Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы измерений. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1617 / 3117 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 > Следующая >>>

принципу регистрации спектров - это приборы дисперсионные и интер-

приборы

решеткой

ференционные. На схеме рис. 61 представлены наиболее часто используемые типы спектральных приборов.

Фильтровые

Со стеклянными

С жидкостными

фильтрами

Дисперсионные

приборы

Приборы

с призмой

Приборы с

дифракционной

Интерференционные

приборы

Фурье-

спектрометры

СИСАМ'ы

Эталоны

С интерференционнополяризационными фильтрами

Растровые

спектрометры

Фабри-Перо

Мультиплексспектрометры

Адамар-

спектрометры

Рисунок 61 - Классификация спектральных приборов

Прежде чем рассматривать конкретные типы или классы спектральных измерительных приборов, имеет смысл кратко остановиться на основных факторах, определяющих метрологические характеристики спектрофотометров. Наиболее важные из них:

- светосила спектрального прибора. Это характеристика энергии

электромагнитного излучения в заданном спектральном интервале, попадающей в прибор и дающей вклад в формирование сигнала на фотоприемнике. Светосила определяется характером и размером

161

входной апертуры - диафрагма, растр, щель,- а также пропусканием прибора, которое определяется поглощением, отражением или рассеянием света на узлах и деталях прибора. К характеристикам, определяющим светосилу, относится и размер выходной апертуры. Это могут быть также диафрагма, растр или выходная щель;

-дисперсия спектрального прибора и разрешение, однозначно

связанное с дисперсией, а также с размерами спектрометра и схемой расположения его узлов. Дисперсия определяется либо по изменению угла отклонения луча света φ с изменением длины волны λ:

D ,

либо по измерению расстояния на выходе прибора между монохроматическими линиями, находящимися на расстоянии dλ:

λ=d

Чаще всего спектральные приборы характеризуют обратной линейной дисперсией:

- разрешающая сила или разрешающая способность спектрального

прибора определяют возможность прибора детально исследовать спектр. Разрешающая сила определяется как

=dR ,

Это безразмерная величина, равная отношению длины волны излучения к интервалу длин волн, равному наименьшему разрешаемому интервалу. Последний определяется по т. н. критерию Рэлея, суть которого состоит в том, что разрешенными спектральными линиями считаются две линии, у которых дифракционный максимум одной совпадает с дифракционным минимумом другой (рис. 62).

162

Рисунок 62 - К определению критерия Рэлея. Дифракционная

картина одиночной монохроматической спектральной линии:

b - линейный размер диафрагмы, ограничивающий ширину пучка

света; Е - освещенность спектральной линии на выходе прибора

Если линии имеют одинаковую интенсивность, то критерий Рэлея означает, что минимально разрешенными считаются две монохроматические линии, для которых провал между максимумами составляет не менее 0,8 от интенсивности каждого из максимумов.

- уровень рассеянного света в спектральном приборе

является основным источником систематических погрешностей в оптических измерениях. Рассеянный свет появляется вследствие переотражения пучков света, попадающего в прибор через входную апертуру, а также вследствие попадания света внутрь прибора через различные щели и отверстия. Именно уровень рассеянного света является параметром, ограничивающим возможности применения того или иного прибора. Борьба с рассеянным светом является причиной применения в приборах с дифракционными решетками диспергирующих элементов, изготовленных голографическими методами. То же самое относится и к приборам с двойной монохроматизацией, т. е. к приборам, в которых устанавливают либо две дифракционные решетки, либо призму и решетку, либо две призмы, либо фильтр и решетку. Использование двойной монохроматизации позволяет снизить уровень рассеянного света в спектральных приборах на 2~3 порядка.

163

Дифракционные спектральные приборы. В дисперсионных спектральных приборах в качестве элемента, разлагающего электромагнитное излучение в спектр по длинам волн, используются либо призмы, либо дифракционные решетки. В призмах для спектрального разложения реализуется зависимость показателя преломления вещества призмы от длины волны. В результате параллельный пучок света, пройдя призму, для разных длин волн отклонится на разные углы. Если выходящее излучение собрать в фокусе линзы, то свет различных длин соберется в разных местах. Теория дисперсии излучения на призме дает следующее выражение для угловой дисперсии:

−

2/SinA2

⋅

2/ASinn1

где А/2 - половина угла при вершине призмы (рис. 63); n показатель преломления вещества призмы; dn/dλ- дисперсия показателя преломления материала, из которого изготовлена призма.

Рис. 63 Ход лучей в призме : А — угол при вершине призмы;

Л — фокусная линза; K - красный участок спектра,

Ф - фиолетовый участок спектра

Разрешающая способность прибора с призмой зависит от линейного размера основания призмы Т (см. рис. 63):

TR ,

λ⋅=d

Существуют самые разнообразные варианты призм. Призмы изготовляют не только из стекла и других твердых прозрачных материалов, но и из жидкостей и даже из газов. Для реализации последнего из плоскопараллельных пластинок изготавливают

164

стеклянные кюветы, имеющие в сечении форму треугольника.

