Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 2
НЕ 1.2. Принципи роботи та класифікація спектральних приладів
1.2. Принцип роботи та класифікація спектральних приладів
В даному розділі будуть розглядатися наступні питання:
Основним призначенням спектрального приладу є розкладання випромінювання складної структури на елементарні (одночастотні, монохроматичні) складові й вимірювання їх інтенсивності. Іншими словами, спектральний прилад проводить гармонічний аналіз випромінювання. Всі відомі методи розкладання випромінювання на елементарні складові можна поділити на дві групи.
Перша група методів – просторове розкладання випромінювання в спектр або селективна фільтрація.
Друга група методів – виділення спектральних складових за допомогою оптичної модуляції або селективна модуляція.
Вказані 2 методи мають принципову відмінність. Однак в загальному вигляді, не зважаючи на той чи інший метод, роботу будь–якого спектрального приладу можна представити так.
Нехай на вхід спектрального приладу подається складний сигнал, спектральний розподіл якого описується функцією . Спектральний прилад розкладає та реєструє цей розподіл. Прилад в цілому можна охарактеризувати деякою функцією яка описує його спроможність виділяти вузькі ділянки спектру шириною і називається апаратною функцією приладу. Ясно, що чим менша ширина функції тим точніше, детальніше може бути відновлено розподіл .
Рис.1.7.Візуальне представлення принципу роботи спектрального приладу: а – вхідний сигнал; б – апаратна функція; в – формування вихідного сигналу
Зареєстрований спектральний розподіл енергії на виході F() буде описуватись функцією
. (1.23)
Інтеграл (1.23) носить назву згортки функцій та . Зрозуміло, що тотожність функцій F() можлива тільки у випадку, коли є - функцією.
Процес вимірювання спектрів зводиться до наступного: досліджуване випромінювання з розподілом направляється на селективний фільтр або селективний модулятор, який здійснює вибірку елементарних компонент функцією .
Візуально представити принцип роботи спектрального приладу можна за допомогою рисунку 1.7.
а) селективна фільтрація
Метод селективної фільтрації є історично першим і найбільш поширеним методом спектрометрії.
Прилади, що працюють за принципом селективної фільтрації, можуть бути одно– та багатоканальними.
В одноканальних приладах досліджуване випромінювання з розподілом посилається на селективний фільтр, який виділяє з потоку спектральні компоненти шириною в околі довжини хвилі й може перенастроюватися (дискретно або неперервно), виконуючи сканування по спектру в часі за деяким законом . Виділені компоненти реєструються приймачем випромінювання, запис сигналів з якого дає функцію часу F(t). Перехід від аргументу t до аргументу (за законом ) дозволяє отримати функцію F() – просторово розкладений спектр.
У багатоканальних приладах інформація про спектр, який спостерігається – F(), отримується не в результаті сканування по , а шляхом одночасної реєстрації потоків випромінювання різних довжин хвиль , ... декількома приймачами випромінювання або фотографічним матеріалом.
Одноканальні прилади можуть бути одно– та двопроменевими.
Приклад одноканальних спектральних приладів з селективною фільтрацією :
Приклад багатоканальних спектральних приладів з селективною фільтрацією:
б) селективна модуляція
Методи селективної модуляції отримали розвиток в середині 60-х років минулого століття, тому їх іноді називають новими методами спектрометрії. Вони основані на принципі оптичної модуляції досліджуваного випромінювання, коли розділення випромінювання за довжинами хвиль переноситься з оптичної частини приладу в електричну.
Спектральні прилади, що працюють по принципу селективної модуляції, також можуть бути одноканальними та багатоканальними.
В одноканальному приладі випромінювання складної структури з розподілом посилається на спектрально-селективний модулятор, який модулює з деякою частотою лише потік із спектральним інтервалом в околі довжини хвилі , а решта потоку залишається немодульованою. Модулятор шляхом перенастроювання послідовно модулює різноманітні з тією ж частотою й на виході в результаті отримується функція F(t), значення якої пропорційні відповідним інтенсивностям у розподілі . Тобто функція розкладання випромінювання за довжинами хвиль переноситься з оптичної в електричну частину приладу.
В основі багатоканальних приладів із селективною модуляцією лежить принцип мультиплексування. Його суть полягає в одночасному прийманні в закодованій формі потоку випромінювання від багатьох спектральних елементів одним приймачем. З цією метою випромінювання довжин хвиль ,... одночасно модулюється різними частотами ... Накладання відповідних сигналів утворює в приймачі складний сигнал, частотний спектр якого несе інформацію про спектр вхідного сигналу.
