Характеристика спектральных приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спектральные приборы. Модель аппаратуры

Общая схема и показатели назначения спектроскопической установки

Общая схема спектроскопической установки представлена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Блок-схема спектроскопической установки

Здесь : 1 - источник света,

2 - рисующий объектив (линза или система линз, как правило, дающая изображение источника на входном отверстии спектрального прибора, но возможны и другие схемы освещения,

3 - спектральный прибор,

4 - фотоприемник,

5 - регистрирующая система

Не все указанные блоки необходимы. Например, для качественного анализа можно обойтись без фотоприемника и регистрирующей системы, если использовать глаз, а в спектроскопии высокого разрешения нет спектрального прибора, но тогда обязательно должен быть фотоприемник и регистрирующее устройство.

К показателям назначения относятся:

а) рабочий диапазон - интервал длин волн, в которых может работать данная установка: лmin ч лmax. Основное влияние на рабочий диапазон оказывает спектральный прибор, но также возможно влияние осветительной системы и фотоприемника;

б) спектральная разрешающая способность R характеризует свойство прибора разделять излучения, отличающиеся по длине волны на малый интервал дл. Чем меньше этот интервал, т.е. чем более детальное исследование спектра допускает данный прибор, тем больше его разрешающая способность. Численно измеряют отношением: R = л / дл, где л - длина волны, для которой определяют разрешающую способность спектрального аппарата, а дл - разность длин волн двух наиболее близких спектральных линий, которые еще могут быть разрешены данным спектральным аппаратом. Более строго разрешающая способность определяется аппаратной функцией прибора, о чем речь пойдет ниже.

Разрешение зависит от спектрального прибора, но возможно влияние осветительной системы;

в) пространственное разрешение - расстояние между двумя точками пространства, излучение из которых может быть проанализировано отдельно. Основное влияние на него оказывает осветительная система;

г) временное разрешение - интервал между моментами времени, которые можно изучать отдельно, проанализировать отдельно. Основное влияние оказывает фотоприемник и регистрирующая система;

д) порог чувствительности - определяет минимальный поток от источника, позволяющий проанализировать излучение. Эта важнейшая для задач диагностики характеристика системы зависит от конструкции и физических принципов функционирования спектрального прибора, типа и качества фотоприемника и уровня шумов источника, фотоприемника с усилителем и регистрирующей системы. Эти факторы будут рассматриваться в соответствующих разделах.

Классификация спектральных приборов

В зависимости от способа регистрации спектра приборы делятся на:

спектрографы - приборы с фотографической регистрацией спектра;

спектроскопы - в них спектр рассматривается глазом;

спектрометры - приборы с фотоэлектрической регистрацией спектра;

монохроматоры - приборы, предназначенные для выделения узкого участка спектра. Если эти участки последовательно меняются (это называется сканированием спектра) и выходящее из прибора излучение регистрируется фотоэлектрически, то монохроматор превращается в спектрометр.

В зависимости от элементов, обеспечивающих спектральное разложение, различают:

- призменные приборы;

- приборы с дифракционной решеткой;

- интерференционные приборы.

Несмотря на существенное различие физических принципов, призменные и дифракционные приборы имеют много общих свойств, поэтому мы объединим их в класс "Щелевые приборы" в отличие от "Интерференционных приборов", также имеющих общие характерные особенности.

Аппаратная функция (импульсный отклик) спектрального прибора

На входе спектрального прибора имеется функция, описывающая распределение потока излучения f(х) в зависимости от длины волны или частоты. Будем называть f - "сигнал на входе", х - "координата на входе". На выходе прибора вместе с фотоприемником и регистрирующей системой получаем функцию ц(z), где ц - "сигнал на выходе", z - "координата на выходе". В зависимости от типа прибора и регистрирующей системы эти величины могут иметь совершенно разный смысл. Например, для спектрографа ц - почернение на фотопластине, измеряемое по ее относительному пропусканию света в данной точке, а z - координата на пластинке, отсчитанная вдоль направления разложения в спектр в мм; для спектрометра с многоэлементным фотоприемником ц - ток или оцифрованный отсчет одного элемента, а z - его порядковый номер; для спектрометра со сканированием спектра, осущесвляемым поворотом диспергирующего элемента с помощью шагового двигателя ц - оцифрованный ток фотоумножителя, а z - номер шага двигателя, отсчитанный от начала сканирования. В любом случае прибор не может использоваться, пока не установлено однозначное соответствие между координатами входа и выхода (этот процесс называется градуировкой по длинам волн) и между сигналами на входе и выходе (этот процесс называется градуировкой по чувствительности). Некоторые приемы выполнения градуировок будут рассмотрены ниже, пока же предположим, что они выполнены и сигналы и координаты входа и выхода имеют одинаковый физический смысл и размерность. (Современные спктральные установки так и работают. В результате регистрации спектра пользователь имеет на экране ЭВМ и (или) в некотором файле график и (или) массив значений спектральной энергетической яркости источника в зависимости от длины волны).

