Приглашаем посетить сайт
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ - приборы для исследования спектральногосостава эл.-магн. излучений по длинам волн (в оптич. диапазоне 10-3-103 мкм; см. Спектры, оптические), нахождения спектральных характеристикизлучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектральногоанализа.
Принцип действия большинства С. п. можно пояснить с помощью имитатора, <изображённого на рис. 1. Форма отверстия в равномерно освещённом экране . соответствуетф-ции ,описывающей исследуемый спектр - распределение энергии (потока) излученияпо длинам волн .Отверстие в экране 2 соответствует ф-ции , описывающей способность С. п. выделять из светового потока узкие интервалы в окрестности каждой .Эту важнейшую характеристику С. п. называют функцией пропускания или аппаратнойфункцией (АФ). Процесс измерения спектра прибором можно имитировать, если поместить за экраном 1 приёмник излученияи регистрировать изменения потока излучения, проходящего через остающиесяотверстия при наложении и перемещении (сканировании) экрана 2 поэкрану 1. Результат регистрации будет представлять собой нек-руюф-цию времени F(t), от к-рой, зная закон сканирования , легко перейти к ф-ции длины волны ,описывающей форму с тем лучшей точностью, чем меньше была ширина АФ - интервал .Рассмотренный процесс математически описывается интегралом , называемым свёрткой ф-ции f с ф-цией а. Ширина АФ наряду с рабочимдиапазоном длин волн является осн. характеристикой оптич. части С. п.,она определяет спектральное разрешение и разрешающую способность . Чемшире АФ, тем меньше R, но тем больше поток излучения, пропускаемыйприбором, т. е. больше оптич. сигнал, несущий измеряемую информацию, ибольше отношение сигнал/шум М. Шумы, в свою очередь, зависят отполосы частот приёмно-усилит. системы прибора (обычно они пропорциональны . Чем меньше ,тем меньше шумы, но и тем больше инерционность системы и больше затратывремени t на измерения .Взаимосвязь величин R, M, характеризуетсяинвариантом вида:
Показатели степени и принимаютразл. положит. значения в зависимости от конкретного типа С. п. (обычно ). Константа «качества» К, зависящая только от ,определяется конструктивными параметрами данного С. п. и накладывает ограниченияна рабочие диапазоны значений R, М,. верх. <предел R (мин. ширина АФ) нередко определяется аберрациями оптич. <систем, дифракцией света, а макс. полоса лимитируется постоянной времени приёмника излучения (или др. электрич. звеньев).
Рис. 1.
Проиллюстрированный с помощью имитатора принцип действия С. п. относитсяк одноканальным методам спектрометрии. В распространённых нарядус ними многоканальных методах сканирование не применяется и потоки разных регистрируются одновременно. В имитаторе этому соответствует наложениена экран 1 другого неподвижного экрана, имеющего N отверстийдля разных со своими АФ; при этом яоток от каждого отверстия (канала) регистрируетсянезависимо.
Общая классификация методов спектрометрии, являющихся основой разл. <схем и конструкций С. п., осуществляется по двум осн. признакам - числуканалов и способам разделения (рис. 2).
Исторически первыми и наиб. распространёнными являются методы пространственногоразделения (спектрально-селективной фильтрации), к-рые низ. классическими (группы1 и 2).
Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по числу каналов и способамразделения длин волн. Контуры шириной символически изображают аппаратные функции (АФ). В однока-нальных методах(1 и 3) применяется сканирование (символ ),в многоканальных (2 и 4) - сканирование отсутствует и измерение интенсивностиизлучения ряда длин волн ... проводится одновременно.
В одноканальных С. п. группы 1 исследуемый поток со спектром посылается на спектрально-селективный фильтр, к-рый выделяет из потоканек-рые интервалы в окрестности каждой и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканированиеспектра во времени t по нек-рому закону . Выделенные компоненты посылаютсяна приёмник оптического излучения, запись сигналов к-рого даёт ф-циювремени F(t). Переход от аргумента t к аргументу позволяет получить ф-цию - наблюдаемый спектр.