При невеликій кількості каналів компоненти з частотами ... виділяються з сумарного сигналу за допомогою електричних фільтрів, відновлюючи таким чином шуканий розподіл F() пропорційний розподілу .
Під структурною схемою любого приладу розуміють ланцюг, що складається з автономних ланок, кожна з яких виконує визначену функцію. Усі ланки в сукупності виконують нову, також визначену функцію.
До складу спектрального приладу входять (рис.1.8):
Рис.1.8. Структурна схема спектрального приладу
Розглянемо які функції виконує кожна з ланок спектрального приладу.
Джерело випромінювання створює матеріальний носій інформації – потік випромінювання; воно може конструктивно входити до складу приладу (наприклад, ртутна лампа), або може бути віддалене від нього на значну відстань (наприклад, Сонце). Джерело випромінювання може виконувати функцію випромінювача, що збуджує безпосередньо спектр досліджуваної проби (об‘єкта досліджень). Наприклад, для вивчення спектрів поглинання джерело являється засобом утворення суцільного спектру, на фоні якого в подальшому спостерігаються лінії та смуги поглинання. Досить широкий клас джерел безпосередньо являють собою об’єкти дослідження (Сонце, зірки, дуги). Таким чином, призначення джерела – прямо чи опосередковано нести корисну інформацію.
Головною функцією передаючої системи являється формування потоку випромінювання від джерела й направлення його на диспергуючий пристрій з якнайменшими втратами.
Головною функцією диспергуючого пристрою є розкладання випромінювання на монохроматичні складові. Це найбільш важливий, головний пристрій спектрального приладу.
Приймальна оптична система призначена для формування на приймачі потоку, розкладеного в спектр.
Приймач випромінювання перетворює сигнал, що переноситься потоком випромінювання в інший сигнал: або у вигляді електричного струму, або у вигляді оптичної густини почорніння, або у вигляді зорового сприйняття.
Реєструючий пристрій виконує функцію підсилення сигналу, перетворення його в зручну форму для запису спектру.
Слід відмітити, що деякі пристрої можуть бути відсутніми або можуть бути суміщені в одному пристрої. Дуже гарний і наглядний приклад – фотографічна пластинка: вона є одночасно приймачем випромінювання, реєструючим пристроєм і підсилювачем.
Тепер розглянемо структурну схему типового спектрального приладу з диспергуючим елементом у вигляді спектрально-селективного фільтра (рис.1.9):
Рис.1.9. Структурна схема спектрально–селективного фільтра: І –освітлювальна частина: джерело світла (1); конденсорна система (2); вхідна щілина (3); ІІ – оптична (спектральна) частина: об‘єктив вхідного коліматора (4); диспергуючий пристрій (5); вихідний коліматор (6); ІІІ – приймально–реєструюча система: окуляр (7); око спостерігача (8); фотоприймач (9); підсилювач (10); реєструючий пристрій (11); індикатор (12); фотопластинка (13).
1.2.3 Фізичні принципи розкладання випромінювання в спектр
Як відмічалось вище, найбільш важливою та відповідальною частиною спектрального приладу є диспергуючий пристрій.
Диспергуючий пристрій може здійснювати розкладання складного випромінювання на монохроматичні складові або за методами селективної фільтрації, або за методами селективної модуляції.
Дія диспергуючого пристрою ґрунтується на відомих фізичних явищах:
а) Дисперсія світла
Під дисперсією світла розуміють залежність показника заломлення речовини від довжини хвилі або частоти випромінювання, що проходить крізь цю речовину . Чим більша дисперсія речовини, тим більший градієнт швидкостей поширення випромінювання різних довжин хвиль. У спектральних приладах використовують область нормальної дисперсії речовини (dn/d<0), тобто коли n зменшується зі збільшенням довжини хвилі (рис.1.10)
Рис.1.10. Типова дисперсійна крива речовини: 1 – область аномальної дисперсії; 2 – область нормальної дисперсії
Рис.1.11. Заломлення променів різних довжин хвиль у призмі
Явище дисперсії використовується в призмових приладах. Якщо на призму падає паралельний пучок, то напрямок променів на виході буде визначатися тільки довжиною хвилі. Чим коротша довжина хвилі, тим сильніше пучок відхиляється до бази призми (рис.1.11). Для всіх відомих матеріалів n змінюється з довжиною хвилі нелінійно, тому розходження променів у різних частинах спектру буде різним.
