Принцип роботи спектрофотометра: його оптична схема, робота та призначення окремих вузлів

Спектрофотометр– прилад для дослідження спектрального складу за довжинами хвиль електромагнітних випромінювань в оптичному діапазоні, знаходження спектральних характеристик випромінювачів і об'єктів, що взаємодіюють з випромінюванням, а також для спектрального аналізу та фотометрування.

Спектрофотометри вимірюють співвідношення променистих потоків при кожній довжині спектра. Вони не вимагають градуювання для зчитування величини спектрального розподілу променистого потоку в абсолютних одиницях.

Спектрофотометри мають вбудований освітлювач, що включає джерело світла, що випромінює достатньо променистого потоку у всіх довжинах хвиль необхідної частини спектра. Вимірювання спектрофотометром значень залежать від умов висвітлення та спостереження. При вимірюваннях спектральних коефіцієнтів поглинання падаючий потік обирають уздовж перпендикуляра до поверхні зразка при кутах спостереження, обмежених кутами поблизу продовження того ж самого перпендикуляра. При вимірюваннях спектральних апертурних коефіцієнтів відбивання непрозорих зразків падаючий потік для виміру збирається інтегруючою сферою. Іноді цей потік збирається лише в деяких напрямах. Деякі спектральні апертурні коефіцієнти відбивання залежить від умов висвітлення та спостереження зразка.

Технічна складність спектрофотометрів у вимірюванні спектрального апертурного коефіцієнта відбивання, що повязано з відсутністю матеріалу з властивостями розсіювача відбивання, безпосередня реалізація необхідного еталона такого розсіювача неможлива. Проте властивості деяких матеріалів близькі до властивостей зробленого розсіювача відбивання. Вони можу бути прокалібровані як еталони за допомогою спеціальних методів. Ці матеріали використовують як робочі стандарти при вимірюваннях спектрального апертурного коефіцієнта відбивання.

Спектрофотометр є найбільш важливим базовим приладом як для оцінки кольору промислових виробів, так і для фундаментальних досліджень в області колометрии. У даний час випускається безліч спектрофотометрів. Набільш складними з них є ті, що автоматично реєструють спектральні апертурні коефіцієнти відбивання (або спектральні коефіцієнти поглинання) на перфорованих картах або стрічках, зручних для безпосереднього колориметрического аналізу на цифровій обчислювальній машині. Деякі спектрофотометри реєструють вимірювання на спеціальних бланках одночасно з розгорненням за спектром. Не існує універсальних спектрофотометрів, що вирішують будь-які задачі колірного контролю.

Оптична схема спектрофотометра СФ-18 наведена на рис. 4.9. Прилад складається з трьох пристроїв – освітлювача, монохроматора і фотометра.

Рис. 4.9. Оптична схема спектрофотометра СФ-18: I – освітлювач; II – перший монохроматор; III – другий монохроматор; IV – фотометр

Освітлювач. Лампа 1 і конденсор 2 створюють рівномірну освітленість вхідної щілини 3 монохроматора.

Монохроматор. У приладі використовується подвійний монохроматор, обидва компонента (перший і другий монохроматори) якого симетричні. Об’єктив 4 першого монохроматора проектує щілину 3, що знаходиться в його фокальній площині, у вигляді паралельного пучка променів на диспергуючу призму 5, яка розкладає випромінювання в спектр. Об'єктив 6 дає зображення спектру в площині середньої щілини, вихідний щодо першого монохроматору і вхідний щодо другого. Вона утворена дзеркалом 7 і ножем 5. Її призначення інше, ніж щілини 3: вона перпендикулярна спектру та вирізає його «монохроматичну» ділянку (Dl=2–3 нм), що направляється у другий монохроматор. Після проходження крізь нього, вказаний інтервал спектру проектується в площину вхідної щілини 9 монохроматора або вхідної щілини фотометра.

Фотометричний пристрій. «Монохроматичний» пучок, вийшовши з щілини 9, проходить, через лінзу 10 і потім ділиться призмою Рошона 11 на два плоскополяризовані компоненти. Той, який виходить під кутом до оптичної беї, надалі не потрібний і зрізається діафрагмою 12, поглинаючись потім стінками приладу. Призма Рошона використовується як одинпроменева. Пучок, пропущений діафрагмою 12, проходить через призму Волластона 13 і знову ділиться на два, поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах.

Інтенсивність випромінювань, що виходять з призми Волластона, визначається кутовим положенням призми Рошона: обертаючи її, можна управляти потоками, що виходять з призми Волластона. Лінза 14 змальовує вихідну щілину в площині напівлінз, що знаходяться усередині модулятора 15. Пучки, що вийшли з напівлінз, проходять контрольний і вимірюваний зразки. Модулятор по черзі перекриває ці пучки. Частота перекривань дорівнює 50 Гц. Пульсуючі пучки прямують до призми 16, що відбивають їх і направляють на вхідні вікна інтегруючої кулі. Після багатократного віддзеркалення від стінок кулі світло прямує на фотоелемент. Освітленість фотоелемента в даний момент визначається сумою потоків, що пройшли (відбитих) через еталонний і вимірюваний зразки. При рівності потоків освітленість фотоелемента постійна, і він дає постійний за силою струму. Якщо ж вимірюваний зразок поглинає сильніше, ніж еталонний (або навпаки), світловий сигнал виходить змінним і фотоелемент дає також змінний електричний сигнал з частотою 50 Гц. Сигнал поступає у підсилювач і після посилення подається на обмотку якоря електродвигуна відробітку. Він повертає призму Рошона до зникнення різниці світлових сигналів (до припинення подачи струму).

Одночасно з поворотом призми переміщається перо самописця. Із спектру монохроматора послідовно виділяються монохроматичні пучки. Це про ходить в результаті переміщення середньої щілини спектрофотометра (дзеркало 7, ніж 8) уздовж спектру. При цьому повертається барабан, і на бланку, закріпленому на ньому, викреслюється спектральна крива.