В многоканальных С. п. группы 2 одновременно регистрируются (без сканированияпо ) неск. приёмникамипотоки излучения разных длин волн ..., к-рые выделяют, напр., многощелевым монохроматором (полихроматором).Если расстояние между каналами не превышает и число каналов N достаточно велико, то получаемая информация аналогичнасодержащейся в записи на сканирующем одноканальном приборе (при тех же ,одинаковых приёмниках и пр. равных условиях), но время измерения можетбыть сокращено в N раз. наиб. многоканальность достигается применениеммногоэлементных фотоэлектрич. приёмников излучения и фотогр. материалов(в спектрографах).
Для С. п. групп 3 и 4, получивших развитие с сер. 1960-х гг., принципиальнойосновой является спектрально-селективная модуляция (см: Модуляция света), прик-рой задача разделения длин волн l, переносится из оптич. части приборав электрическую. В одноканальном С. п. группы 3 исследуемый поток со спектром посылается на устройство, способное модулировать нек-рой частотой лишь интервал вокрестности длины волны настройки , оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование проводится так, чтобы различные последовательно модулировались частотой w0. Выделяя составляющуюw0 в сигнале приёмника с помощью электрич. фильтра, получаютф-цию времени F(t )и соответственно спектр
Многоканальные системы группы 4 основаны на операции мультиплексирования- одно-врем. приёме излучения от многих спектральных элементов в кодированной форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длиныволн ,... одновременно модулируются разл. частотами ,..., и суперпозиция соответствующих потоков в приёмнике излучения даётсложный сигнал, частотный спектр к-рого по w несёт информацию об исследуемомспектре по За рамками приведённой классификации остаются лишь методы т. н. активнойспектрометрии, основанной на генерации излучений перестраиваемыми по лазерами (см. Активная лазерная спектроскопия).
1. Одноканальные спектральные приборы с пространственным разделениемволн
Основой оптич. схем С. п. этой группы является диспергирующий элемент( дифракционнаярешётка, эшелетт, эшелле, интерферометр Фабри - Перо, спектральнаяпризма), обладающий угловой дисперсией , что позволяет развернуть в фокальной плоскости изображения входной щелив излучении разных (рис. 3). Для объективов O1 и О 2 обычно используютсязеркала, не обладающие хроматич. аберрациями (в отличие от линзовых систем).Если в фокальной плоскости установлена одна выходная щель, схема С. п. <представляет собой схему моиохроматора, если неск. щелей,- полихроматора, <если фототувствит. слой или глаз,- спектрографа или спектроскопа.
Одноканальные С. п. обычно строятся на основе монохроматоров, в к-рыхсканирование осуществляется поворотом дифракц. решёток. В простейших менохроматорахвместо диспергирующего элемента и выходной щели применяются циркулярно-клиновыеинтерференц. светофильтры с непрерывной перестройкой по полосы пропускания. Для таких С. п. характерно последоват. соединение функциональныхэлементов, в к-рых информативный сигнал к.-л. образом обрабатывается (рис.4). Для измерений спектров пропускания и отражения разл. образцов используютсявстроенные источники излучения со сплошным спектром, для исследованийспектров внеш. излучателей - соответствующие осветители, а для непосредств. <измерения поглощения в веществе могут использоваться оптико-акустич. ячейки, <преобразующие поглощённую энергию в подходящий для регистрации сигнал. <В классич. С. п. оптич. модулятор вводится в схему лишь для того, чтобыв электрич. части применить усиление на перем. токе.
Рис. 3. Схема спектрального прибора с пространственным разделениемдлин волн с помощью угловой дисперсии: 1 - коллиматор с входной щелью Щи объективом О, с фокусным расстоянием f1; 2 - диспергирующийэлемент, обладающий угловой дисперсией ; 3 - фокусирующая система (камера) с объективом 0„, создающим в фокальнойплоскости Ф изображения входной щели в излучении разных длин волн с линейнойдисперсией
Рис. 4. Блок-схема однолучевого одноканального прибора: И - источникизлучения; М - оптический модулятор (обтюратор); Ф - сканирующий фильтр(монохроматор); П - фотоэлектрический приёмник излучения; У - усилительи преобразователь сигналов приёмника; Р - аналоговый или цифровой регистратор;БУ - блоки управления и обработки данных на базе ЭВМ.
Устройства управления С. п. и обработки результатов измерений строятсяна базе микропроцессоров. Они отличаются большим разнообразием и обеспечиваютоптимизацию режимов работы С. п. по параметрам R, М, врамках условия (1) [для классич. С. п. условие имеет вид ,если шум приёмника не зависит от падающего на него потока]. Вместо величины . иногдаиспользуют т. н. энергетический фактор ,к-рый численно равен отношению сигнал/шум, наблюдаемому при единичном выделяемомспектральном интервале иединичной полосе частот .Накладываемые фактором Q энергетич. ограничения играют осн. рольв ИК-области, где яркости источников быстро уменьшаются и значения . малы;напр., в ср. ИК-области (10 мкм) хорошие С. п. имеют Q =107 мкм -2 Гц 1/2 (вшкале волновых чисел Q =103 см -2 Гц 1/2).В видимой и ближней ИК-областях энергетич. ограничения играют меньшую рольи рабочие значения Л могут приближаться к дифракц. пределу (напр., в С. <п. с дифракц. решётками - к значению ,где k - кратность дифракции,- волновое число, L - ширина решётки,- угол дифракции). Рассмотрим типичные приборы группы 1.
Спектрометры высокого разрешения для исследований структуры атомныхи молекулярных спектров; представляют собой стационарные лаб. установки, <построенные по схеме рис. 4. В зависимости от области спектра применяютсяразнообразные монохроматоры (с фокусными расстояниями до 10 м) в вакуумируемыхкорпусах, в виброзащищённых и термостабилизиров. помещениях. В этих приборахиспользуется 2- и 4-кратная дифракция на эшеллях шириной до 400 мм, применяютсяспец. источники и охлаждаемые приёмники, что позволяет достигать в спектрахпоглощения в области длин волн 2,5 мкм. Для выявления ещё более тонкой структуры всхему измерений : вводят сканирующие интерферометры Фабри - Перо (в видимой области).
Спектрофотометры (СФ) выполняют операции фотометрирования дляопределения отношений потоков - безразмерных коэф. пропускания и отраженияразнообразных образцов веществ и материалов. В наиб. прецизионных СФ этазадача решается по схеме рис. 4 сравнением двух последоват. отсчётов дляодного и того же пучка излучения: «образец в пучке», «образец вне пучка».Такой же метод применяется в массовых нерегистрирующих СФ - сравнительнодешёвых С. п., сотни разновидностей к-рых выпускаются десятками фирм. Серийныеавтоматич. регистрирующие СФ основаны на более сложных, но и более производительныхдвухлучевых схемах измерений, отличающихся от однолучевой тем, что междуисточником и фильтром (или между фильтром и приёмником) организуются двапучка излучения - измерительный (в к-рый помещается образец) и референтный. <Эти пучки модулируются по определ. алгоритмам, обеспечивающим работу т. <н. систем электрического отношения, регистрирующих коэф. пропускания . илиоптич. плотности D = -lgT какф-ции или .Использовавшиеся для этих целей системы оптич. нуля практически вышли изупотребления к кон. 1980-х гг.
Многочисл. модели автоматич. СФ можно разделить примерно на три класса:сложные универсальные СФ для науч. исследований (R ~ 2000-5000), приборыср. класса (R ~ 500-1000) и простые, т. н. рутинные, СФ (R ~ 100-500) срабочими спектральными диапазонами, заполняющими всю область прозрачностиатмосферы 0,19-50 мкм. Кроме того, спец. вакуумные модели выпускаются дляУФ-области (0,1-0,2 мкм) и ИК-области (50-300 мкм). Конструкции автоматич. <СФ обеспечивают широкий выбор значений Л, М,, скоростейи масштабов регистрации спектров разл. объектов, приборы оснащаются наборамигазовых и жидкостных кювет, приставками для измерений зеркального и диффузногоотражений, а также нарушенного полного внутреннего отражения, приставкамидля измерений малых образцов, для исследований при разных темп-pax и т. <п. В конструкции спец. типов СФ вводят микроскопы (микроспектрофотометры),устройства для исследований спектров люминесценции (спектрофлуориметры),дисперсии показателя преломления (спектрорефрактометры), поляризации (спектрополяриметры),измерений яркости внеш. излучателей в сравнении с встроенным эталонным(спектрорадиометры), испытаний чувствительности фотоматериалов (спектросенситометры)и др.
Автоматич. СФ являются осн. приборами для исследований спектральныххарактеристик веществ и материалов и абсорбционного спектрального анализа.
Спектрометры комбинационного рассеяния могут быть однолучевымии двухлучевыми. Источниками излучения в них обычно служат лазеры, а длянаблюдения комбинац. частот (см. Комбинационное рассеяние света )иподавления фона, создаваемого первичным излучением, применяются двойныеи тройные монохроматоры с голографич. дифракц. решётками. В лучших приборахотношение фона к полезному сигналу снижено до 10-15 и комбинац. <частоты могут наблюдаться на расстояниях порядка неск. см -1 от возбуждающей линии.
Скоростные спектрометры (хроноспектрометры) работают по схемерис. 4, но в отличие от др. С. п. их снабжают устройствами быстрого циклич. <сканирования и широкополосными (до 107 Гц) приёмно-регистрирующими системами. Для исследованийкинетики хим. реакций сканирование ведётся с малой скважностью, к-рая достигается, <напр., методом «бегущей щели»: вместо выходной щели в фокальной плоскостиустанавливается быстро вращающийся диск с большим числом радиальных прорезей. <Таким способом получают до 104 спектров в 1 с. Если время жизниобъекта слишком мало, применяют более быстрое сканирование вращающимисязеркалами, это приводит к большой скважности и требует синхронизации началапроцесса с моментом прохождения спектра по щели.
2. Многоканальные спектральные приборы с пространственным разделениемдлин волн
В этой группе приборов сканирование не применяется, дискретный ряд длинволн (в полихроматоpax) или участки непрерывного спектра (в спектрографах)регистрируются одновременно и оптич. часть строится обычно по схеме, приведённойна рис. 3. Если вместо системы, создающей угл. дисперсию, служит наборузкополосных светофильтров, то прибор относят к фотометрам.
Многоканальные приборы используются гл. обр. для спектрального анализаэлементного состава по аналитич. спектральным линиям. По мере увеличениячисла каналов появляется возможность изучения спектральных распределений .Рассмотрим наиб. типичные приборы этой группы (в порядке возрастания числаканалов).
Пламенные (атомно-абсорбционные и эмиссионные) спектрофотометры имеютобычно 1-2 канала регистрации. Они измеряют интенсивности линий абсорбции, <эмиссии или флуоресценции атомов элементов в пламени спец. горелок илидр. атомизаторов. В простых конструкциях аналитич. линии выделяются узкополоснымифильтрами (пламенные фотометры), в приборах более высокого класса применяютсяполихроматоры или монохроматоры, последовательно переключаемые на разл. <длины волн .Приборы данного типа используются для определения большинства элементовпериодич. системы. Они обеспечивают высокую избирательность и чувствительность(до 10-14 г).
Квантометры - фотоэлектрич. установки для промышленного спектральногоанализа сталей, сплавов, смазочных масел, минералов - строятся на основеполихроматоров; выходные щели полихроматора выделяют из спектра излученияисследуемого вещества аналитич. линии и линии сравнения; соответствующиесветовые потоки посылаются на приёмники (фотоумножители), установленныеу каждой щели. Фототоки приёмников заряжают накопит. конденсаторы; величиназаряда, накопленного за время экспозиции, служит мерой интенсивности линии, <к-рая пропорциональна концентрации элемента в пробе. Модели квантометровразличаются рабочими диапазонами спектра (внутри обласли 0,17- 1 мкм),числом одновременно работающих каналов (от 2 до 80), степенью автоматизации, <способами возбуждения спектров (дуга, искра, лазер, источник на основеиндуктивно-связанной плазмы).