б) Дифракція світла
Дифракція світла – явище відхилення світла від напрямку прямолінійного поширення при взаємодії з перешкодами внаслідок хвильової природи світла. Його використовують для розкладання випромінювання в спектр у спектральних приладах із дифракційними гратками.
При падінні на дифракційну гратку паралельного пучка променів виникає дифракція. Дифраговані кожною щілиною промені інтерферують між собою, утворюючи інтерференційну картину, яка в загальному випадку локалізована на безмежності. Використовуючи лінзу (об’єктив), площину локалізації інтерференційної картини зуміщують з фокальною площиною лінзи (рис.1.12).
Рис.1.12. Дифракція світла на гратці
Положення максимумів дифракційного спектра визначається співвідношенням
, (1.24)
де m – порядок спектру; d = а+в – період гратки; а, в –ширина непрозорої та прозорої частин дифракційної гратки відповідно; – кут падіння паралельного пучка світла на гратку; – кут дифракції; – довжина хвилі.
У випадку падаючого випромінювання складного спектрального складу при даному і m кут дифракції являється функцією від . Для m=0 зображення вхідної щілини спектрального приладу не розкладається в спектр, а при m кожному значенню цілого числа m відповідає спектр m–го порядку. Таким чином при використанні дифракційних граток відбувається просторовий розподіл променів різних довжин хвиль.
На відміну від призми, яка дає тільки один спектр, дифракційна гратка дає одночасно декілька спектрів, які можуть при певних умовах накладатися один на одний.
в) Інтерференція світла
Інтерференція світла – це явище, яке полягає в складанні коливань, в результаті чого при певних умовах отримується стійка в часі картина розподілу інтенсивності, що залежить від різниці ходу між інтерферуючими променями. Його використовують для просторового розкладання випромінювання на промені різних довжин хвиль в спектральних приладах із пластинкою Люмера–Герке, ешелоном Майкельсона, інтерферометром Фабрі–Перо. Практично зараз використовується тільки інтерферометр Фабрі–Перо через незначну світлосилу перших двох пристроїв.
Різниця ходу двох інтерферуючих пучків визначається співвідношенням
, (1.25)
де n – показник заломлення матеріалу пластинки; - кут заломлення променів в пластинці (рис.1.13).
Рис.1.13.Схема формування інтерференційних кілець
Як правило, прилади з інтерферометром Фабрі-Перо працюють при кутах падіння, близьких до нуля, тому
. (1.26)
Інтерференційну картину локалізують за допомогою лінзи, а сама картина представляє собою систему концентричних кілець. Умова максимумів інтерференції
. (1.27)
Або в найбільш поширеному випадку, коли пластини знаходяться в повітрі (n=1)
. (1.28)
З (1.28) видно, що при постійних m і h положення максимумів (кут ε) різне для різних довжин хвиль, тобто відбувається просторове розкладання в спектр.
Якщо пластинку покрити з обох сторін напівпрозорими дзеркальними шарами, то буде спостерігатися багатопроменева інтерференція. В результаті цього утворюються вузькі максимуми, розділені широкими проміжками.
Мала ширина смуг, особливо при великих порядках спектру, дає можливість отримати високу роздільну здатність спектральних приладів (набагато більшу, ніж у призмових або дифракційних).
Вказані оптичні явища – дисперсія, дифракція, інтерференція використовуються у, так би мовити, «чистому» вигляді в класичних спектральних приладах, тобто приладах, що працюють за принципом селективної фільтрації. Під «чистотою» розуміють наступне: призма, дифракційна гратка, інтерферометр Фабрі-Перо являються власне диспергуючими пристроями.
В так званих «нових» спектральних приладах, тобто приладах, що працюють за принципом селективної модуляції, також використовуються і призми і дифракційні гратки, однак вони входять у склад спектральних приладів лише як допоміжні елементи селективних оптичних модуляторів.
Дія диспергуючого пристрою – селективного модулятора – базується на явищі модуляції електромагнітних коливань.
Під модуляцією коливань розуміють повільну в порівнянні з періодом коливань зміну амплітуди, частоти, фази або поляризації коливань за певним законом (рис.1.14).
Рис.1.14. Види модуляції електромагнітних хвиль: а – несуча хвиля; б – модулюючий сигнал; в – амплітудна модуляція; г – частотна модуляція; ґ – фазова модуляція
Якщо модулюють електромагнітні коливання оптичного діапазону, то отримуємо модуляцію оптичного випромінювання. (=10-3÷103 мкм). Розрізняють:
Якщо - амплітуда несучої і - амплітуда модулюючого гармонічного коливання, то амплітуда модульованого сигналу у випадку амплітудної модуляції буде змінюватися за законом .
У разі частотної модуляції сінусоідальним коливанням, частота якого змінюється за законом амплітуда модульованого сигналу буде визначатися співвідношенням , де - індекс частотної модуляції.
У випадку фазової модуляції амплітуда модульованого сигналу буде визначатися співвідношенням .
В сучасних спектральних приладах «нового» зразка використовують амплітудну та частотну модуляції.
1.2.4. Класифікація спектральних приладів
Існує ряд ознак, за якими можна класифікувати спектральні прилади. До числа основних ознак відносять:
Розглянемо як поділяють спектральні прилади за визначеними ознаками.
За принципом розкладання випромінювання в спектр (принципом дії диспергуючого пристрою) розрізняють: прилади – селективні фільтри та прилади – селективні модулятори.
За типом оптичної системи приладів розрізняють: звичайні, з окремо оформленими коліматорною та камерною частинами та автоколімаційні, в яких конструктивно суміщені коліматор та камера.
За робочою областю спектру розрізняють спектральні прилади:
За фізичним явищем, що лежить в основі дії приладу розрізняють:
Модуляційні в свою чергу за типом модулятора поділяють на:
а за видом модуляції на:
За способом реєстрації розрізняють такі типи спектральних приладів:
За методом спостереження розрізняють:
Всі монохроматори – одноканальні прилади, всі поліхроматори – багатоканальні прилади.
Тут доцільно зупинитися на деяких важливих подробицях багатоканальних приладів:
Для спрощення розуміння сказаного будемо вважати, що причиною похибок експерименту є шум приймача випромінювання, причому його рівень не залежить від значення потужності випромінювання. Відомо, що при n-кратному вимірювані будь-якого параметра точність у визначенні його величини збільшується в разів.
Нехай одноканальним приладом необхідно виміряти N спектральних ліній. На вимірювання кожної лінії буде затрачено час . Очевидно, що за час t на багатоканальному приладі з N каналами можна виміряти інтенсивність спектральних ліній N раз, що рівнозначно підвищенню точності вимірювань в разів.
Наведений перелік ознак класифікації не являється вичерпним. Спектральні прилади можна класифікувати за величиною дисперсії, за роздільною здатністю, за світлосилою, за швидкодією тощо.
Під кінець розглянемо класифікацію спектральних приладів за призначенням.
1.Спектроскоп
Спектроскоп – це прилад, призначений для візуального спостереження спектрів (рис.1.15). Його структурна схема зображена на рис.1.15.
Рис.1.15. Структурна схема спектроскопа: 1 – джерело випромінюваня; 2 – вхідна щілина; 3 – об’єктив вхідного коліматора; 4 – диспергуючий елемент (призма, дифракційна гратка); 5 – об‘єктив вихідного коліматора (камери); 6 – окуляр.
Спектр розглядається через окуляр оком. Через відносно малі можливості ока, як приймача випромінювання (обмеженість області спектра, залежність точності вимірювань від яскравості спектра, фізіологічного стану спостерігача), спектроскопи мають в наш час обмежене застосування.
2.Спектрограф
Спектрограф – прилад, в якому приймач випромінювання (фотографічний матеріал) одночасно реєструє весь спектр, розгорнутий у фокальній площині об’єктива вихідного коліматора (рис.1.16).
Рис.1.16. Структурна схема спектрографа: 1 – джерело випромінювання; 2 – вхідна щілина; 3 – об’єктив вхідного коліматора; 4 – диспергуючий елемент; 5 – об’єктив вихідного коліматора; 6 – приймач випромінювання (фотоматеріал).
Всі спектрографи – поліхроматори. Вони можуть бути укомплектовані різноманітними приставками.
3.Спектрометр
В широкому розумінні слова спектрометр – це прилад для вимірювання деякої фізичної величини f за параметром x. Наприклад: бета – спектрометр – прилад для вимірювання функції розподілу електронів за швидкостями; мас-спектрометр – прилад для вимірювання функції розподілу атомів за масами.
