Глава 8 типовые спектральные приборы

Глава 8 ТИПОВЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Спектральными приборами называют все оптические приборы, в ко­торых тем или иным способом осуществляется разложение излучения оптиче­ского диапазона на монохроматические составляющие. Такие приборы (часто именуемые спектрометрами) используют для качественного и количествен­ного исследования спектрального состава света, излучаемого, поглощаемого, отражаемого или рассеиваемого веществом — исследования, позволяющего су­дить о свойствах вещества, об его химическом составе и характере физических процессов, связанных с излучением или взаимодействием света с веществом. Применяют спектральные приборы и для получения излучения заданного спектрального состава.

Следуя установившейся традиции, будем именовать спектральными из­мерениями все рассматриваемые далее измерительные процессы, в ходе ко­торых количественно, с гарантированной точностью, определяются зависящие от длины волны величины, характеризующие оптическое излучение и среды, с которыми оно взаимодействует.

Примечание. Следует отметить, что термин «спектральные измере­ния» не стандартизован, но достаточно широко распространен в авторитетных научно-технических первоисточниках.

8. 1. Классификация спектральных приборов

Преобразователи спектральных характеристик и параметров оптическо­го излучения рассмотрены во второй части книги. Прежде чем приступить к описанию типовых спектральных приборов на основе рассмотренных ОП, ознакомимся с принятой в отечественной научно-технической литературе их классификацией [58].

Любой спектральный прибор состоит из излучателя (им может служить и источник, излучение которого подлежит исследованию), оптической си­стемы и приемно-регистрирующего устройства, содержащего ОЭИП и схему обработки и документирования получаемой информации о спектре. Излуча­тели и приемно-регистрирующие устройства мало чем отличаются от ана­логичных частей соответственно осветительных приборов и типовых техни­ческих средств оптической радиометрии, описанных в предыдущих главах и не использующих оптической схемы спектрального разложения. Поэтому рассмотрим принципиальную схему оптической системы спектрального при­бора, изображенную на рис. 8. 1. [20, 58]. Узкая входная щель S, на кото­рую падает исследуемое излучение, устанавливается в фокальной плоскости коллиматорного объектива Ο ι, который от каждой точки щели направляет параллельные пучки лучей в диспергирующее устройство D (на рисунке ход лучей показан в плоскости, перпендикулярной щели). Диспергирующее устройство отклоняет лучи на различные углы ϋ в зависимости от длины волны излучения λ, превращая параллельный пучок от каждой точки щели в веер монохроматических пучков. Фокусирующий объектив Оч создает на некоторой поверхности монохроматические изображения щели, совокуп­ность которых и образует спектр. Поверхность изображений Ρ (фокальная поверхность) в общем случае не является плоскостью.

 

Рис. 8. 1. Принципиальная оптическая схема спектрального прибора

 

В некоторых случаях отдельные элементы оптической схемы могут отсут­ствовать. Иногда диспергирующий элемент устанавливают не в параллель­ных, а в расходящихся или в сходящихся пучках лучей. Тогда отсутствуют, соответственно, объектив О\ или объектив Оч- В приборах с вогнутой дифрак­ционной решеткой нет ни коллиматорного, ни фокусирующего объектива, так как их функции выполняются самой решеткой. Наконец, может отсутствовать входная щель (бесщелевые приборы).

Классифицировать спектральные приборы можно: а) по способу регистра­ции спектра (визуальный, фотографический, фотоэлектрический и т. д. ); б) по способу осуществления спектрального разложения излучения (призменные, дифракционные, интерференционные); в) по области спектра, в которой они работают (видимая, ультрафиолетовая, инфракрасная); г) по назначению (на­пример, для эмиссионного спектрального анализа, для исследования комби­национного рассеяния, для внеатмосферных астрофизических исследований).

Конструкция прибора и его оптическая схема определяются совокупно­стью всех четырех классификационных признаков, но в наибольшей степени вторым из них, по которому обычно прибор и получает свое название.

Прибор для фотографической регистрации спектров называется спек­трографом. В нем с фокальной поверхностью фокусирующего объектива (который в данном случае называют объективом камеры) совмещается светочувствительный слой фотопластинки или фотопленки. Отличительной особенностью спектрографа является одновременная регистрация более или менее широкой области спектра. Спектрографы широко применяются как в научных исследованиях, так и в заводских лабораториях. Они используют­ся преимущественно в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, что связано с чувствительностью фотоматериалов. При фотографировании спек­тров слабых свечений (например, в астрономических исследованиях) время экспозиции доходит до нескольких часов. С целью ускорения процесса ре­гистрации в спектрографах, в качестве приемника излучения (ОЭИП), все чаще стали использовать катод ЭОП или передающей телевизионной трубки с последующим фотографированием спектра с экрана ЭОП или телевизора. Такой способ регистрации повышает чувствительность прибора и несколько расширяет его рабочий диапазон в сторону ИК области спектра, но сокращает ширину одновременно регистрируемого интервала длин волн, ввиду малых размеров фотокатодов ЭОП и передающих телевизионных трубок.

Прибор для визуального наблюдения спектров называют спектроскопом. В нем за фокальной поверхностью фокусирующего объектива имеется окуляр, с помощью которого монохроматические изображения щели рассматриваются глазом.

Возможности визуального исследования спектров значительно уже, чем фотографического. Спектроскопы могут быть использованы лишь в области длин волн 380-760 нм, причем на краях этой области применение их мало­эффективно ввиду слабой чувствительности глаза в фиолетовой и красной частях спектра (визуальные наблюдения спектров возможны и в ультрафио­летовой области при использовании флуоресцирующего экрана, например, из салицилата натрия или уранового стекла). Следует отметить, что спектрогра­фы и спектроскопы получили преимущественное распространение в астроно­мии и др. направлениях научных исследований, где требовались длительные времена экспонирования сцены или ее наблюдения в видимом интервале длин волн; разработанные современные системы экспонирования и регистрации, с использованием фотометров и сверхчувствительных камер с совершенны­ми электронно-вычислительными устройствами, вытесняют «классические» спектрографы и спектроскопы, на смену которым пришли спектрорадиометры. Наряду со спектрорадиометрами, получившими в последние десятилетия особенно широкое распространение в бортовой аэрокосмической аппаратуре экологического мониторинга и дистанционного зондирования земной поверх­ности, типовыми спектральными приборами стали и спектрофотометры; опи­сание некоторых из них приведено в пятой части книги.

Фотонный или тепловой ОЭИП спектрального прибора не может одно­временно регистрировать энергию излучения в различных точках спектра, поэтому необходимой деталью такого прибора является выходная щель, сов­мещаемая с поверхностью изображения фокусирующего объектива и выделя­ющая узкий участок спектра. Иногда ОЭИП устанавливают непосредственно за выходной щелью, но чаще излучение, прошедшее через эту щель, направ­ляют на него посредством отдельной оптической системы. Основная часть спектрорадиометра или спектрофотометра, включающая входную щель, кол-лиматорный и фокусирующий объективы, диспергирующее устройство и вы­ходную щель, представляет собой монохроматор. Прибор, состоящий из источника излучения, осветительной системы и монохроматора (без приемно-регистрирующего устройства), называют монохроматическим освети­телем.

В отличие от спектрографа, при регистрации излучения с помощью фо­тоэлектрического или теплового ОЭИП для получения информации о спек­тральном распределении энергии в широкой области длин волн необходимо последовательно выделять различные участки спектра с помощью выходной щели. Это можно осуществить перемещением выходной щели вдоль фокаль­ной поверхности при неподвижном диспергирующем устройстве, что мало удобно, так как влечет за собой перемещение ОЭИП или усложнение оптиче­ской системы, расположенной за щелью. Поэтому чаще всего в монохроматоре обе щели неподвижны, а изменение длины волны излучения, направляемого на выходную щель (сканирование спектра), осуществляется изменением положения диспергирующего устройства относительно падающего пучка лучей.

Фотоэлектрические ОЭИП — ФЭУ, ФЭ, ФР — чувствительны в УФ, видимой и ближней ИК областях. Чувствительность же тепловых ОЭИП, применяемых в ближней, средней и дальней ИК-областях (термоэлементы, болометры, оптико-акустические приемники), не зависит от длины волны из­лучения. Монохроматоры применяют во всех областях оптического диапазона длин волн — от мягких рентгеновских лучей до миллиметровых радиоволн, но главным образом — в ИК области, где неприменим фотографический метод регистрации.

Если вдоль фокальной поверхности фокусирующего объектива разместить ряд выходных щелей, то одновременно выделяется несколько узких интерва­лов длин волн. Такой прибор называют полихроматором. Если к тому же за каждой выходной щелью полихроматора установить отдельные ОЭИП, од­новременно регистрирующие потоки соответствующих спектральных интер­валов, то получится многоканальный спектрометр. Прибор со многими выходными щелями, предназначенный для количественного спектрального анализа (как правило, по измерениям интенсивности отдельных линий из­лучения), получил название квантометра. Положение щелей на фокальной поверхности полихроматора может быть как фиксированным, так и регули­руемым.

Свойства оптической системы спектрального прибора зависят также от применяемого диспергирующего элемента. В современных приборах спек­тральное разложение излучения осуществляется: а) призмами; б) плоскими отражательными дифракционными решетками; в) вогнутыми дифракцион­ными решетками. Область применения призм ограничивается прозрачностью и дисперсией используемых материалов. Плоские решетки используются во всех областях спектра, вогнутые — преимущественно в ультрафиолетовой.

Кроме призменных и дифракционных приборов, существует обширный класс спектрометров, действие которых основано на интерференции света. К ним относятся хорошо известные интерферометр Фабри-Перо, пластинки Люммера, эшелон Майкельсона, а также недавно созданные спектрометр с интерференционной амплитудной селективной модуляцией (сисам) и фурье-спектрометр.

Сисам — это двухлучевой интерферометр, в котором плоские зеркала заменены дифракционными решетками. При линейном изменении разности хода лучей двух интерферирующих пучков периодически изменяется осве­щенность в интерференционной картине в плоскости выходного отверстия и тем самым осуществляется амплитудная модуляция излучения в узкой спектральной области. Это модулированное излучение регистрируется ОЭИП. Изменение регистрируемой длины волны осуществляется, как и в обычных щелевых спектрометрах, медленным вращением решеток.

Фурье-спектрометр — не что иное, как интерферометр Майкельсона с обычными зеркалами, на выходе которого, при линейном изменении раз­ности хода двух пучков, каждое монохроматическое излучение модулирует­ся с частотой, пропорциональной частоте излучения. Типичная оптическая схема интерферометра, применяемого в фурье-спектрометре, изображена на рис. 8. 2. Регистрируемый приемником сложный сигнал представляет собой преобразование Фурье исследуемого спектра. Спектральный состав излучения определяется путем обратного преобразования Фурье с помощью ЭВМ. Здесь, в отличие от сисама и обычных спектрометров, информация обо всем спектре получается, как и в спектрографе, од­новременно.

Сравнительно недавно появился новый тип спектрометра, основанный на растровой модуляции света. От обычного спектрометра он отли­чается тем, что в его монохроматоре входная и выходная щели заменены растрами — оптическими деталями, состоящими из множества прозрачных и непрозрачных участков. Выходной растр является монохроматическим изображением входного растра. При каждом положении диспергирующего элемента через выходной растр про­ходит излучение протяженного спек­трального интервала, но, вследствие селективности модуляции, приемник

Рис. 8. 2. Оптическая схема интерферомет­ра: 1 — источник; 2 — модулятор; 3 — по­движное зеркало; 4 — светоделитель; 5 — неподвижное зеркало; 6 — отделение для образцов; 7 — приемник регистрирует излучение, принадлежащее тем более узкому интервалу длин волн, чем меньше элементы растров. Модуляция осуществляется, например, периодическим смещением изображения входного растра относительно вы­ходного.

 

В отличие от «классических» щелевых спектральных приборов с призмами и дифракционными решетками, где диспергирующее устройство осуществля­ет пространственное разделение монохроматических составляющих иссле­дуемого излучения, в сисаме, фурье-спектрометре и растровых приборах на приемник может попадать излучение, принадлежащее широкому спектраль­ному интервалу, и анализ его спектрального состава производится благодаря использованию того или иного способа модуляции потока излучения.

Приборы с интерференционной и растровой модуляцией излучения позво­ляют, при такой же разрешающей способности, получать большие потоки, чем «классические» щелевые спектрометры. Это особенно важно для работы в ИК области спектра, где малая яркость источников и недостаточная чувстви­тельность ОЭИП часто ограничивают применение классических схем. Именно в этой области развитие новых направлений в спектральном приборострое­нии, особенно фурье-спектрометрии, оказалось наиболее перспективным [58], однако и спектрометры с традиционными диспергирующими элементами по-прежнему служат универсальными средствами количественного спектраль­ного анализа излучений [20].

⇐ Предыдущая28293031323334353637Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: