Дифракционный спектроскоп

Принципы работы спектрометров

Спектроскопия – это совокупность методов, позволяющих выполнять спектральный анализ электромагнитного излучения для исследования химического состава вещества и ведения технологических процессов.

Спектрометр представляет собой прибор, который способен разлагать излучение в спектр видимого диапазона. Несмотря на большое разнообразие все атомно-эмиссионные спектрометры имеют одинаковое принципиальное устройство, в котором основные элементы – это оптическая щель, дифракционная решетка, атомизатор и детектор.

Принципиальная схема приборов

В состав конструкции современных спектрометров входят следующие части:

  • Осветительная. Она состоит из источника света, конденсорной линзы или зеркала, диафрагмы или входного зрачка прибора.
  • Оптическая (спектральная). Ее основные элементы – это коллиматор, диспергирующая система (призма или дифракционная решетка), световое отверстие и выходной объектив. В фокальной плоскости последнего устанавливается окуляр, фотопластинка, выходная диафрагма или более сложные устройства.
  • Приемно-регистрирующая.

В зависимости от типа прибора эта часть включает:

  • окуляр (при визуальном методе);
  • фотопластинку (при использовании фотографического метода;
  • фотоприемник (в случае фотоэлектрического метода).

Современные приборы предусматривают автоматизацию процесса спектрального анализа. Это позволяет упростить подготовку образцов, переход в разные режимы работы и обработку результатов с приведением их в удобную форму.

Оптическая щель

Щель – важный элемент спектрального прибора, который определяет его рабочие характеристики. Она пропускает и визуализирует излучения, поступающие в анализатор устройства. От оптической щели зависит:

  • оптическое разрешение;
  • пропускная способность;
  • угол расходимости света.

Среднее значение ширины щели находится в диапазоне 5-800 мкм. Ее высота в стандартном исполнении равна 1 мм.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – оптический прибор, состоящий из совокупности равноудаленных друг от друга щелей одинаковой формы, которые нанесены на непрозрачный носитель (плоский или вогнутый). Принцип действия прибора основан на дифракции света.

  • Период (d) – это расстояние между двумя рядом расположенными щелями, которое равно сумме длин прозрачного и непрозрачного участков.
  • Постоянная решетки – величина обратная периоду (1/d).
  • Разрешающая способность – характеризует возможность разделения двух близких спектральных линий, длина волн которых λ и λ + Δλ. Этот параметр равен отношению длины волны к ее минимальному значению:

После преобразований это выражение принимает вид:

  • Дисперсия (линейная или угловая) определяет линейное или угловое расстояние между двумя линиями с разной длиной волны.

m – главный максимум m-ного порядка.

Атомизатор

Для проведения анализа с использованием атомно-эмиссионного метода необходимо, чтобы вещество перешло в атомарное состояние и произошло возбуждение атомов исследуемого элемента. Для этого проба нагревается до высокой температуры, при которой происходит испарение вещества и распад молекул на атомы.

Затем за счет энергии атомизатора происходит их возбуждение, которое сопровождается выделением света определенной длины, индивидуальной для каждого элемента.

В атомно-эмиссионных спектрометрах используются следующие виды источников атомизации и возбуждения, которые определяют тип прибора:

  • Пламя горелки. В качестве топлива используется горючий газ в смеси с кислородом или воздухом. Анализируемое вещество в жидком состоянии распыляется в пламя. Пламя играет роль атомизатора и источника возбуждения при фотометрическом анализе.
  • Электрическая дуга. При подаче напряжения на вертикально расположенные электроды происходит пробой воздуха, находящегося между ними. В результате этого начинается ионизация атмосферного воздуха, а между электродами образуется плазма, которая воздействует на вещество, помещенное в порошкообразном виде в канал одного из электродов.
  • Искровой разряд. При прохождении низко- или высоковольтного разряда между двумя электродами образуется электропроводящая плазма, которая возбуждает атомы исследуемого образца. Порошкообразная проба размещается в углублении одного из электродов.
  • Высокочастотная индуктивно-связанная плазма. Исследование проводится при атмосферном давлении в присутствии инертного газа. Проба переводится в жидкое состояние, и в виде аэрозоля впрыскивается в ИСП.
  • СВЧ разряд. Для атомизации используется микроволновый разряд.
  • Лазер. Атомизация вещества происходит методом лазерной абляции.
  • Тлеющий разряд. Возбуждение спектра происходит плазмой отрицательного тлеющего свечения. Для проведения анализа требуется использовать образец с ровной поверхностью.
  • Низковольтный импульсный разряд. Низковольтная искра получается при разряде конденсатора, который может происходит в заданном режиме.

