Лабораторный практикум / 2-ая физическая лаборатория / Оптика / 12 - Фокусировка спектрографа / 12 - Фокусировка спектрографа

Лабораторная работа ¹12

Фокусировка спектрографа.

СПЕКТРОГРАФ Прежде, чем выполнить работу, необходимо ознакомиться с устройством

спектрографа и его основными характеристиками (дисперсия, светосила, разрешающая способность, нормальная ширина щели), а также знать, как правильно осветить щель спектрографа (т.е. получить нужное увеличение изображения источника и заполнить спектрограф светом). Наиболее распространенные оптические схемы призменных спектрографов даны в настоящем описании. Конструкция и оптическая схема спектрографа ИСП-51 и искрового штатива, используемых в настоящей работе, даны в руководстве, которое выдается в лаборатории.

ФОКУСИРОВКА СПЕКТРОГРАФА Во всяком призменном спектрографе должны быть соблюдены следующие

условия:

1.На призму должен падать параллельный пучок света.

2.Щель должна быть параллельна преломляющему ребру призмы.

3.Оптические оси коллиматора и камеры должны проходить через одно и то же главное сечение призмы.

4.Лучи должны проходить через призму симметрично, т.е. в условиях наименьшего отклонения. В некоторых случаях этой установкой пренебрегают

ñцелью увеличения угловой дисперсии прибора.

5.Поверхность эмульсии фотопластинки должна быть совмещена с поверхностью, на которой расположен спектр.

При соблюдении этих условий астигматизм имеет наибольшую величину и четкость спектров наилучшая.

Во всех спектрах призма уже установлена в соответствии с требованиями 2,3,4 и трогать ее не следует.

Для того чтобы на призму падал параллельный пучок света, щель должна быть точно установлена в фокальной плоскости линзы коллиматора. В нашем спектрографе это уже сделано. (См., например, “Практикум по спектроскопии” под редакцией проф. Л.В.Левина, изд. МГУ, 1976 г, гл.1, §3, задача ¹ 1 в §§ 1-3, стр. 8-23, или “Техника и практика спектроскопии” Ф.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский, изд. “Наука”, 1976 г, главы 3-4, §1,7.

Таким образом, задача фокусировки сводится к совмещению поверхности, на которой расположен спектр, с поверхностью эмульсии фотопластинки, т.к. эта поверхность изогнута, а в нашем спектрографе кассета плоская, то ни при каком положении кассеты ее невозможно совместить с поверхность эмульсии фотопластинки.

Следовательно, максимально резкое изображение можно получить лишь для ограниченного участка спектра, лежащего в той части фокальной плоскости, которая при взятом положении кассеты соприкасается с плоскостью эмульсии.

Прежде чем приступить к фокусировке, следует установить источник света

1

Лабораторная работа ¹12

на оси коллиматора спектрографа.

На щель коллиматора надевается юстировочная крышка с крестообразной маркой. Искровой штатив ставится непосредственно перед щелью и устанавливается так, чтобы середина промежутка между электродами совпадала с центром креста. Сняв юстировочную крышку, и широко открыв щель спектрографа, отодвигают искровой штатив и зажигают искру. Помещая глаз на расстоянии 30 см или дальше от центра отверстия камеры, можно видеть изображение источника, окрашенное в различные цвета. Источник необходимо установить так, чтобы его изображение находилось точно в середине объектива камеры, в этом случае источник будет стоять приблизительно на оси коллиматора. Затем нужно установить на оси коллиматора осветительную линзу и улучшить установку источника.

Удобнее всего это сделать, наблюдая попеременно уменьшенное и увеличенное изображение источника на крышке щели и каждый раз совмещая его с центром креста. При уменьшенном изображения надо установить линзу, а при увеличенном – исправлять положение источника. Эти операции следует повторять до тех пор, пока изображение источника не перестанет смещаться с центра креста, при перемещении линзы вдоль рельса.

Окончив юстировку осветительной линзы и источника, надо установить их на таких расстояниях от щели, чтобы на ней получилось изображение источника в натуральную величину или увеличенное (при уменьшенном изображении околополюсные эффекты в источнике могут привести к появлению линий разной высоты и разной ширины). При этом коллиматор спектрографа должен быть заполнен светом, глаз, помещенный вблизи прореза камеры, будет видеть объектив камеры, полностью и равномерно освещенным каким-либо цветом, который фокусируется в этой точке.

Необходимость тщательной установки источника света на оси коллиматора и такой установки осветительной линзы, при которой оптика целиком заполняется светом, обусловлена тем, что в этом случае полностью используется светосила спектрографа, т.е. экспозиции будут минимальны.

Всякая фокусировка делается при узкой щели спектрографа, однако, сужать щель целесообразно только до некоторого предела – до нормальной ширины щели. При ширине щели, близкой к нормальной, уменьшение ширины линий начинает отставать от уменьшения ширины щели, при ширине щели меньше нормальной – сужение щели не вызывает уменьшение ширины линии, но очень быстро начинает падать яркость линии. Это объясняется тем, что начинает заметно сказываться дифракция света на объективах и призме спектрографа.

Таким образом, необходимо установить такую ширину щели, при которой линии спектра будут максимально узкими и яркими.

Перед щелью нужно вставить диафрагму, оставляющую открытой среднюю часть щели так, чтобы на щель проектировалась средняя часть изображения источника. Если на щель будет падать изображение электродов, то в спектре может появляться сплошной спектр.

2

Лабораторная работа ¹12

При фотографировании мы будем пользоваться пластинками, чувствительными к зеленому и синему цветам, поэтому, вращая барабаны призмы, нужно поставить его на длинноволновый край поля зрения – область 5500-5800 ангстрем (зеленая область спектра).

В целях экономии времени и фотоматериалов рекомендуется сначала сфокусировать спектрограф визуально, а затем более точно – фотографически. Для визуальной фокусировки пользуются проявленной фотопластинкой и лупой в оправе. Прежде всего, нужно совместить фокальную плоскость лупы с плоскостью эмульсии пластинки, поставив лупу на пластинку со стороны стекла, фокусируют ее на зерна эмульсии. Вставляют открытую кассету вместе с пластинкой (эмульсией внутрь) в спектрограф, ставят на пластинку лупу и передвигая объектив камеры (не меняя фокусировки лупы), добиваются наилучшей резкости спектральных линий, расположенных в средней части прорези камеры. Указатель поворота камеры должен при этом стоять в среднем положении. Эту операцию следует проделать несколько раз, каждый раз записывая соответствующее положение барабанчика объектива камеры.

Лупа, которой мы пользовались, не ахроматизирована, это может несколько исказить полученный результат, поэтому фокусировку объектива камеры нужно проверить фотографически. Для этого сначала надо выбрать экспозицию съемки, для чего делают несколько снимков с различными экспозициями (5”,10”, 20”, 30”, 40”), при положении объектива, выбранном визуальной фокусировкой. При этом лучше передвигать кассету через половину деления и пользоваться небольшим кусочком пластинки. Выбрав экспозицию, нужно сделать ряд снимков, передвигая объектив камеры около найденного ранее положения через одно или половину деления лимба, в зависимости от качества первого снимка. При этом необходимо так рассчитать перемещение кассеты, чтобы объектив передвигался все время в одном направлении, иначе будет трудно выбрать лучший снимок. Например, если визуально максимальная резкость получилась в положении “10”, следует делать снимки через каждые 0,5 деления, начиная от 6 и кончая 14 (это потребует 14 снимков).

Если положение объектива было выбрано удачно, то на пластинке должна получиться так называемая вилка, т.е. резкость линий центральной части спектра ухудшается по обе стороны от оптимальной установки, если же резкость линий ухудшается в одну сторону, то снимок следует повторить, изменяя положение объектива около положения, которому соответствует наиболее резкий центральный участок спектра на первой пластинке.

Выбрав оптимальное положение объектива камеры, мы, вообще говоря, еще не достигли одинаковой резкости по всему спектру, а только найдем лишь линию пересечения фокальной поверхности камеры с плоскостью эмульсии.

