Физическая энциклопедия - спектральные приборы

приборы для исследования в оптич. диапазоне (10-3-103 мкм; (см. СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКИЕ)) спектр. состава эл.-магн. излучений по длинам волн, нахождения спектр. хар-к излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа. С. п. различаются методами спектрометрии, приёмниками излучения, исследуемым (рабочим) диапазоном длин волн и др.

хар-ками. Принцип действия большинства С. п. можно пояснить с помощью имитатора, изображённого на рис. 1. Форма отверстия в равномерно освещённом экране 1 соответствует ф-ции f(l), описывающей исследуемый спектр распределение энергии излучения по длинам волн К. Отверстие в экране 2 соответствует ф-ции а(l-l'), описывающей способность С.

п. выделять из светового потока узкие участки dl в окрестности каждой l'. Эту важнейшую хар-ку С. п. наз. функцией пропускания или аппаратной функцией (АФ), dl её ширина. Процесс измерения спектра f(l) прибором с АФ а(l-l') можно имитировать регистрируя изменения светового потока, проходящего через отверстие при перемещении (сканировании) экрана 2 относительно экрана 1.

Результат F(l) измерений исследуемого спектра f(l)прибором с АФ а(l-l') описывается интегралом: F(l)=?a(l-l')/(l)d(l), наз. свёрткой ф-ции f с ф-цией а. Чем меньше ширина dl ф-ции а(l-l'), тем точнее прибор передаёт истинный контур f(l). Тождество F(l)?f(l) достигается лишь при бесконечно узкой АФ. Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по способам разделения длин волн.

Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном l осп. хар-ка С. п., она определяет спектральное разрешение dl и спектральную разрешающую способность R = l/dl. Чем шире АФ, тем хуже разрешение (и меньше R), но больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптич. сигнал и отношение сигнала к шуму (М). Шумы в общем случае пропорциональны ?(Dw) полоса пропускания приёмного устройства).

п. и накладывает ограничения на величины R, М, Dw. Кроме того, возможные значения R ограничиваются дифракцией света, аберрациями оптических систем, а значения Dw инерционностью приёмно-регистрирующей части приборов. Рассмотренный принцип действия С. п. относится к одноканальным методам спектрометрии. В распространённых наряду с ними многоканальных методах сканирование не применяется, и излучения различных l регистрируются одновременно.

Это соответствует наложению на экран 1 неподвижного экрана с вырезанными N контурами АФ для разных l при независимой регистрации потоков от каждого отверстия (канала). Общая классификация методов спектрометрии, являющихся основой для разл. схем и конструкций С. п., осуществляется по двум осн. признакам числу каналов и физ. методам выделения X в пр-ве или времени (рис.

2). Исторически первыми и наиболее распространёнными явл. методы пространственного разделения X (селективной фильтрации), к-рые наз. классическими (группы 1 и 2). В одноканальных С. п. (группа 1) исследуемый поток со спектром f(l) посылается на спектрально-селективный фильтр, к-рый выделяет из потока нек-рые интервалы 6Х в окрестности каждой l' и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование спектра во времени t по нек-рому закону l'(t).

приёмниками потоки излучения разных длин волн l', l", l "', . . ., к-рые выделяют, напр., набором узкополосных фильтров или многощелевыми монохроматорами (полихроматорами). Если расстояние между каналами не превышает dl и число каналов N достаточно велико, то получаемая информация аналогична содержащейся в записи спектра на сканирующем одноканальном приборе (при тех же dl, одинаковых приёмниках и пр.

Сканирование l'(t) производится перестройкой модулятора т. о., чтобы различные l последовательно модулировались частотой w0. Выделяя составляющую w0 в сигнале приёмника с помощью электрич. фильтра, получают ф-цию времени F(t), значения к-рой пропорц, соответствующим интенсивностям в спектре f(l). Многоканальные системы с селективной модуляцией (группа 4) основаны на операции мультиплексирования (от лат.

multiplex сложный, многочисленный) одновременном приёме излучения от мн. спектр. элементов dl в кодиров. форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длины волн l', l ", l "', ... одновременно модулируются разными частотами w', w", w'", ... и суперпозиция соответствующих потоков в приёмнике излучения даёт сложный сигнал, частотный спектр к-рого по w несёт информацию об исследуемом спектре по l.

При небольшом числе каналов компоненты w', w", w "', ... выделяются из сигнала с помощью электрич. фильтров. По мере увеличения числа каналов гармонич. анализ сигнала усложняется. В предельном случае интерференц. модуляции искомый спектр f(l) можно получить фурье-преобразованием регистрируемой интерферограммы (см. ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИЯ).

или параболич. зеркала, т. к. их фокусные расстояния не зависят от l (в отличие от линзовых систем). Одноканальные С. п. имеют в плоскости Ф одну выходную щель и наз. монохроматорами; если щелей несколько, то С. п. наз. полихроматором, если светочувствит. слой или глаз, С. п.спектрограф или спектроскоп. Сканирование в монохроматорах по l осуществляется, как правило, поворотом диспергирующего элемента 2 или вспомогат.

зеркала. В простейших конструкциях вместо дифракц. решеток и призм применяются циркулярно-клиновые светофильтры с непрерывной перестройкой узкой полосы пропускания или наборы узкополосных светофильтров, дающие ряд дискр. отсчётов для разных l. На основе монохроматоров строятся однолучевые и двухлучевые спектрометры. Для однолучевых С.

п. (рис. 4) характерно последоват. соединение функциональных элементов. В случае измерения спектров пропускания или отражения обычно используется встроенный в С. п. источник сплошного спектра излучения; для измерения спектров внеш. излучателей предусматриваются соответствующие осветители. Для С. п. этого типа соотношение (1) обычно имеет вид: R2M?Dw=К(l), и накладываемые им ограничения на R и Dw играют осн.

роль в ИК области, где яркости источников быстро уменьшаются и значения К малы. В видимой и ближней ИК областях энергетич. ограничения играют меньшую роль и рабочие значения R могут приближаться к дифракц. пределу (напр., в С. п. с дифракц. решётками к значению Rдиф»2kvLsinj, где k кратность дифракции, v=1/l. волн. число, L -ширина решётки, j угол дифракции).

Двухлучевые схемы характерны для спектрофотометров. Рассмотрим типичные приборы группы 1. приёмник излучения; У -усилитель и преобразователь сигналов приёмника; Р аналоговый или цифровой регистратор. Рис. 4. Блок-схема однолучевого одноканального спектр. прибора: И источник излучения; М оптич. модулятор (обтюратор); С) исследуемый образец; Ф сканирующий фильтр (монохроматор); П фотоэлектрич.

1.1. Спектрометры высокого разрешения для исследований структуры ат. и мол. спектров представляют собой стационарные лаб. установки, работающие по схеме, приведённой на рис. 4. Их длиннофокусные (до 6 м) монохроматоры помещают в вакуумные корпуса (для устранения атм. поглощения) в виброзащищённых и термостабилизиров. помещениях.

выбора спектр. диапазона и разделения налагающихся порядков интерференции. Такие приборы наз. спектрометрами Фабри Перо, они позволяют в видимой области получать R»106. 1.2. Двухлучевые спектрофотометры (СФ). В двухлучевых оптич. схемах поток от источника разделяется на два пучка основной и пучок сравнения (референтный). Чаще всего применяется двухлучевая схема «оптич.

Клин перемещается до тех пор, пока вносимое им ослабление референтного потока не компенсирует ослабления, вносимого образцом. Диапазон перемещения клина согласуется со шкалой (от 0 до 100%) регистратора коэфф. пропускания образца. Рис. 5. Схема «оптич. нуля» двухлучевого одноканального спектрофотометра: К оптич. клин; остальные обозначения аналогичны приведённым на рис.

4. Обычно СФ записывает зависимость коэфф. пропускания Т (в %) или оптич. плотности D=-IgT (0?T?1) от l, или волн. числа v. Многочисл. модели СФ можно разделить на три осн. класса: сложные универсальные СФ для науч. исследований (Л = 103-104), приборы ср. класса (R»103) и простые («рутинные») СФ (R=100-300). В СФ 1-го класса предусмотрена автоматич. смена реплик, источников, приёмников, что позволяет охватить широкий спектр.

диапазон. Наиболее распространены приборы с диапазонами 0,19-3, 2,5 50 и 20-330 мкм. Конструкции этих СФ обеспечивают широкий выбор значений R, М, Dw, скоростей и масштабов регистрации спектров разл. объектов. Кроме СФ, работающих по схеме «оптич. нуля», существуют прецизионные СФ, построенные по схеме «электрич. отношения». В них световые пучки двухлучевого фотометра модулируются разл.

частотами (или фазами) и отношение потоков определяется в электрич. части прибора. В конструкции спец. типов СФ вводят микроскопы (микроспектрофотометры), устройства для исследований спектров флуоресценции (спектрофлуориметры), дисперсии показателя преломления (спектрорефрактометры), измерений яркости внеш. излучателей в сравнении с эталонным (спектрорадиометры).

Автоматич. СФ являются осн. приборами для исследований спектр. хар-к в-в и материалов и абсорбционного спектр. анализа в лабораториях. 1.3. Однолучевые нерегистрирующие спектрофотометры Обычно простые и относительно дешёвые приборы для области 0,19-1,1 мкм, схема к-рых аналогична приведённой на рис. 4. Нужная длина волны в них устанавливается вручную; образец и эталон, относительно к-рых измеряется пропускание или отражение, последовательно вводятся в световой пучок.

Отсчёт снимается визуально по стрелочному или цифровому прибору. 1.4. Спектрометры комбинационного рассеяния Могут быть однолучевыми и двухлучевыми. Источником излучения в них обычно служат лазеры, а для наблюдения комбинац. частот (см. КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА) и подавления фона, создаваемого первичным излучением, применяются двойные и тройные монохроматоры, а также голографич.

дифракц. решётки. В лучших приборах отношение фона к полезному сигналу снижено до 10-15 и комбинац. частоты могут наблюдаться на расстояниях порядка неск. см-1 от возбуждающей линии. 1.5. Скоростные спектрометры (хроноспектрометры) Работают по схеме, приведённой на рис. 4, но в отличие от предыдущих С. п. их снабжают устройствами быстрого циклич.

сканирования и широкополосными (Dw до 107 Гц) приёмно-регистрирующими системами. Для исследований кинетики реакций сканирование ведётся с малой скважностью, к-рая достигается, напр., методом «бегущей щели»: вместо выходной щели в фокальной плоскости устанавливается быстро вращающийся диск с большим числом радиальных прорезей.

Таким способом получают до 104 спектров в 1 с. Если время жизни объекта слишком мало, применяют более быстрое сканирование вращающимися зеркалами, это приводит к большой скважности и требует синхронизации начала процесса с моментом прохождения спектра по щели. 2. Многоканальные С. п. с пространственным разделением длин волн Сканирование в этой группе приборов не применяется, дискр.

ряд длин волн (в полихроматорах) или участки непрерывного спектра (в спектрографах) регистрируются одновременно и оптич. часть строится обычно до схеме, приведённой на рис. 3. Если же вместо системы, создающей угловую дисперсию, применяется набор узкополосных светофильтров, прибор обычно относят к фотометрам. Многоканальные С.

п. используются для спектр. анализа состава в-в по выбранным аналитич. длинам волн l. По мере увеличения числа каналов появляется возможность изучения спектр. распределений f(l). Рассмотрим наиб. типичные приборы данной труппы (в порядке возрастания числа каналов). 2.1. Пламённые (атомно-абсорбционные) спектрофотометры Имеют обычно один-два канала регистрации.

Они измеряют интенсивности линий абсорбции, эмиссии или флуоресценции атомов элементов в пламени спец. горелок или др. атомизаторов. В простых конструкциях аналитические l выделяются узкополосными фильтрами (пламенные фотометры), в приборах более высокого класса применяются полихроматоры или монохроматоры, к-рые можно переключать на разл.

линии и линии сравнения, соответствующие потоки посылаются на приёмники (фотоумножители), установленные у каждой щели. Фототоки приёмников заряжают накопительные конденсаторы; величина заряда, накопленного за время экспозиции, служит мерой интенсивности линии, к-рая пропорц. концентрации элемента в пробе. Существующие модели квантометров различаются рабочими диапазонами спектра (внутри области 0,17 1 мкм), числом одновременно работающих каналов (от 2 до 80), степенью автоматизации, способами возбуждения спектров (дуга, искра, лазер).

Они применяются для экспрессного спектр. анализа сталей, сплавов, смазочных масел. 2.3. Спектрографы Одновременно регистрируют протяжённые участки спектра, развёрнутого в фокальной плоскости Ф (рис. 3), на фотопластинках или фотоплёнках (фотогр. спектрографы), а также на экранах передающих телевиз. трубок, электроннооптич. преобразователей с «запоминанием» изображений и т.

п. При хорошей оптике число каналов ограничивается лишь разрешающей способностью (зернистостью) фотоматериалов или числом строк телевиз. развёртки. В видимом диапазоне используются простые спектроскопы и стилоскопы, в к-рых приёмником явл. глаз. Типы спектрографов отличаются большим разнообразием от простейших приборов настольного типа для учебных целей и компактных ракетных и спутниковых бортовых спектрографов до крупных астроспектрографов, работающих в сочетании с телескопами, и лабораторных 10-метровых вакуумных установок с большими плоскими и вогнутыми дифракц.

2.4. Скоростные многоканальные С. п. Для исследований спектров быстро-протекающих процессов конструируются путём сочетания спектрографа со скоростной кинокамерой (киноспектрографы), введения в схему прибора многогранных вращающихся зеркал, применения многоканальной регистрации с многоэлементными приёмниками и т. п. (такие С.

п. наз. хроноспектрографами, спектрохронографами, спектровизорами, скоростными спектрометрами). 3. Одноканальные С. п. с селективной модуляцией Типичными С. п. 3-й группы явл. растровые спектрометры и сисамы. 3.1. Растровые спектрометры Создаются по общей для одноканальных С. п. блок-схеме (рис. 4), но в сканирующем монохроматоре щели заменяются растрами спец.

В излучении других l в результате угловой дисперсии изображения смещаются и амплитуда модуляции уменьшается. Т. о., ширина АФ dl такого С. п. соответствует полупериоду растра. По сравнению с щелевыми спектрометрами растровые дают выигрыш в потоке (примерно в 100 раз при R»30000), однако их применение ограничено засветкой приёмника потоком немодулиров.

решётками и введён модулятор по оптич. разности хода. В этом случае амплитудная модуляция накладывается только на интервал dlдиф, соответствующий дифракц. пределу в окрестности l, к-рая удовлетворяет условию максимума дифракции для обеих решёток. Сисам всегда работает на дифракц. пределе: R=l/dlдиф, при этом за счёт увеличения входного отверстия поток примерно в 100 раз больше, чем в классич.

приборах 1-й группы, но оптико-механич. часть весьма сложна в изготовлении и настройке. 4. Многоканальные С. п. с селективной модуляцией Для данной группы С. п. характерна одновременная селективная модуляция (кодирование) дискретного или непрерывного ряда длин волн, воспринимаемых одним фотоэлектрич. приёмником, и последующее декодирование электрич.

сигналов. Наибольшее распространение получили два типа приборов этой группы. 4.1. В адамар-спектрометрах осуществляется кодирование дискр. ряда длин волн; общая схема подобна приведённой на рис. 4, но сканирование здесь не применяется, щели в монохроматоре заменены на циклически сменяемые многощелевые растры спец. конструкции (маски-матрицы Адамара).

Сигналы приёмника декодируются спец. устройством, дающим на выходе дискр. спектр исследуемого излучения, состоящий примерно из 100 точек-отсчётов. Адамар-спектрометры дают выигрыш в потоке и быстродействии и эффективно применяются, напр., для экспресс-анализа выхлопных газов двигателей по ИК спектрам. 4.2. В фурье-спектрометрах осуществляется непрерывное кодирование длин волн с помощью интерференц.

модуляции, возникающей в двухлучевом интерферометре при изменении (сканировании) оптич. разности хода. Приёмник излучения на выходе интерферометра даёт во времени сигнал интерферограмму, к-рая для получения искомого спектра подвергается фурье-преобразованию на ЭВМ. Фурье-спектрометры наиб. эффективны для исследований протяжённых спектров слабых излучений в ИК области, а также для решения задач сверхвысокого разрешения (см.

ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИЯ). Конструкции и хар-ки приборов этого типа очень разнообразны: от больших уникальных лаб. установок с оптич. разностью хода 2 м (R»106) до компактных ракетных и спутниковых спектрометров, предназначенных для метеорол. и геофиз. исследований, изучения спектров планет и т. д. Для фурье-спектрометров соотношение (1) имеет вид: R3/2М?Dw=K(l).

Отметим ещё раз принципиальное различие рассмотренных групп приборов: в одноканальных приборах время эксперимента затрачивается на накопление информации о новых участках спектра, в приборах 2-й группы на накопление отношения сигнала к шуму, а в приборах 4-й группы на накопление структурных деталей в данном спектр. диапазоне (рис.