Детектор

В качестве приемника излученного света в спектрометрах используются различные устройства. Если в стилоскопе детектором служит глаз человека, а в спектрографах – фотопластинка, то в атомно-эмиссионной спектрометрии интенсивность спектральных линий измеряется напрямую.

Наибольшее распространение получили такие приемники, как:

    Фотодиодная матрица (линейка). Представляет собой линейный массив фотодиодов и управляющих и усиливающих транзисторов. Марица накапливает оптический сигнал и преобразует его в электрический сигнал, который пропорционален величине светового потока.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) или CCD. Кремниевый светодиодный детектор работает в широком динамическом диапазоне. Его чувствительный элемент – это МОП-конденсатор накапливающий заряд и разряжающийся при попадании света на его светочувствительную поверхность.

Заряд конденсатора генерируется фотонами. Его величина пропорциональна интенсивности светового потока и времени его воздействия. По истечении момента интеграции заряд буферизуется и переносится на преобразователь. Каждый элемент детектора сохраняет индивидуальный заряд, полученный при воздействии фотона, причем сканирование его может быть выполнено отдельно. ПЗС-детекторы способны перекрывать широкий диапазон спектров и обеспечивают высокое разрешение прибора.

  • Фотоэлектронный умножитель. Принцип действия этого электровакуумного прибора основан на усилении вторичной эмиссией потока электронов, которые излучает фотокатод при воздействии фототока. Наибольшее распространение получили ФЭУ с динодами – электродами, имеющими изогнутую форму. Фокусировка и ускорение электронов происходит под высоким напряжением, которое может достигать величины от 600 до 3000 В.
  • Регистрирующее устройство

    В современных приборах для регистрации спектра используется электронное устройство, которое работает совместно с ЭВМ. На экране компьютера шкала разбита по длинам волн, которые подсвечены разными цветами, соответствующими определенному диапазону длины волны.

    Особенности работы спектрометров

    Основные этапы процесса атомно-эмиссионного анализа:

    • Испарение образца (для веществ находящихся в состоянии отличном от газообразного).
    • Атомизация молекул.
    • Возбуждение атомов и ионов.
    • Разложение излучения атомизированного вещества в спектр.
    • Регистрация спектра.
    • Проведение идентификации спектральных линий для качественного анализа.
    • Определение интенсивности спектрального сигнала для количественного анализа.

    Атомно-эмиссионная спектрометрия сталкивается со следующими проблемами:

    • Интерпретация результатов элементного анализа осложняется тем, что при атомизации не все молекулы распадаются на атомы, поэтому пламя или плазма содержит различные частицы, излучающие свет с определенным набором длин. Для минимизации этого явления на точность измерения пользуются внутренним стандартом.
    • Количественный анализ невозможно провести по интенсивности спектрального сигнала, так как этот параметр зависит от множества факторов, учесть которые не представляется возможным. Решением этой задачи служит калибровка спектрометра по стандартным образцам с известной концентрацией элементов.

    Атомно-эмиссионные спектрометры – эффективные приборы, которые позволяют получить высокоточные характеристики при проведении исследований. При этом анализ не занимает много времени, процессы автоматизированы и достигаются высокие показатели производительности.

    Астрномия, время

    Спектроскоп из CD

    Спектроскопия сыграла заметную роль в развитии науки и сегодня очень широко используется в физике, химии, астрономии. Именно при наблюдениях спектра Солнца был впервые открыт гелий (намного раньше, чем его обнаружили на Земле). По спектрам можно определить химический состав звезд и изучить их движение, многое узнать о физических процессах в их недрах. Это один из важнейших инструментов астрофизики. Но для многих опытов достаточно простейшего спектроскопа, который можно легко изготовить самостоятельно за полчаса из подручных материалов.