λ=ψ−ϕ=∆

Помещая внутрь такой кюветы различные газы, можно изменять характеристики диспергирующего элемента.

Дифракционная решетка как диспергирующий элемент представляет собой либо структуру с периодическим чередованием прозрачных и не прозрачных участков, либо отражающую зеркальную поверхность, на которую нанесены штрихи также с периодическим чередованием. Принцип действия решетки легко понять, рассмотрев интерференцию плоских волн, испытавших дифракцию на щелях решетки. Интерференция двух лучей, исходящих от соседних щелей, даст максимумы интенсивности для геометрической разности хода ∆ на рис. 64 равной целому числу волн излучения, т. е.:

k)SinSin(t

где t - расстояние между соседними штрихами решетки, φ — угол падения пучка света, отсчитанный от нормали; ψ — угол дифракции; k — порядок спектра. Последнее означает, что максимумы интенсивности спектра, образованного дифракционной

решеткой, будут наблюдаться для ∆1 = k1λ, ∆2 = К2λ.... ∆n = kпλ.

Нулевой порядок при К = 0 будет для всех длин волн наблюдаться одним углом (на рис. 64 φ = ψ).

Рис. 64. К формуле дифракционной решетки

Для наблюдения спектра в приборе с дифракционной решеткой необходимо собрать параллельный пучок дифракционных лучей в фокусе линзы.

165

Теория дифракционной решетки позволяет определить основные

параметры прибора с таким диспергирующим элементом. Разрешающая способность дифракционной решетки в первом порядке равна полному числу штрихов на заштрихованной поверхности, т. е.

R ==

= ,

Дифракционные решетки изготавливают с постоянной решетки 1/t, равной 300, 600, 1200, 2400, 3600 штрихов на миллиметр. Для инфракрасной области используют решетки с меньшим числом штрихов и с профилированной формой штриха, позволяющей концентрировать излучение в определенном диапазоне длин волн.

Дисперсия дифракционной решетки равна

Cos

ψ−ϕ

SinSin

ϕ⋅λ

D ,

tCos

т. е. при заданных углах падения и дифракции угловая дисперсия решетки не зависит от ее постоянной t.

Рисунок 65 - Круг Роуланда с вогнутой сферической дифракционной

решеткой: Щ - входная щель; DP - дифракционная вогнутая

решетка; С - спектр

В спектральных приборах с дифракционными решетками используют разнообразные типы периодических структур. Первые дифракционные решетки изготавливались в виде проволочек, намотанных на два параллельных винта. Современные решетки могут быть изготовлены больших размеров (до 500 мм). Существуют делительные машины, позволяющие наносить до 106 штрихов с профилированием формы

166

штриха. Штрихи можно наносить не только на плоское зеркало, но и на

вогнутую или тороидальную поверхность. Вогнутые дифракционные решетки позволяют получать сфокусированное изображение спектра без использования фокусирующей оптики. Вогнутая решетка фокусирует изображение щели на плоскости цилиндра радиусом, равным радиусу кривизны решетки, так называемом «круге Роуланда» (см. рис. 65).

Если нанести дифракционную решетку на поверхность тора, то, подобрав соответствующим образом радиусы кривизны тора, можно значительно уменьшить искажения изображения (аберрации) входной щели в плоскости изображения.

В современных спектральных приборах с дифракционными решетками уменьшение аберраций достигают также за счет изменения шага нарезки. Это позволяет изготавливать малогабаритные светосильные приборы с очень высоким качеством спектра.

Спектральные приборы в основном строятся по схеме, изображенной на рис. 66.

Рисунок 66 - Схема дисперсионного спектрального прибора:

Щ1 — входная щель: Л1, Л2 — линзы; Щ2 — выходная щель,

DЭ - диспергирующий элемент-призма или дифракционная решетка

Излучение от источника электромагнитного излучения фокусируется на входную щель Щ1, которая расположена в фокусе объектива Л1, создающего параллельный пучок света. Диспергирующий элемент-призма или дифракционная решетка отклоняют излучение различных длин волн под разными углами. Выходная щель Щ2 выделяет из спектра нужный участок длин волн.

167

В реальных спектральных приборах линзы могут заменяться зеркалами, а в приборах с вогнутыми дифракционными решетками фокусирующие элементы Л, и Л2 вообще отсутствуют.

Для того чтобы спектральный прибор мог использоваться как измерительное устройство, регистрирующее спектральную освещенность или спектральную яркость, за выходной щелью необходимо установить регистрирующий узел. В зависимости от того, какого типа регистрирующееся устройство используются в конкретном случае спектральные приборы и подразделяются на следующие типы:

- спектроскопы - приборы с визуальным контролем спектра

излучения источника света;

- спектрографы - приборы с фотографической регистрацией

или с регистрацией так называемой диодной линейной, т. е. системой из множества узких, шириной около 0,1 мм, фотодиодов, расположенных в виде линейки. Это позволяет организовывать одновременную регистрацию всего спектра с записью сигналов в запоминающееся устройство, например, в компьютер;

- монохроматоры - приборы, выделяющие излучение на

определенной длине волны;

- полихроматоры - приборы, выделяющие излучение на

нескольких длинах волн;

- квантометры - приборы, позволяющие регистрировать

большое число спектральных линий, как правило, соответствующих излучению спектров элементов периодической системы Менделеева.

В качестве регистрирующих элементов в монохроматорах, полихроматорах и в квантометрах применяются первичные преобразователи с внутренним фотоэффектом - фотодиоды, фотоэлементы, - а также - с внешним фотоэффектом - вакуумные фотоэлементы, фотоумножители.

Основными преимуществами дисперсионных спектральных приборов является высокая разрешающая способность по длинам волн, которая в реальных схемах может сочетаться с низким уровнем рассеянного света. К недостаткам в первую очередь следует отнести невысокую в сравнении с фильтровыми или интерференционными

168

приборами светосилу, как следствие того, что входная щель вырезает из изображения источника света только малую часть.

Для повышения светосилы дисперсионных спектральных приборов в ряде случаев вместо одной входной щели устанавливается растр со многими элементами, состоящими из прозрачных и непрозрачных полос и точек, расстояния между которыми соответствуют расположению растровых элементов и на выходе прибора. Такие приборы называют растровыми. Использование растров вместо щелей в спектральных приборах позволяет увеличить светосилу спектрального прибора в несколько раз.

Фильтровые спектральные приборы. В тех случаях, когда спектрофотометры предназначаются для регистрации излучения на одной, фиксированной на все время эксплуатации, длине волны или в тех случаях, когда не предъявляется высоких требований к спектральному разрешению приборов, в качестве элементов, обеспечивающих выделение определенного спектрального диапазона, используются светофильтры.

Светофильтрами, или просто фильтрами, называют оптические элементы, изменяющие спектральный состав излучения, не изменяя формы фронта световой волны, падающей на фильтр. Основная характеристика светофильтра - его пропускание Тλ = Фλ/ФО, где Ф0- падающий на фильтр световой поток и Фλ — прошедший через фильтр поток. Наряду с пропусканием фильтр часто характеризуют его оптической плотностью, определяемой как

lgD .

Фильтры называют нейтральными, или серыми, если их оптическая плотность не зависит от длины волны, т. е. постоянна по всему спектру, а фильтры с широкой полосой пропускания широкополосными. Фильтры с узкой полосой называют монохроматическими.

Фильтры, используемые в спектрофотометрах, можно подразделить на абсорбционные, отражающие, дисперсионные, интерференционные и интерференционно-поляризационные.

169

Абсорбционные фильтры представляют собой

(

)

твердотельные, жидкостные и газовые среды, поглощающие электромагнитное излучение в определенных областях. Для таких фильтров пропускание зависит от коэффициента поглощения материала фильтра Кλ и от коэффициента отражения света поверхностями фильтра (Rλ).

λ−

10R1T

−= ,

λλ

где l - толщина поглощающего слоя фильтра. Твердотельные абсорбционные фильтры изготавливают из стекла, из различных кристаллов. Жидкостные и газовые фильтры делают в виде кювет, наполняемых растворами или газами, селективно пропускающими свет в той области спектра, в которой должен работать спектральный прибор.

В отражающих фильтрах используется свойство большинства металлов селективно отражать падающее электромагнитное излучение. Селективные отражающие фильтры могут быть получены нанесением на подложку чередующихся тонких слоев с высоким и низким показателем преломления. Оптическая толщина каждого слоя выбирается равной λ/4. Отраженные от границ раздела слоев пучки света оказываются синфазными что приводит к значительному повышению коэффициента отражения таких зеркал для определенной длины волны.

Дисперсионные фильтры основаны на дисперсии света — зависимости показателя преломления от длины волны. Одна из конструкций такого типа является кюветой, наполненной порошком из прозрачного материала. В кювету заливается жидкость, подобранная так, чтобы для определенной длины волны показатели преломления жидкости и порошка совпадали. Тогда кювета оптически однородна для лучей этой длины волны, но рассеивает излучение других длин волн. Такие фильтры могут изменять длину волны максимума пропускания. Это достигается изменением показателя преломления жидкости, либо добавлением другой компоненты, либо изменением температуры. На рис. 67 приведены показатели преломления 10% раствора сероуглерода в бензине и боросиликатного стекла, которое используется в виде порошка. Такое сочетание компонентов дисперсионного фильтра позволяет выделять видимую

170

<<< < Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1617 / 3117 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]