Однако функции f(x) и ц (z) в общем случае не совпадают. Это вызвано искажениями, которые неизбежно вносит прибор в регистрируемую функцию ("аппаратными искажениями"). Например, при освещении щелевого спектрографа монохроматическим светом на пластинке фотографируется изображение входной щели конечной ширины, но т.к. линейному расстоянию на пластинке сопоставлен при градуировке определенный интервал длин волн, то результат воспринимается как излучение, заполняющее конечный спектральный интервал.

Предположим, что выполнены два условия:

1. Линейность регистрирующей системы, т.е. реакция системы на сумму сигналов равна сумме реакций на каждый из них в отдельности (для каждой системы существует диапазон входных сигналов, в котором это условие выполняется, исследователь должен определить этот диапазон и не использовать для каких либо количественных оценок сигналов, выходящих за границы линейности);

2. Инвариантность прибора, т. е. аппаратные искажения не зависят от абсолютных значений x и z, а только от их разности (в спектроскопии достаточно, чтобы это условие выполнялось в пределах исследуемой спектральной линии, что практически всегда имеет место).

Тогда сигнал на выходе системы есть свертка сигнала на входе и некоторой характеризующей свойства прибора функции g (x), называемой аппаратной функцией или импульсным откликом прибора:

.

По физическому смыслу аппаратная функция - результат действия прибора на д-образный сигнал на входе. В спектроскопии - спектр, регистрируемый прибором, когда на вход его подано монохроматическое излучение.

Хотя на практике монохроматических сигналов не существует, аппаратная функция может быть определена, если использовать излучение, ширина спектра которого много меньше ширины функции g(x). В этом случае g(x) практически постоянна в области вблизи точки x 0, где f(x0) отлично от 0 и ц(z) = const * g(z-x0).

Наоборот, если ширина исследуемой линии много больше ширины функции g(x), f(x) практически постоянно в области, где g(z - x) отлично от 0, и выносится за знак интеграла в (3.56). Учитывая, что g(x), как правило, нормируется на 1 по площади, получаем, что ц(z) = f(z), т.е. аппаратные искажения отсутствуют.

В общем случае аппаратные искажения можно исключить путем решения интегрального уравнения (3.56), об этом пойдет речь в специальном разделе. Здесь же отметим, что аппаратная функция - основная теоретическая характеристика прибора, определяемая физическим принципом его функционирования и параметрами. Ширина аппаратной функции дла - расстояние между точками, где g(x) составляет половину максимального значения или обращается в 0 (для различных приборов это определение несколько отличается) принимается за разрешаемый спектральный интервал дл, но аппаратная функция содержит более полную информацию о приборе, чем разрешающая способность.

Светосила прибора

Это качественная характеристика прибора, которая показывает, какую долю излучения исследуемого объекта данный прибор позволяет использовать для анализа спектра. Если изображение объекта рисуется осветительной системой на входное отверстие прибора (что чаще всего и бывает), то поток излучения, попадающий в прибор (Ф), равен яркости изображения bi(л), умноженной на площадь входного отверстия у (оно предполагается заполненным светом), на величину телесного угла Щ, внутри которого излучение распространяется в приборе, и на ширину аппаратного контура дла. Если не учитывать потери в осветительной системе, то яркость изображения равна яркости объекта b(л), поэтому:

Ф = b(л) у Щ дла.

Поскольку увеличение дла и связанной с ней величиной у ограничено требованиями решаемой задачи, увеличение светосилы может быть достигнуто увеличением Щ, существенным является также характер связи у и дла. Преимуществом в светосиле обладают приборы, у которых увеличение у до известного предела не ведет к заметному росту дла.

Щелевые приборы

Рис. 3.5. Схема щелевого прибора

На рис. 3.5 представлена принципова схема щілинного монохроматора або спектрометра зі скануванням спектра шляхом обертання диспергирующего елемента.

У спектрографі і приладі з координатно чутливим фотоприймачем в фокальній площині об'єктива L2 розташовується фотопластинка або Фотоприймальний матриця (лінійка).

Вхідна щілина Sвх розташована в фокальній площині об'єктива L1. F1, F2 - відповідно фокусні відстані об'єктивів (їх роль можуть виконувати лінзи або сферичні дзеркала). Основними характеристиками щілинних приладів служать: спектроскопический импульсный дисперсия призма

- кутова дисперсія dц / dл, вона показує, на який кут dц розходиться після диспергирующего елемента спочатку паралельні промені довжин хвиль, що відрізняються на dл;

- Лінійна дисперсія d х / dл, вона визначає лінійне відстань dх, виміряний в площині Sвих між точками, в яких збирається випромінювання довжин хвиль, що відрізняються на dл:

dх/dл = (dц/dл) ? F2.

