3.5. Спектральные приборы.

Задача спектрального прибора — разложение падающего на него излучения на монохроматические составляющие. В большинстве прибо­ров такое разложение осуществляется с помощью диспергирующего эле­мента — призмы или дифракционной решетки, которые различным обра­зом отклоняют пучки света различных длин волн.

Простейшая схема спектрального прибора с призмой изображена на рис. 3.8. Свет от щели S, освещенной изучаемым источником, образует параллельный пучок, для чего служит коллиматорный объектив L₁. После преломления в призме Р пучки света разных длин волн фоку­сируются камерным объекти­вом L₂ на поверхности Q, где получается ряд монохроматиче­ских изображений щели S.

Классификация. Спектральные приборы принято различать по обла­сти спектра, для которой они предназначены, например: инфракрасные, ультрафиолетовые, а также по типу диспергирующего элемента: приз- менные приборы, приборы с дифракционной решеткой. В зависимости от способа регистрации спектра они разделяются на спектрографы (поверх­ность Q монохроматических изображений щели совмещается с фотоэмуль­сией), спектроскопы (спектр рассматривается глазом с помощью оку­ляра), монохроматоры (из спектра второй щелью выделяется интересую­щий нас участок) и фотоэлектрические приборы (фотоэлектрическая регистрация спектра). Сейчас существует ряд систем различных фото­электрических приборов, известных под наименованиями квантометры, фотоэлектрические стилометры, квантоваки и т. Д.

Не вдаваясь в детали конструкций отдельных приборов, перейдем к рассмотрению устройства их главных элементов.

Спектрограф ИСП-51.

Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом.

Прибор ИСП-51, а также приборы ИСП-51 А и ИСП-53 представляют собой трехпризменные спектрографы со стеклянной оптикой.

Рис. 3.8 Оптическая схема спектрографа ИСП-51.

1 - щель, 2 - объектив коллиматора, 3 - трехпризменная диспергирующая система постоянного отклонения, 4 - камерный объектив, 5 - фокальная плоскость.

Все три прибора используют одну и ту же призменную систему, состоящую из двух одинаковых 60°-х призм и одной призмы постоянного отклонения (рис. 3.8). Как легко понять, при таком расположении призм луч, идущий в условиях минимального отклонения, будет повернут на 90° по отношению к падающему лу­чу, что делает применение этой призменной системы очень удоб­ным при конструктивном офор­млении прибора. Для изменения длины волны центрального лу­ча призмы поворачиваются. Вращение всех трех призм со­гласовано и осуществляется от одного привода. Призмы сде­ланы из просветленного флинта и позволяют использовать об­ласть спектра от 4000 до 10 000 А. С целью уменьшения количества рассеянного света и увеличения светосилы оптика спектрографа просветлена. Просветляющее покрытие, по-видимому, наиболее эффективно в области 4500 А. Спектрограф ИСП-51 первоначально предназначался для исследований спектров комбинационного рассеяния, но в его комплекте имеются необходимые детали для применения прибора в эмиссионном спектральном анализе. В комплект каждого из приборов вхо­дят две камеры с фокусными расстояниями 120 и 270 мм и соответственно относительными отверстиями 1/2,3 и 1/5,5. Коллиматор прибора имеет фокусное расстояние 304 мм. Кроме того, эта же призменная система может быть снабжена камерой УФ-84 с фокусным расстоянием 800 мм. С этой камерой применяется коллиматор УФ-61 с фокусом тоже 800 мм. Длиннофокусная камера применяется для получения большей линейной дисперсии, так как с короткофокусными камерами разрешающая способ­ность призм используется лишь частично.

Для еще большего увеличения дисперсии предназначена автоколлимационная камера с фокусом 1300 мм, которая применяется в спектро­графе ИСП-51 А. К спектрографу ИСП-51 выпускается фотоэлектрическая приставка ФЭП-1.

Назначение приставки — запись спектров комбинационного рассеяния. Она состоит из камерного объектива с выходной щелью, за которой поме­щается фотоумножитель с усилителем постоянного тока, сигнал с которого- подается на самописец, а также блока питания всего устройства. Непосред­ственно для задач спектрального анализа эта приставка может быть исполь­зована только в отдельных случаях.

Рис. 3.9 Спектроскоп.

Спектроскоп (от спектр и др.-греч. Σκοπέω — смотрю) — оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения.  Используется для быстрого качественного спектрального анализа веществ в химии, металлургии (например, стилоскоп) и т. Д. Разложение излучения в спектр осуществляется, например, оптической призмой. С помощью флуоресцентного окуляра визуально наблюдают ультрафиолетовый спектр, с помощью электронно-оптического преобразователя — ближнюю инфракрасную область спектра.

Часто под термином спектрометр понимают специализированное устройство, например, предназначенное для определения интенсивности заданного числа спектральных линий, часто автоматизированное, а под термином спектроскоп — настольный прибор, позволяющий вручную просматривать различные участки спектра.

Существуют различные разновидности спектрометров, такие как портативный спектрометр, рентгено-флуоресцентный спектрометр, оптический.

Рис. 3.9 Устройство спектроскопа.

На рисунке (3.9.а) показано устройство спектроскопа. В спектроскопе свет от исследуемого источника (1)направляется на щель (2) трубы (3), называемой коллиматорной трубой. Щель выделяет узкий пучок света. На втором конце коллиматорной трубы имеется линза, которая расходящийся пучок света преобразует в параллельный. Параллельный пучок света, выходящий из коллиматорной трубы, падает на грань стеклянной призмы (4). Так как показатель преломления света в стекле зависит от длины волны, то параллельный поэтому пучок света, состоящий из волн разной длины, разлагается на параллельные пучки света разного цвета, идущие по разным направлениям. Линза (5) зрительной трубы фокусирует каждый из параллельных пучков и дает изображение щели в каждом цвете. Разноцветные изображения щели образуют разноцветную полосу — спектр(6).

Стилоскопы и стилометры.

Стилоскопами называются спектроскопы, специально приспособленные для целей спектрального анализа. Отече­ственная промышленность выпускала и выпускает ряд приборов этого типа. Диспергирующая система стилоскопов обычно состоит из трех стек­лянных призм, фокусное расстояние коллиматора 150—200 мм. Фокусное расстояние объектива зрительной трубы иногда выбирается больше фокус­ного расстояния коллиматора.

Спектр рассматривается с помощью окуляра десяти — двадцатикрат­ного увеличения. Примеры оптических схем стилоскопов даны на рис. 3.10 и 3.11. Перемещение вдоль направления дисперсии осуществляется либо передвижением окуляра, либо вращением призменной системы. Диспер­сия достаточна, чтобы можно было ориентироваться в довольно сложных спектрах железа и сталей. В средней части спектра разрешаются линии, отстоящие на 0,3—0,5 А друг от друга. Если стилоскоп снабжен приспособлением для сравнения интенсивностей двух спектраль­ных линий, то он называется стилометром. Фотометрия осуществляется либо с помощью поляризационного устройства, либо с помощью клинооб­разного фильтра, ослабляющего одну из сравниваемых линий.

Рис. 3.10 Оптическая схема автоколлимационного стилоскопа.

1 - щель, 2 - объектив, 3 - призмы, 4 - поворотная призма, 5 - отрицательная линза, 6 - окуляр.

Рис. 3.11 Оптическая схема стилоскопа СЛ-3.

1 - защитная стеклянная пластинка перед щелью, 2 - щель, 3,4,5 и 6 - диафрагмы, задерживающие рассеянный свет, 7 - объектив коллиматора, 8 - призма полного внутреннего отражения, 9 - диспергирующая система, состоящая из трёх призм, 10 - объектив зрительной трубы, 11 - внутренняя линза окуляра, 12 - наружная глазная линза.