У вузькому (оптичному) розумінні слова – це прилад для вимірювання оптичних спектрів за допомогою фотоелектричних (або теплових) приймачів випромінювання.
Структурна схема спектрометра зображена на рис.1.17.
Рис.1.17. Структурна схема спектрометра: 1 - джерело випромінювання; 2 - модулятор; 3 - вхідна щілина; 4 - об’єктив вхідного коліматора; 5 - диспергуючий пристрій; 6 - об’єктив вихідного коліматора; 7 - вихідна щілина; 8 - приймач випромінювання; 9 - електричний підсилювач; 10 - індикаторний пристрій (осцилограф, цифро-друкуючий пристрій, вимірювальний пристрій, ЕОМ); 11 - скануючий пристрій.
Як правило оптична частина приладу представляє собою монохроматор. Виділення тої чи іншої частини спектру забезпечується скануванням. Скануючий пристрій змінює положення диспергуючого пристрою відносно нерухомої вхідної та вихідної щілин.
Модулятор слугує для переривання потоку випромінювання з певною частотою. Це дозволяє збільшити відношення сигнал/шум і використати більш сучасну електронно-вимірювальну апаратуру.
Спектрометр може бути виконаний і у поліхроматичному (багатоканальному) варіанті. При цьому вздовж фокальної площини вихідного об’єктива розташовують декілька щілин із приймачами випромінювання. Багатоканальні спектрометри називають квантометрами.
4.Спектрофотометр
Спектрофотометром називають прилад, призначений для вимірювання різниці або відношення спектральних потоків випромінювання, що пройшли через вимірювальний канал та канал порівняння.
Спектрофотометри, як правило, використовують для аналізу спектрів поглинання. Частіше всього вони є двопроменевими приладами: в одному каналі світло проходить через досліджувану речовину, в іншому – через еталон.
Усі спектрометри, як правило, являються монохроматорами.
Розрізняють 3 типи спектрофотометрів:
Найбільш поширеними є прилади з нульовим та відліковим методами вимірювання.
У приладах з нульовим методом відношення потоків визначають методом оптичної компенсації, тобто установкою в еталонний канал проградуйованого фотометричного компенсуючого оптичного клина.
Рис.1.18. Структурна схема спектрофотометра з нульовим методом вимірювання
Принцип дії такого приладу наступний: від джерела випромінювання 1 з допомогою конденсорних систем 2, 12 випромінювання попадає на кювети з еталонним 3 та досліджуваним 11 зразками, після чого пучки зводяться на дзеркальному диску (обтюраторі) модулятора 5. Цей диск має прорізи, через які на монохроматор почергово потрапляють пучки випромінювання з еталонного та досліджуваного каналів. Якщо в зразку є поглинання, то потоки випромінювання, що падають на приймач 8 почергово не будуть однаковими. В ланцюгу приймача протікає при цьому змінний струм (сигнал), який підсилюється підсилювачем 9 та подається на двигун 10. Двигун приводить у рух фотометричний клин 4, що пересувається до моменту зрівняння потоків у обох каналах. Рух клина пов‘язаний з пером самописця 7, який вимальовує на папері спектрограму. Переміщення клина пропорційне відношенню потоків випромінювання, що надходять з каналів.
У приладах з відліковим методом вимірювання потоки випромінювання, що пройшли обидва канали, порівнюються електричним методом, при цьому вимірюється кожен сигнал та визначається їх відношення. Випромінювання від джерела 1 через конденсорні системи 2, 13, попадають у вимірювальний 3 та еталонний канали 12. Модулятор 4 почергово направляє на монохроматор 5 потоки випромінювання з обох каналів. Сигнал, що знімається з приймача 6, підсилюється підсилювачем 7. Далі сигнал розділяється перемикачем 8 та попадає в прилад 9 для порівняння, звідки після обробки та підсилення подається на двигун 10, що приводить в дію перо самописця 11. Перо вимальовує криву пропускання зразка.
Рис.1.19. Структурна схема спектрофотометра з відліковим методом вимірювання.
Таким чином існує всього 4 типи спектральних приладів. Тим не менше у літературі зустрічаються інші найменування спектральних приладів, однак усі ці прилади при детальному аналізі їх конструкції можуть бути віднесені до перелічених вище типів.
Усі модуляційні спектральні прилади за принципом побудови являються спектрометрами. Серед них розрізняють: