ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Спектральные приборы для эмиссионного спектрального анализа, их основные характеристики из "Методы спектрального анализа" Спектральные приборы обеспечивают разложение идущего от источника света излучения в спектр по длинам волн. Применяются два типа спектрального разложения при преломлении света в призмах (призменные спектральные приборы) и при дифракции света в дифракционных рещетках (дифракционные спектральные приборы). Несмотря на существенную разницу в принципе дисперсии, оба типа приборов обладают некоторыми общими свойствами. Рассмотрим основные характеристики этих двух типов спектральных приборов, не входя в подробности их устройства. [c.31] Каждый спектральный прибор имеет три основные части а) кол-лиматорную часть с узкой щелью (входная щель прибора), установленной в фокусе объектива коллиматора б) диспергирующую систему (спектральная призма или дифракционная решетка), разлагающую падающий на нее из объектива коллиматора параллельный пучок лучей на веер параллельных пучков для разных длин волн в) камерный объектив, собирающий в своей фокальной поверхности эти параллельные пучки и дающий монохроматическое изображение входной щели, соответствующее различным длинам волн — спектральные линии. В своей совокупности последние составляют спектр. Для визуального наблюдения за поверхностью спектра устанавливается окуляр (в спектроскопе). [c.31] Область спектра, пригодная для фотографирования с данной дифракционной решеткой, определяется способностью решетки концентрировать энергию в некоторой спектральной области. Современные решетки имеют ступенчатый профиль штрихов, который определяет область наибольшей концентрации энергии. В других областях спектра энергии мало-. Например, если решетка концентрирует до 70% энергии в видимой области первого порядка, то на ультрафиолетовую область первого порядка приходится так мало энергии, что практически невозможно фотографировать ее спектр. Вместе с тем такая решетка дает хорошую интенсивность ультрафиолетового спектра во втором порядке естественно, при этом надо устранить мешающий видимый спектр первого порядка. При фотографировании линейчатых спектров спектр другого порядка может дать нежелательное наложение спектральных линий. [c.37] Все спектральные приборы можно характеризовать следующими тремя основными количественными величинами линейная дисперсия, разрешающая способность и светосила. [c.37] Величииа линейной дисперсии по (2.5) и (2.5а) выражается в единицах мм/А. Практически принято пользоваться обратной величиной А/мм, т. е. числом А, приходящихся на 1 мм длины спектра. [c.38] На рис. 16 графически представлены значения обратной линейной дисперсии для различных типов спектральных приборов, кварцевых, стеклянных и с дифракционными решетками. Кривые /—5 дают изменение обратной линейной дисперсии для призменных спектрографов по ним видно, как резко изменяется значение дисперсии от А/мм одного конца спектра до другого. [c.39] В приведенном рассмотрении мы не вводили ограничений, соответствующих отдельным типам диспергирующих систем поэтому выражение (2.6) имеет общую силу как для призменных систем, так и для систем с дифракционными решетками. Введя в рассмотрение элементы, соответствующие конкретнььм диспергирующим системам, получим соответствующие выражения для R. [c.41] Таким образом, теоретическая разрешающая способность призменной системы, определенная по критерию Рэлея, возрастает в коротковолновой части спектра в связи с ростом дисперсии показателя преломления кроме того, она пропорциональна числу призм в диспергирующей систе.ме и величине основания призм Ь. [c.41] Дифракционная диспергирующая система. В этом случае действующее отверстие а определяется через базу рещетки (длину нарезанной части), равную В =A f, где — общее число штрихов решетки, а = Nd osp. Используя выражение (2.4а) для угловой дисперсии, легко получаем, что R = Nm, т. е. теоретическая разрешающая способность прибора с дифракционной решеткой постоянна в пределах спектра одного порядка. [c.41] Отметим, что теоретическая разрешающая способность однопризменного спектрального прибора достигает значений от 5000 в длинноволновой части до 60 000 в коротковолновой, в то время как для дифракционной решетки (В = 150 мм и 600 штрихов мм) в первом порядке по всему спектру I = 90000. Таким образом, по разрешающей способности спектрографы с дифракционными решетками обычно превосходят спектрографы с призменными системами. Только для много-приз.менных спектральных приборов с большими размерами призм R достигает значений 100 000 и больше. Однако такие приборы являются уникальными (например, спектрограф ИСП-67), в то время как приборы с дифракционными решетками равной разрешающей способности являются приборами массового производства. [c.41] На рис. 19 представлены результаты расчета. По оси ординат отложена ширина входной щели в единицах нормальной ширины, по оси абсцисс — полуширина изображения в тех же единицах с учетом увеличения оптической системы спектрографа. Пунктиром нанесена зависимость геометрических величин щели и ее изображения. Кривые на рис. 19 показывают, что при когерентном освещении контур спектральной линии всегда уже геометрического изображения щели, что приводит к повышению разрешающей способности по сравнению с некогерентным освещением. Особенно интересно, что при нормальной ширине щели в этом случае не происходит заметного падения разрешающей способности по сравнению с бесконечно тонкой щелью. Вместе с тем при когерентном освещении щели на краях изображения щели образуются максимумы освещенности, особенно заметные при ширине входной щели больше 4-кратной нормальной ширины. Во всех других случаях освещения щели получаются некоторые промежуточные значения полуширины контура спектральной линии. [c.43] Светосила прибора определяется величиной лучистого потока, прошедшего через прибор и достигшего поверхности спектра. Для спектрографов этот лучистый поток создает на фотографической пластинке освещенность для визуального прибора освещенность создается на сетчатке глаза наблюдателя для фотоэлектрического прибора имеет значение весь лучистый поток, достигающий фотокатода приемника. [c.43] Из этого выражения следует, что освещенность спектра на фотографической пластинке зависит от ширины щели даже для отдельных спектральных линий. Рассмотрим некоторые предельные случаи. [c.44] Выражение (2.8а) показывает также, что освещенность спектра зависит от относительного отверстия фокусирующей системы спектрографа со стороны камеры. Следует иметь в виду, что для подсчета величины этого относительного отверстия надо брать ие диаметр объектива камеры (как это часто делается), а диаметр круга, равновеликого площади действующего отверстия. Иногда таким действующим отверстием является объектив коллиматора, диаметр которого обычно меньше диаметра объектива камеры. [c.44] Качество изображения спектральных линий также влияет на вели- чину отношения интенсивности линии к интенсивности фона. Известно, что призменные спектрографы дают более широкий инструментальный контур, чем спектрографы с дифракционными решетками. Это имеет место вследствие разных причин косое расположение пластинки относительно оси камеры, неоднородность оптических материалов при большой длине пути света в призмах и объективах, местные погрешности изготовления оптических поверхностей, невозможность точного совмещения поверхности фотографической пластинки или пленки с поверхностью спектра, которая вследствие аберраций оптической си--стемы обладает довольно сложным профилем. Поэтому при пользовании спектрографами с дифракционными решетками также и по этой причине повышается чувствительность определения следов элементов. [c.45] Светосила монохроматора определяется выражением (2.7), если высота I выходной щели и ее ширина х таковы, что через выходную щель проходит весь лучистьш поток, входящий в монохроматор в спектральном интервале, соответствующем измеряемой спектральной ЛИНИН или ширине входной щели (в случае сплошных спектров). В этом случае приемник излучения регистрирует весь лучистый поток, если только пучок лучей, проходящий через выходную шель, полностью попадает на поверхность приемника. Иногда целесообразно в этом случае за выходной щелью ставить линзу, отображающую действующее отверстие монохроматора на поверхность приемника (например, фотокатод) с соответствующим уменьшением. Для увеличения лучистого потока необходимо, в соответствии с (2.7), увеличивать угловые размеры ///] и зЦ входной щели и площадь действующего отверстия. Однако при регистрации линейчатых спектров увеличению входной щели могут поставить предел соседние спектральные линии, энергия которых будет добавляться к измеряемому лучистому потоку и искажать результаты. Остается тогда одна возможность — увеличен11е высоты щели, что и осуществляют в приборах с фотоэлектрической регистрацией. [c.45] Кроме того, как видно из (2.9а), лучистый поток существенным образом зависит от угловой дисперсии диспергирующей системы и от квадрата диаметра действующего отверстия. Сравнеиие выражений (2.7) и (2.9а) показывает, что измеряемый лучистый поток для отдельной спектральной линии с увеличением ширины щели растет медленнее, чем для сплошного спектра. Это обстоятельство при исследовании линейчатых спектров может поставить предел увеличению ширины щели, если в изучаемом спектре имеется значительный сплошной фон. С такими обстоятельствами мы встречаемся, например, при применении фотоэлектрических методов эмиссионного спектрального анализа. [c.46] При этом считаем, что ширина спектральной линии определяется геометрическим увеличением изображения входной щели спектроскопа. Мы видим здесь, что переход к окуляру с большим фокусным расстоянием /з (окуляр меньшего увеличения) увеличивает освещенность, и мы воспринимаем спектр более ярким. [c.46] Для получения правильного представления о зрительном восприятии различных участков спектра необходимо в (2.10) и (2.10а) ввести коэффициент, определяющий спектральную чувствительность глаза. Кроме того, вышеприведенные соотношения справедливы для случая бесконеч-но тонкой спектральной щели. Если же рассматриваемая спектральная линия имеет некоторую ширину АК или речь идет о сплошном спектре, то в полной мере проявляется описанное выше влияние ширины входной щели (рис. 20). [c.47] Вернуться к основной статье