Теперь надо выбрать, при данном положении объектива, такой наклон кассеты, при которой линии будут иметь одинаковую резкость по всему спектру. Предварительно это надо сделать визуально, опять пользуясь лупой и проявленной пластинкой. Выбрав соответствующий поворот кассеты, проверяют

3

Лабораторная работа ¹12

этот выбор фотографически, делая опять ряд снимков при различных поворотах (через 0,5 деления). На последнем снимке должен быть спектр, пригодный для измерений, этому спектру будет соответствовать некоторое положение РР, указанное на рисунке 1.

ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ ДИСПЕРСИИ Линейная дисперсия прибора определяется, как известно, величиной

длинами волн λ i è λ k . Вместо линейной дисперсии на практике, как правило,

0

употребляется обратная ей величина Lik , которая выражается в Amm è òîæå, ê

сожалению, называется дисперсией.

Средняя линейная дисперсия спектрографа в интервале длин волн от λ i äî λ k

ãäå li è lk - координаты, соответствующие линиям с длинами волн λ i è λ k . Найденное значение дисперсии тогда будет относиться к некоторой средней

Для вычисления значений дисперсии надо отождествлять линии полученного спектра с линиями атласа спектра железа и измерить величины li è lk с помощью измерительного микроскопа.

При вычислении дисперсии надо выбирать λ i è λ k так, чтобы * был порядка 0,5 мм, а интервалы между точками, в которых определяется дисперсия (т.е.

0

между λ i è λ k ) порядка 100A . Если взять очень большие интервалы между линиями, то получится слишком грубое усреднение, при малых интервалах

4

Лабораторная работа ¹12

Ðèñ. 2.

ρ - источник света, 1 - осветительная линза, 2 - щель, 3 - объектив коллиматора, 4 - призма, 5 - объектив камеры, 6 - фотопластинка.

сам интервал будет измерен не точно. Из этих соображений и выбран порядок рекомендуемой величины интервала в 0,5 мм.

Определив 12-15 значений Λ (i,k) , строят кривую дисперсии спектрографа, откладывая по оси абсцисс длины волн λ ik , а по оси ординат соответствующую линейную дисперсию. Принципиальная схема спектрографа дана на рис.2.

Во многих спектрографах и монохроматорах используется призма Аббе (рис.3).

"#

!

!

'

Ðèñ.3.

Призма постоянного отклонения (призма Аббе) устроена так, что луч, идущий в условиях наименьшего отклонения, выходит из призмы всегда перпендикулярно входящему лучу.

Устройство этой призмы легко понять из рисунка 3, на котором призма Аббе условно разделена на 3 призмы, из которых средняя А является призмой

полного внутреннего отражения, поворачивающей луч на 900 , В и С – тридцатиградусные призмы.

Схема монохроматора спектрографа МС-2 с применением призмы Аббе дана на рис. 4.

5

Лабораторная работа ¹12

O

Ðèñ.4.

K

Большую дисперсию дает диспергирующая система, собранная по схеме Фестерлинга (рис. 5).

"

!

#

Ðèñ.5.

Здесь, 1- щель спектрографа, 2 – ахроматический объектив коллиматора. Диспергирующая система состоит из трех призм (3, 4, 5) собранных по схеме Фестерлинга. Взаимное расположение призм и их взаимное движение обеспечивают прохождение в минимуме луча любой длины волны, идущей по оптической оси камеры, и отклонение его на постоянный угол 900 по отношению к оси коллиматора. Две из этих призм (3 и 4) трехгранные с преломляющим

углом 630 , средняя – призма Аббе с эквивалентным преломляющим углом 630 , 6 и 7 – ахроматические объективы камеры. Такая конструкция обеспечивает высокие качества спектра и плоское поле.

6

Лабораторная работа ¹12

ЗАДАНИЕ

1.Отъюстировать осветительную систему и заполнить апертуру прибора светом.

2.Выбрать и установить ширину щели.

3.Сфокусировать камерную часть спектрографа.

4.Расшифровать спектрограмму по атласу и промерить ее на измерительном микроскопе ÌÈÐ-12.

5.Построить кривую обратную дисперсии прибора.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

1.Представить пластинку окончательной фокусировки прибора.

2.Дать оптическую схему установки с указанием апертуры пучков и расчетом, подтверждающим правильность установки осветительной системы.

3.Проверить выбранную оптимальную ширину щели ее расчетом для средней части спектра, исходя их величины светосилы прибора.

4.Дать таблицу измерения дисперсии с указанием погрешности ее измерения.

5.Представить график зависимости обратной дисперсии от длины волны, на графике указать погрешность измерений.

6.Указать положение объектива и поворота камеры при визуальной и фотографической фокусировке спектрографа.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Пусть на рис.6 O2 - объектив спектрографа, Р – положение фотопластинки, АВ – положение спектра. В самом общем случае эти две плоскости не совмещены и даже не параллельны друг другу. Таким образом, необходимо осуществить две операции:

1. Передвинуть фотопластинку вдоль камеры.

P B

O

A

Ðèñ.6.

7

Лабораторная работа ¹12

2. Повернуть пластинку на некоторый угол вокруг вертикальной оси.

В спектрографе ИСП-51 ось вращения пластинки проходит через плоскость пластинки в ее середине, где оптическая ось камеры пересекает пластинку. В этом случае фокусировка производится в два этапа.

I этап – фокусировка положения спектра. Перемещение плоскости спектра параллельно себе самой достигается перемещением объектива камеры. Так как наперед может быть неизвестно взаимное расположение плоскостей спектра и пластинки, то разбивают весь интервал перемещения объектива на несколько частей (5-7) и для этих положений фотографируют спектры. Чтобы на пластинке разместить возможно большее количество спектров, целесообразно высоту щели ограничить специальной диафрагмой. Для каждого такого снимка плоскость спектра перемещается относительно фотопластинки и занимает последовательно ряд положений, показанных пунктиром на рис.6, пересекая плоскость пластинки в различных точках (ф, б, в, г, д, е). После проявления пластинки, мы рассматриваем полученные спектры, резкая картина спектральных линий будет получаться в каждом спектре в каком-то одном месте, последовательно перемещаемся вдоль спектра, когда мы будем переходить от одного спектра к другому. Выбираем такой спектр или два-три такие спектра, для которых резкие участки будут расположены около средней части спектра (примерно в середине пластинки), где оптическая ось камеры пересекает фотографическую пластинку. Зная положение фокусировочного механизма для этих спектров, находим, таким образом, некоторый узкий участок шкалы, соответствующий фокусировочному положению для середины пластинки. Кроме того, из этой пластинки можно найти величину поправки наклона пластинки. Пусть (рисунок 7) для двух положений А и В объектива O2 плоскость спектра находится в А’ и В’, пересекая пластинку РР’ в точках а и в.

В этих точках имеем участки спектра с резкой фокусировкой. Обозначим

b′

O

P

A′

Ðèñ.7.

Определение поправки наклона кассета.

8

Лабораторная работа ¹12

перемещение АВ объектива O2 через d , эта же величина дает расстояние вв’ между соответствующими положениями спектра. Обозначим l расстояние ав на пластинке между участками резкой фокусировки для снимков, сделанных в положение объектива А и В, необязательно, чтобы это были два соседних снимка, их можно взять через один или более снимков. Схема (рис.7) дает путь вычисления величины ∆ ε поворота пластинки по направлению стрелки.

Действительно, из треугольника всв’ находим: b′c = bb′sin ε = d sin ε . Считая

Для двух спектров спектрографа ИСП-22, отличающихся тем, что объектив камеры передвинут ближе к пластинке на 3 мм, имеем l=50 мм – расстояние

между участками резкой фокусировки, угол ε = 420 α . В этом случае

ε = 3 0,66 =

50

0,04 в радиальной мере или 2,30 . На эту величину надо Легко видеть,

что при приближении объектива к пластинке, резкий участок спектра смещается в длинноволновую часть спектра, то надо правый край кассеты приблизить к объективу. Таким образом, 1 фокусировочная пластинка позволяет найти:

1.Узкий интервал перемещений объектива для резкой фокусировки.

2.Поправку наклона кассеты.

II этап фокусировки.

Исправляют наклон кассеты в соответствии с найденной поправкой ∆ ε . Узкий интервал перемещений объектива делят на более мелкие. Соответствующие остроте фокусировки данного спектрографа, и для каждого интервала снова фотографируют спектры. Снова рассматривают полученные спектры. Здесь мы находим точное фокусировочное положение для середины пластинки и можем убедиться, насколько правильно установлен наклон кассеты.

9