    Основой простейшего спектроскопа может стать дифракционная решетка, изготовленная из CD или DVD диска. Великолепная, очень простая и продуманная конструкция спектроскопа предложена Arvind Paranjpe (к сожалению, сейчас его страница недоступна). Мой вариант по сути мало чем отличается – разве что применены другие материалы и конструкция пригодна для использования с WEB-камерой.

    Читайте также:  Переходник для батареек с мизинчиковых на пальчиковые своими руками

    Итак, нам понадобится обрезок кабель-канала из ПВХ длиной около 20 см (но можно использовать и другие подходящие профили), компакт-диск и одноразовый бритвенный станок. Наш спектроскоп предельно упрощен и не содержит никаких линз.

    Сначала изготовим основу инструмента – дифракционную решетку. Её роль выполняет прямоугольник, вырезанный из компакт-диска. Компакт-диск можно использовать любого типа – CD, DVD, CD-R/RW или DVD-R/RW, но лучше взять незаписываемый CD или DVD с зеркальной рабочей поверхностью – такой диск лучше отражает свет и не будет вносить цветовых искажений.

    Важнейшая характеристика дифракционной решетки – её период. Чем он меньше (чем больше штрихов приходится на один миллиметр) тем лучшее разрешение позволит получить решетка. В нашем случае роль штрихов решетки выполняют дорожки компакт-диска (расстояние между дорожками составляет для CD – 1.6 мкм, для DVD – 0.74 мкм) для улучшения характеристик мы расположим диск под малым углом к падающему лучу света. Такое расположение не только увеличивает разрешающую способность решетки, но и уменьшает влияние кривизны дорожек диска. В идеале на решетку должен падать параллельный пучок лучей, в настоящих спектрографах для этого служит специальная оптическая система – коллиматор. Но можно обойтись и без него, если щель будет располагаться относительно далеко (не менее 10..15 см) от решетки. Щель легко изготовить из двух лезвий, наклеенных на диафрагму-основание так, чтобы между ними оставался тонкий ровный просвет шириной около 0,2..0,3 мм. Наблюдать спектр, полученный после отражения от дифракционной решетки можно непосредственно глазом или фотографировать с помощью Web-камеры.

    Конструкция прибора понятна из фото. В качестве передней стенки-диафрагмы и основы для щели я использовал черный пластик от папок-скоросшивателей (очень удобный материал для оптических самоделок!), в нем вырезано прямоугольное отверстие, на котором нужно закрепить лезвия щели. Их можно приклеить клеем типа “Момент” – это позволит до высыхания клея легко отрегулировать ширину щели. Из рабочей чсти поверхности компакт-диска ножницами или раскаленным ножом (будьте осторожны!) нужно вырезать прямоугольник со сторонами, параллельными радиусу и шириной 1,5..2 см. Лучше попробовать вырезать несколько таких деталей, посмотреть на отражения в них под осттрым углом и выбрать ту, которая имеет наименьшие искажения. Края детали, которые чаще всего деформируются при вырезании, можно заклеить полосками черной изоленты, вполне достаточно оставить рабочий участок шириной 5..10 мм. Это и есть дифракционная решетка. Наклейте её двухсторонним скотчем (клей может повредить покрытие) на клин из пробки или пенопласта (угол к направлению падения лучей должен составлять 20-25°) и закрепите в корпусе напротив отверстия в верхней крышке.

    Желательно зачернить внутренние поверхности прибора и устранить возможные щели.

    Для проверки изготовленного устройства напрвьте его на любую энергосберегающую лампу – они имеют спектр, состоящий из нескольких ярких линий разных цветов. Спектр лампы накаливания, напротив, выглядит непрерывной радугой. Но наиболее интересный и доступный объект – Солнце. В его спектре легко можно увидеть основные линии поглощения (фраунгоферовы линии).