Спектрографы одновременно регистрируют протяжённые участки спектра, <развёрнутого в фокальной плоскости (рис. 3), на фотопластинках и фотоплёнках(фотогр. спектрографы), а также на экранах электронно-оптич. преобразователейс «запоминанием» изображений. Типы спектрографов отличаются большим разнообразием- от простых приборов настольного типа для учебных целей и компактных ракетныхи спутниковых бортовых спектрографов до крупных астроспектрографов, работающихв обсерваториях в сочетании с телескопами, и лабораторных 10-метровых вакуумныхустановок с большими дифракц. решётками для исследований тонкой структуры спектров. <Линейная дисперсия спектрографов может лежать в пределах 102- 104 мм/мкм, разрешающаяспособность - достигать дифракц. предела, светосила по освещённости (отношениеосвещённости в изображении входной щели к яркости источника, освещающеговходную щель) -от 0,5 в светосильных приборах до 10-3 и менеев длиннофокусных приборах большой дисперсии.
Развитие многоэлементных приёмников матричного типа (с числом элементовдо 1024) открыло возможность анализа излучений по спектральной и пространственнойкоординатам и привело к появлению разл. вариантов фотоэлектрич. спектрографов-спектрометровс системами электронного сканирования (последоват. опроса сигналов приёмныхэлементов). Такие С. п., строго говоря, не являются многоканальными, посколькув них отсутствует независимая и одноврем. регистрация сигналов от каждогоприёмного элемента.
Скоростные многоканальные С. п. для исследований спектров быстропротекающихпроцессов конструируются путём сочетания спектрографа со скоростной кинокамерой(киноспектрографы), введения в схему прибора многогранных вращающихся зеркал, <применения многоканальной регистрации с многоэлементными приёмниками (такиеС. п. наз. хроноспектрографами, спектрохронографами, спектровизорами).
3. Одноканальные спектральные приборы со спектрально-селективноймодуляцией
Типичными приборами 3-й группы являются растровые спектрометры и сисамы.
Растровые спектрометры строятся по общей схеме, представленнойна рис. 4, но в сканирующем фильтре (монохроматоре) входная и выходнаящели заменяются идентичными растрами. При периодич. сдвиге одногоиз растров с нек-рой частотой w0 возникает амплитудная модуляциятой , дляк-рой изображение входного растра совпадает с выходным растром. Для другихl изображения смещаются в результате угл. дисперсии и амплитуда модуляцииуменьшается. Ширина АФ такого С. п. соответствует полупериоду растра. По сравнению со щелевымирастровые монохроматоры дают значит, выигрыш в потоке, однако их применениеограничено засветкой приёмника большим потоком немодулиров. излучения, <сложностью изготовления растров и высокими требованиями к качеству оптики. <На растровой установке уникального типа с фокусным расстоянием 6,5 м достигалисьзначения R =2*105 в области 2,5 мкм.
Сисам - спектрометр интерференционный с селективной амплитудноймодуляцией - строится на основе двухлучевого интерферометра (рис. 5),в к-ром зеркала заменены синхронно поворачивающимися дифракц. решёткамии введён модулятор по оптич. разности хода. В этом случае амплитудная модуляциянакладывается только на интервал , соответствующий дифракц. пределу вблизи ,к-рая удовлетворяет условию максимума дифракции для обеих решёток. Сисамвсегда работает на дифракц. пределе:,при этом за счёт увеличения входного отверстия поток примерно в 100 разбольше, чем в классич. приборах 1-й группы, но оптико-механич. часть весьмасложна в изготовлении и настройке. С помощью сисама достигнута наивысшаяразрешающая способность с дифракц. решётками в ср. ИК-области: R=1*105 (в диапазоне 8-10 мкм при точности определения длин волн106).
Рис. 5. Принципиальная оптическая схема двухлучевого сканирующегоинтерферометра: Д вх, Д вых - входная и выходная круглыедиафрагмы; С - светоделитель; З 1 - неподвижное зеркало; З 2- подвижное зеркало, перемещаемое (сканируемое) на расстояние (разность хода).
4. Многоканальные спектральные приборы со спектрально-селективноймодуляцией
Для данной группы С. п. характерны одноврем. спектрально-селективнаямодуляция (кодирование) длин волн, воспринимаемых одним фотоэлектрич. приёмником, <и последующее декодирование электрич. сигналов. наиб. распространение получилидва типа приборов этой группы - адамар-спектрометры и фурьеспектрометры.
Адамар-спектрометры строятся по схеме спектрографа с дифракц. решёткой(рис. 3). Разл. длины волн развёрнутого в фокальной плоскости спектра одновременнокодируются циклически сменяемыми масками-матрицами Адамара и посылаютсяна фотоэлектрич. приёмник, сигналы к-рого декодируются вычислит. устройствоми регистрируются в виде дискретного спектра. Такой метод продлевает рабочийдиапазон спектрографов в ИК-область и позволяет решать широкий круг задачмолекулярного спектрального анализа - от определения состава выхлопныхгазов двигателей переносными приборами до анализа веществ с высоким разрешениемна уникальных установках (R до 1,7*104 в области 6 мкм).
Фурье-спектрометры осуществляют непрерывное кодирование длин волн спомощью интерференц. модуляции, реализуемой обычно по схеме рис. 5, представляющейсобой двухлучевой интерферометр Майкельсона. При равномерном перемещениизеркала З 2 в интерференц. картине на выходной диафрагме возникаетот каждой монохроматич. составляющей входящего излучения периодич. мерцание (светло - темно) с частотой тембольшей, чем меньше .Суперпозиция таких модулиров. вкладов от всех поступающих в приёмнике регистрируется в ф-ции разности хода ,образуя интерферограмму , фурье-преобразование к-рой на встроенной ЭВМ даёт спектр F(v). Фурье-спектрометрыодновременно реализуют два выигрыша: за счёт многоканальности и за счётувеличения входного отверстия. Они наиб. эффективны для исследований протяжённыхспектров слабых излучений (особенно в ИК-области, где требования к оптикеинтерферометра упрощаются). Конструкции и характеристики приборов этоготипа весьма разнообразны: от лаб. спектрометров универсального типа, выпускаемыхсерийно многими фирмами, до компактных спутниковых (для геофиз. и космич. <исследований) и уникальных стационарных установок с разностью хода до 10м, на к-рых достигаются точность измерений и разрешающая способность на порядок выше, чем в классич. С. п. (напр.,. до3*106 в ближней ИК-области). (Подробнее см. в ст.Фурье-спектрометр.)
Рис. 6. ИК-спектры поглощения паров воды на участке 200-250 см -1,полученные с помощью фурье-спектрометра при различных оптических равностяххода в интерферометре. Чем больше ,тем больше деталей можно выявить в исследуемом участке спектра, так кактем больше разрешающая способность R=
Итак, принципиальное различие рассмотренных групп приборов следующее:в одноканальных С. п. групп 1 и 3 время эксперимента затрачивается на накоплениеинформации о новых участках спектра (на сканирование по ),в многоканальных приборах группы 2 - на накопление сигнала и усреднениешумов (улучшение отношения сигнал/шум), а в фурье-спектрометрах - на накоплениеструктурных деталей в данном спектральном диапазоне (рис. 6).
Лит.: Тарасов К. И., Спектральные приборы, 2 изд., Л., 1977;П е и с а х о о н И. В., Оптика спектральных приборов, 2 изд., Л., 1975;Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И., Техника и практика спектроскопии,2 изд., М., 1976; Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения, пер. <с франц. и англ., М., 1972; Белл Р. Д ж., Введение в Фурье-спектроскопию, <пер. с англ., М., 1975; Малышев В. И., Введение в экспериментальную спектроскопию, <М., 1979; Миберн Д ж.. Обнаружение и спектрометрия слабых источников света, <пер. с англ., М., 1979; Нагибина И. М., Михайловский Ю. К., Фотографическиеи фотоэлектрические спектральные приборы и техника эмиссионной спектроскопии, <Л., 1981; Новые методы спектроскопии, Новосиб., 1982; Современные тенденциив технике спектроскопии, под ред. Г. Н. Раутиана, Новосиб., 1982; СкоковИ. В., Оптические спектральные приборы, М., 1984; Г е р ш у н М. А., ЕгороваЛ. В., Спектрометры с селективной интерференцией, «Оптико-мех. пром.»,1987, № 4, с. 47; Светосильные спектральные приборы. Сб., под ред. К. И. <Тарасова, М., 1988; Приборы спектральные оптические. Термины и определения. <ГОСТ 27176-86. В. А. Никитин.