометри ) 

Працюють за схемою , наведеною на рис. 4 , але на відміну від попередніх спектральних приладів. їх забезпечують пристроями швидкого цікліч . сканування і широкосмуговими (Dw до 107 Гц) приймально- реєструючими системами . Для досліджень кінетики реакцій сканування ведеться з малою шпаруватістю. Методом «біжучим щілини» : замість вихідної щілини у фокальній площині встановлюється швидко обертовий диск з великим числом радіальних прорізів . Таким способом одержують до 104 спектрів в 1 с. Якщо час життя об'єкта занадто малий застосовують більш швидке сканування обертовими дзеркалами , це призводить до великої шпаруватості і вимагає синхронізації початку процесу з моментом проходження спектру по щілині .