Дуже часто використовуються для характеристики приладів зворотну лінійну дисперсію dл/dх (обычно приводится в паспорте прибора в единицах [нм/мм] или [/мм]).

Апаратна функція спектрографа (або спектрометра з коордінатночувствітельним фотоприймачем) з вхідною щілиною шириною Sвх має прямокутну форму з шириною (див. Рис. 3.6, а):

длa = (dл/dx) ? {Sвх(F2 / F1)}.

Для спектрометра з двома щілинами апаратна функція має вигляд згортки двох прямокутних функцій - це, в загальному випадку, трапеція (рис. 3.6, b), а за однакової кількості розмірів вхідної щілини і геометричного зображення вихідний - трикутник (рис. 3.6, з) з шириною :

длa = (dл/dx) ?{Sвх(F2/F1) + Sвых}/2 .

Рис 3.6. Формы аппаратных функций щелевых приборов

Часто вживають поняття "спектральна ширина щілини" длs - вона визначається рівністю длs = S (dл / dx), де S може бути шириною вхідної щілини, тоді лінійну дисперсію визначають за (3.58), але замість F2 підставляють F1; для S = Sвих лінійна дисперсія визначаться по (3.58); длs вимірюється в нм.

При звуженні щілин приладу апаратна функція не стає нескінченно тонкої, як слід було б з умов (3.59), (3.60). При вузьких щілинах апаратна ширина визначається вже не геометричним зображенням щілини, а дифракційним розмиванням цього зображення.

Рис 3.7. Зависимость дла от ширины щели

Якісно залежність дла від ширини щілини S (надалі для простоти вважаємо, що S = Sвх = Sвих і F1 = F2 = F) представлена на рис. 3.7. Sн - так звана "нормальна щілину". Видно, що використання щілин з шириною, меншою Sн, не має сенсу. Величина Sн визначається розміром дифракційної плями при явищі дифракції на отворі об'єктива діаметром D.

Sн = (л/D) ? F

(уголовой размер дифракционного пятна ? л/D)

Минимально достижимый с данным прибором интервал разрешения:

длкр = Sн(dл/dх) = (л/D) ? F(dл/dх),

Апаратна функція має вигляд, якісно представлений на рис 3.6.d з шириною длa = длкр. Формули (3.61), (3.62) можна використовувати для оцінки граничних можливостей приладу (D / F - відносний отвір, воно є в паспорті), але реально мінімальний інтервал дозволу виявляється в 2-3 рази більше, що пов'язано з аберацією об'єктивів і неточністю фокусувань .

Світлосила щілинного приладу також визначається відносним отвором, оскільки

Щ = (рD2) / (4F2).

у = SL,

де L - висота щілини. Можливості збільшення L обмежені технічними причинами, аберацією лінз, викривленням зображення щілин (див. Нижче), що веде до втрати дозволу, а часто і розміром області однорідності в зображенні джерела. Збільшення ж S відразу веде до втрати дозволу. Лінійна залежність длa від площі вхідного отвору (при фіксованій його висоті) робить щілинні прилади істотно менше світосильні, ніж інтерференційні.

Рассмотрим теперь отличительные особенности призменных и дифракционных приборов.

Действие призмы основано на том, что показатель преломления n всех веществ зависит от длины волны (дисперсия света), а, следовательно, угол отклонения луча призмой будет различным для разных длин волн. Угловая дисперсия призмы существенно зависит от длины волны, поэтому градуировочные (по длинам волн) характеристики приборов нелинейны и для выполнения градуировки нужно большое число линий с известными длинами волн.

Из законов геометрической оптики можно получить выражение для угловой дисперсии призмы:

dц/dл = (t/D) ? (dn/dл)

Рис. 3.8. Параметры призмы

Здесь t - длина основания призмы, D - сечение пучка, выходящего из нее. Если призма заполнена не полностью, чего, вообще говоря, следует избегать, то под t понимается размер основания за вычетом участка, работающего как плоскопараллельная пластина.

Предельное разрешение призменного прибора получим, учитывая, что дифракционный угол равен л/D:

длкр = (л/D)(dл/dц) = (л/t)(dn/dл)-1

Иногда для увеличения разрешения в приборе устанавливается несколько призм. В этом случае t - сумма их оснований. Призменные приборы, в среднем, обладают меньшим разрешением, чем дифракционные, но их преимущество состоит в отсутствии эффекта "наложения порядков".

Размещено на Allbest.ru