Часть 5. Спектральные приборы

Спектральные приборы – измерительные системы, предназначенные для исследования излучения естественных и искусственных объектов. Излучение физического тела может наблюдаться непосредственно или после взаимодействия со средой, в которой оно распространяется.

Взаимодействие со средой проявляется в поглощении излучения, рассеянии, отражении или дисперсии.

Исследование перечисленных оптических свойств среды является первой задачей.

Вторая задача – исследование спектрального состава излучения, что позволяет изучать строение вещества и их состав.

Изучение свойств веществ путем анализа их спектров называют спектральным анализом.

Различают следующие виды спектрального анализа:

- эмиссионный, когда исследуют спектр излучения;

- абсорбционный, когда исследуется спектр поглощения;

- по спектрам комбинационного рассеяния, когда исследуется спектр излучения, рассеянного молекулами вещества.

Спектральные приборы — приборы для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне (10^-3—10³мкм;), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа.

Спектральные приборы различаются методами спектрометрии, приемниками излучения, исследуемым (рабочим) диапазоном длин волн и другим характеристиками.

Принцип действия большинства спектральных приборов можно пояснить с помощью имитатора, изображенного на рис. 1. Чем меньше ширина АФ, тем точнее будет измерена форма контура спектра f(λ), тем более тонкая структура может быть в нем обнаружена.

Рис. 51. Результат измерений F(λ)

Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном l является основной характеристикой спектрального прибора; она определяет спектральное разрешение и спектральную разрешающую способность.

Чем шире АФ, тем хуже разрешение (и меньше R), но больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптический сигнал и М — отношение сигнала к шуму. Шумы (случайные помехи), неизбежные в любых измерительных устройствах, в общем случае пропорциональны (Δf — полоса пропускания приемного устройства). Чем шире Δf, тем выше быстродействие прибора и меньше время измерения, но больше шумы (меньше M).

Рассмотренный с помощью рис. 52 принцип действия спектрального прибора относится к одноканальным методам спектрометрии. Наряду с ними широко распространены многоканальные методы, в которых сканирование не применяется и излучения различных λ регистрируются одновременно. Это соответствует наложению на экран 1 неподвижного экрана с вырезанными N контурами АФ для разных λ при независимой регистрации потоков от каждого отверстия (канала).

Общая классификация методов спектрометрии, являющихся основой различных схем и конструкций спектрального прибора, представлена на рис. 52. Классификация дана по двум основным признакам — числу каналов и физическим методам выделения λ в пространстве или времени. Исторически первыми и наиболее распространенными являются методы пространственного разделения (селективной фильтрации), которые называются «классическими» (группы 1 и 2 на рис. 52). В одноканальных спектральных приборах (группа 1) исследуемый поток со спектром f (λ) посылается на спектрально-селективный фильтр, который выделяет из потока некоторые интервалы Δλ в окрестности каждой λ‘ и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование спектра во времени по некоторому закону f ’(t). Выделенные компоненты спектра посылаются на приемник излучения, запись сигналов которого дает функцию времени F(t).

Рис. 52. Классификация методов спектрометрии по способам разделения длин волн

В одноканальных методах (1 и 3) применяется сканирование и измерение интенсивностей излучения ряда длин волн производится одновременно. Внутри каждой группы указаны краткие названия основных типов спектральных приборов, относящихся к данной группе.

В многоканальных спектральных приборах (группа 2) информация об исследуемом спектре получается путем одновременной регистрации несколькими приемниками потоков излучения разных длин волн. Последние выделяют, например, набором узкополосных фильтров или многощелевыми монохроматорами (полихроматорами). Наибольшая многоканальность достигается применением многоэлементных фотоэлектрических приемников излучения и фотографических материалов (в спектрографах).

Принципиальной основой «новых» методов (группы 3 и 4 на рис. 52), получивших развитие с середины 60-х гг., является селективная модуляция.

За рамками классификации, приведенной на рис. 52, остаются лишь методы, использующие почти монохроматическое излучение перестраиваемых лазеров (Спектроскопия лазерная).

Все рассмотренные группы методов спектрометрии нашли практическое воплощение в конструкциях спектральных приборов, но относительная распространенность их различна. Например, спектрометры сисам, относящиеся к группе 3, осуществлены лишь в нескольких лабораторных экспериментальных установках, а классические приборы на основе монохроматоров получили повсеместное распространение как основное средство анализа структуры и состава веществ. Рассмотрим наиболее распространенные типы спектральных приборов, следуя приведенной классификации.

1.Одноканальные спектральные приборы с пространственным разделением длин волн;

2.Многоканальные спектральные приборы с пространственным разделением длин волн;

3.Одноканальные спектральные приборы с селективной модуляцией;

4.Многоканальные спектральные приборы с селективной модуляцией.