    Ниже приведены фотографии спектров энергосберегающей лампы и Солнца, сфотографированные с помощью недорогой Web-камеры.

    Для фотографирования спектров, конечно, можно использовать и компактный фотоаппарат или даже камеру мобильного телефона. В любом случае объектив камеры должен быть сфокусирован на щель спектроскопа, поэтому некоторые Web-камеры и телефоны, объективы которых не имеют возможности фокусировки, не подойдут для этой цели.

    Обратите внимание, что на фото видны спектры трех порядков, причем второй и третий частично перекрываются, однако это обычно не мешает наблюдать спектральные линии. В солнечном спектре лучше рассматривать или фотографировать линии второго порядка, для более слабых источников света может оказаться удобнее спектр первого порядка.

    Андрей Олешко, 2009-2016г.
    При использовании материалов ссылка на сайт обязательна.

    Дифракционный спектроскоп

    В предыдущих статьях я описывал, как тестировал различные светодиоды для растений. Для анализа спектра я использовал дифракционную решетку и школьный спектроскоп на основе призмы взятые у знакомого учителя физики.

    Но потребность в таком приборе появляется периодически и спектроскоп, а еще лучше спектрометр хотелось бы иметь под рукой.

    Идеальным входом была бы покупка спектрометра, но жаба вежливо покрутила у виска.
    Попытка сварганить спектрометр из CDROMа хорошего стабильного результата не дала.
    И тогда мой взгляд обратился к ювелирным спектроскопам.

    Дешевый сегмент китайского рынка представлен двумя типами спектроскопов — с призмой и чуть более дорогой — с дифракционной решеткой.

    Мой выбор — ювелирный спектроскоп с дифракционной решеткой

    Раз вещь для ювелиров — то в комплекте шел «кожаный» чехол

    Размеры у спектроскопа маленькие

    Что в прочем было ясно из описания магазина
    Собрано все крепко, так что расчлененки не будет.
    Поверим и так, что с одной стороны трубки стоит объектив-линза, с другой дифракционная решетка и защитное стекло.

    А внутри красивая радуга. Налюбовавшись ею вволю стал искать, а что бы такое посмотреть на спектре.
    К сожалению, по прямому назначению спектроскоп применить не удалось, так как вся моя коллекция брильянтов и драгоценных камней ограничилась обручальным кольцом, совершенно непрозрачным и не дающим никакого спектра. Ну разве что в пламени горелки ))).
    Зато ртутная люминисцентная лампа честно дала много красивых полосок. Вволю налюбовавшись различными источниками света озадачился вопросом, что нужно картинку как то зафиксировать и спектр измерить.

    Немного DIY

    В голове уже давно крутилась картинка насадки на фотоаппарат, а под столом стоял ЧПУ станочек, не прошедший еще последней модернизации, но вполне успешно справляющийся с ПВХ пластиком.

    Конструкция получилась не очень красивой. Все таки люфты по X и Y я победил не до конца. Ничего ШВП уже лежат в сборе и ждут, когда опорные линейные рельсы приедут.

    А вот функциональность получилось вполне приемлемой, чтобы радуга отобразилась на стареньком Canon, давно лежащем без дела.

    Правда тут меня ждало разочарование. Красивая радуга становилась какой то дискретной.

    Всему вина — RGB матрица любого фотоаппарата и камеры. Поигравшись с настройками баланса белого цвета и режимами съемки, я смирился с картинкой.
    Ведь преломление света не зависит от того, каким цветом фиксировать изображение. Для спектрального анализа подошла бы и черно-белая камера с максимально равномерной чувствительностью по всей ширине измеряемого диапазона.

    Методика спектрального анализа.

    Путем проб и ошибок нарисовалась такая методика
    1. Рисуется картинка шкалы видимого диапазона света (400-720нм), на ней обозначаются основные линии ртути для калибровки.

    2. Снимается несколько спектров, обязательно с эталонным ртутным. В серии съемок нужно зафиксировать положение спектроскопа на объективе, чтобы исключить сдвиг спектра из серии снимков по горизонтали.

    3. В графическом редакторе шкала подгоняется под ртутный спектр, а все остальные спектры масштабируются без горизонтального сдвига в редакторе. Получается что-то вроде этого

    4. Ну а потом все загоняется в программу анализатор Cell Phone Spectrometer из этой статьи

    Проверяем методику на зеленом лазере, у которого длина волны известна — 532нм

    Погрешность получилась около 1% что при ручной методике подгона ртутных линий и рисования шкалы практически от руки очень даже неплохо.
    Попутно узнал, что зеленые лазеры не прямого излучения, как красные или синие, а используют твердотельную диодную накачку (DPSS) с кучей вторичных излучений. Век живи — век учись!

    Читайте также:  5 полезных идей для сварщика

    Измерение длины волны красного лазера тоже подтвердило правильность методики

    Для интереса померил спектр свечки

    и горящего природного газа

    Теперь можно мерить спектр светодиодов, например «полный спектр» для растений

    Спектрометр готов и работает. Теперь буду готовить с его помощью следующий обзор — сравнение характеристик светодиодов разных производителей, дурят ли нас китайцы и как сделать правильный выбор.

    Вкратце, полученным результатом доволен. Может быть имело смысл подключить спектроскоп к веб камере для непрерывного измерения спектра, как в этом проекте

    Спектроскоп: возможности, расчлененка, тюнинг.

    Не так давно я готовил обзор светодиодных лампочек и сделал из подручных средств спектроскоп с дифракционной решеткой. Сегодня мы рассмотрим спектроскоп с диспергирующей призмой промышленного изготовления. Плюсы, минусы, подводные камни. Прошу под кат.

    Спектроскопы используются для разложения света на спектр. Спектр же, в свою очередь, дает возможность быстро и точно проанализировать вещество, которое испускает или поглощает свет. Продвинутая версия спектроскопа — спектрометр, позволяет сделать не качественный, а количественный анализ. Наиболее простые приборы — спектроскопы прямого зрения. В них используется призма, состоящая из стекол двух типов — флинтгласс и кронгласс.

    Оптическое стекло с малым или большим коэффициентом преломления получают за счет меньшего или большего содержания в рецептуре стекла PbO. Граница, на которой получается пограничный крон-флинт, равна 3 процентам содержания окислов свинца.
    Больше 3 процентов содержания PbO – флинт, меньше – крон.

    Схема спектроскопа показана на рис. 1


    Рис. 1. Схема спектроскопа.

    Я нашел в интернете инструкцию для школьного спектроскопа, под спойлером избранные ее фрагменты.



    Посмотрим, что же нам пришло.


    Рис. 5. Коробка с прибором.


    Рис. 6. Коробка с прибором, вид с другой стороны.


    Рис. 7. Спектроскоп, транспортное положение.

    Для точной фокусировки лучей тубус выдвигается.


    Рис. 8. Спектроскоп с выдвинутым тубусом.

    С одного конца прибора имеется окуляр.


    Рис. 9. Окуляр спектроскопа.

    С другого конца прибора располагается щель.


    Рис. 10. Входная щель спектроскопа.

    Разбираем прибор на части:


    Рис. 11. Детали спектроскопа.

    Слева направо: входная щель, торцевая заглушка, куда вклеивалась щель, корпус прибора, винт, соединяющий две половинки корпуса, гайка, фиксирующая линзу, собирающая линза, вторая гайка, резиновый корпус призмы Амичи, резиновая прокладка, стекло окуляра, корпус окуляра.

    Наиболее сложная деталь тут конечно призма Амичи. Она состоит из трех призм, склеенных прозрачным оптическим клеем.

    Собираем обратно и смотрим на солнышко:


    Рис. 12. Спектр Солнца.

    Как и предполагалось, видим ровный спектр со всей радугой.

    Надо сказать, что снимать спектр фотоаппаратом довольно хлопотно. Спектр оказывается не совсем по центру окуляра, так что приходится ловить фотоаппаратом нужный угол, прикрывать щель между окуляром и объективом, чтобы не было паразитной засветки, при этом еще следить, чтоб фотоаппарат сфокусировался на спектре.

    Теперь посмотрим на спектр энергосберегающей лампы, вот такой:


    Рис. 13. Энергосберегающая лампа теплого света (2700К).


    Рис. 14. Спектр энергосберегайки.

    Мне тут не понравились широкие полоски и я предположил, что дело в слишком широкой входной щели. Кроме того, она была еще и немного смещена от центра прибора.

    И я решил это дело исправить, приклеив два кусочка лезвия скальпеля.


    Рис. 15. Доработка входной щели при помощи обломков лезвия скальпеля.

    Получилось на просвет вот такая щелочка:


    Рис. 16. Входная щель после модернизации.

    После апгрейда спектр стал вот такой:


    Рис. 17. Узкие полоски спектра после уменьшения щели.

    Уже лучше. Но все-таки надеяться на то, что мы там сможем увидеть тонкие полоски, годные для спектрального анализа веществ, невозможно.

    Хорошо бы еще покрасить внутреннюю поверхность тубуса черной матовой краской или даже обклеить черным бархатом. И прикрыть щель, по которой перемещается винтик. Иначе переотраженные от трубы лучи смешивают картину спектра.

    Для интереса, запитал энергосберегайку от пониженного напряжения. Она стала светиться тусклее. Фотоаппарат выкрутил баланс белого и фото не передает истинной цветовой температуры.


    Рис. 18. Энергосберегающая лампа при питании от 80 вольт.

    Ее спектр выглядит вот так:


    Рис. 19. Преобладание красного спектра в свечении лампы при пониженном напряжении.

    Далее поставил светодиодную лампу для растений:


    Рис. 20. Светодиодная лампа для растений.

    И снял ее спектр:


    Рис. 21. Спектр красно-синей светодиодной лампы.

    Следом ультрафиолетовая лампа:


    Рис. 22. Лампа УФ-диапазона.


    Рис. 23. Видимая часть спектра УФ-лампы.

    Наконец, пришло время старой-доброй лампы накаливания.

    Сперва в четверть накала:


    Рис. 24. Лампа накаливания при питании 50 вольт.


    Рис. 25. Спектр лампы накаливания при напряжении 50 вольт.
    Как видим, синяя часть спектра почти отсутствует. Лампа светит оранжевым светом.

    Затем прибавил еще 40 вольт, на фотографии не выглядит сильно ярче, т.к. фотоаппарат изменил экспозицию.


    Рис. 26. Лампа накаливания при 90 вольтах.

    И в ее спектре уже видны синие тона:


    Рис. 27. Спектр лампы накаливания при 90 вольтах.

    Наконец, 220 вольт:


    Рис. 28. Спектр лампы накаливания в полный накал.

    Уже почти эквивалентен солнечному спектру.

    Итак, что можно сказать в заключении: Прибор работает, спектр можно увидеть прямо из коробки. Но для лучшего качества картинки просвет щели следует уменьшить. Ширина спектра кажется меньше, чем в спектроскопе с дифракционной решеткой. Вероятно, это зависит от качества призмы. На схемах некоторых спектроскопов видно, что призма может состоять не из трех, а из пяти элементов.

    Спектроскоп годится как подарок ребенку 3-10 лет. Возможно он пробудит интерес к науке. Немаловажный фактор — компактность. Когда выбираешь подарок, об этом как-то не думаешь, а потом возникает проблема хранения десяти кубометров детского барахла. Еще такой спектроскоп можно прихватить с собой в магазин, когда собираетесь покупать лампочки.

    Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

    Оптический спектрометр – Optical spectrometer

    Оптический спектрометр ( спектрофотометр , спектрограф или спектроскоп ) представляет собой инструмент , используемый для измерения свойств света в течение определенной части электромагнитного спектра , как правило , используется в спектроскопическом анализе для идентификации материалов. Переменная измеряется чаще всего источника света интенсивности , но также может, например, быть поляризация состояния. Независимой переменной, как правило, длина волны света или блок прямо пропорционально фотонной энергии, таких , как обратных сантиметрах или электрон – вольт , который имеет взаимное отношение к длине волны.

    Спектрометр используется в спектроскопии для получения спектральных линий и измерения их длин волн и интенсивности. Спектрометры может также работать в широком диапазоне не-оптических длин волн, от гамма – лучей , и рентгеновские лучи в дальней инфракрасной области спектра . Если прибор предназначен для измерения спектра в абсолютных единицах , а не относительных единицах , то это , как правило , называют спектрофотометра . Большинство спектрофотометров используется в спектральных областях вблизи видимой области спектра.

    В общем, любой конкретный инструмент будет работать над небольшой частью этого общего диапазона из-за различные методов , используемых для измерения различных частей спектра. Ниже оптические частоты (то есть, в микроволновых и радио частот), то анализатор спектра является тесно связан электронным устройством.

    Читайте также:  Подсвечник из стакана

    Спектрометры используются во многих областях. Например, они используются в астрономии для анализа излучения от астрономических объектов и вывести химический состав. Спектрометр использует призму или решетку, чтобы распространить свет от удаленного объекта в спектр. Это позволяет астрономам обнаружить многие из химических элементов по их характерным спектральным отпечаткам пальцев. Если объект светится сам по себе, он будет показывать спектральные линии, вызванные самой светящегося газа. Эти линии называются для элементов, которые вызывают их, такие как альфа-водорода, бета- и гамма-линии. Химические соединения могут быть также идентифицированы путем абсорбции. Как правило, эти темные полосы в определенных местах в спектре, вызванной энергией, поглощаемые как свет от других объектов проходят через облако газа. Большая часть наших знаний о химическом составе Вселенной происходит от спектров.

    содержание

    спектроскопические

    спектроскоп

    Другие именаспектрограф
    Похожие материалыМасс-спектрограф

    Спектроскопические часто используются в астрономии и некоторых отраслях химии . Ранние спектроскопов были просто призмы с градуировкой маркировки длиной волн света. Современные спектроскопические обычно используют дифракционную решетку , подвижную щель , и некоторый вид фотоприемника , все автоматизированное и контролируемое с помощью компьютера .

    Фраунгофер разработал первый современный спектроскоп путем комбинирования призмы, дифракционную щели и телескопа таким образом , что увеличение спектрального разрешения и воспроизводимый в других лабораториях. Fraunhofer также продолжал изобретать первый дифракционный спектроскопа. Густав Роберт Кирхгоф и Бунзен обнаружили применение спектроскоп для химического анализа и использовали этот подход , чтобы обнаружить цезий и рубидий . Кирхгофа и Бунзена анализ также позволил химическое объяснение звездных спектров , в том числе Фраунгофера линии .

    Когда материал нагревается до накала испускает свет , который является характерным для атомного состава материала. Отдельные световые частоты вызывают резко определенные полосы на шкале , которая может рассматриваться как отпечатки пальцев. Например, элемент натрия имеет очень характерную двойную желтую полосу , известную как натриевая D-линии в 588.9950 и 589.5924 нм, цвет которой будут знакомы любому , кто видел низкого давления паров натрия лампы .

    В оригинальной конструкции спектроскопа в начале 19 – го века, свет вошел в щель и коллимирующие линзы преобразовали свет в тонкий луч параллельных лучей. Затем свет проходит через призму (в ручных спектроскопах, как правило, призмы Amici ) , что преломленные луч в спектр , потому что различные длины волны были преломляются различные количества из – за дисперсии . Это изображение затем рассматривается через трубку со шкалой , которая была транспонированной на спектральное изображение, что позволяет его прямое измерение.

    С развитием фотографической пленки , тем более точный спектрограф был создан. Она была основана на том же принципе, что и спектроскопа, но это была камера вместо зрительной трубы. В последние годы, электронные схемы , построенные вокруг ФЭУ трубы заменили камеру, что позволяет в режиме реального времени спектрального анализа с гораздо большей точностью. Массивы фотоэлементов также используются вместо пленки в спектрографических системах. Такой спектральный анализ или спектроскопия, стал важным научным инструментом для анализа состава неизвестного материала и для изучения астрономических явлений и тестирования астрономических теорий.

    В современных спектрографах в УФ, видимой и ближней ИК – диапазонах спектра, спектр , как правило , даны в виде числа фотонов на единицу длины волны (нм или мкм), волновых чисел (мкм -1 , см -1 ), частота (ТГц ), или энергия (эВ), с единицами , указанными на оси абсцисс . В средне- и дальнего ИК спектры , как правило , выражается в единицах Вт на единицу длины волны (мкм) или волновом (см -1 ). Во многих случаях спектр отображается с левой единиц подразумевается (например, «цифровых отсчетов» в спектральном канале).

    Выигрыш в разрешающей способности но сравнению с дифракционными спектрометрами

    В заключение раздела 2 получим выражение для реальной разрешающей способности использующихся в ИК-диапазоне спектра дифракционных спектрометров с отражательными решетками и покажем, что на фурье-спектрометре достижима на несколько порядков большая разрешающая способность, чем на решеточном спектрометре.

    Рассмотрим спектрометр с плоской отражательной решеткой (вогнутая решетка не даст дополнительного выигрыша в разрешающей способности [9]). Положение главных интерференционных максимумов в спектре, порождаемом любыми отражательными решетками, описывается условием

    где т – порядок спектра, d – постоянная решетки, у/ – угол падения, (Рт.тах

    направление на m-й главный интерференционный максимум, причем знак плюс соответствует расположению падающего и дифрагировавшего пучков по одну сторону от нормали к решетке N, а знак минус – по разные стороны. Интенсивность главных максимумов промоделирована дифракционной функцией от одного штриха.

    Теоретическая разрешающая способность дифракционной решетки (G, grating)

    где N^ – полное число штрихов дифракционной решетки. Подставив в (2.33) наибольший возможный порядок спектра из (2.32), получим предельное теоретическое значение разрешающей способности:

    которое определяется шириной дифракционной решетки WG и угловым положением последнего наблюдаемого максимума тахтах.

    Из выражения (2.33) видно, что для увеличения разрешающей способности дифракционного спектрометра необходимо направить поток излучения в спектр возможно большего порядка. С этой целью в приборах используются фазовые отражательные решетки с треугольным профилем штриха (рис. 2.12).

    При падении на такую решетку параллельного пучка лучей на каждой зеркальной «рабочей» храни штриха происходит дифракция, как на узкой щели, и лучи, дифрагировавшие на штрихах, интерферируют. Соотношение, связывающее угол падения у/, направление (р тах на центральный дифракционный максимум и рабочий угол штриха у, имеет вид:

    Физический смысл этого соотношения состоит в том, что направление на центральный дифракционный максимум определяется зеркальным отражением от рабочей грани штриха.

    При одновременном выполнении условий (2.32) и (2.35) главный интерференционный максимум /w-го порядка для длины волны Л совпадает с центральным максимумом дифракционной картины от одного штриха (т = 4 на рис. 2.12), то есть тах . Отметим, что центральный дифракционный максимум в случае непрофилированной решетки совпадал бы с направлением 0 тах на максимум нулевого порядка, изображенным на рис. 2.12 штриховой линией.

    Рис. 2.12. Схема взаимного расположения интерференционной функции (1) и дифракционной функции от одного штриха (2) при дифракции на фазовой отражательной решетке. N – нормаль к решетке; N’ – нормаль к рабочей грани штриха [8].

    Оценим реально достижимую разрешающую способность дифракционного спектрометра. Рассмотрим положительные углы падения и дифракции. Тогда основное уравнение дифракционной решетки (2.32) можно переписать в следующем виде (далее опускаем индексы у углов дифракции):

    где в = (р-у/у Р = /2( 1 ). На фурьс-спсктромстрс в принципе можно получить разрешающую способность порядка К) – 10 х . Первые уникальные но пределу разрешения фурье-спектрометры были созданы во Франции в Национальном центре научных исследований (CNRS), лаборатории Эме Коттон, в группе П. Конна; в Парижском университете, Орсэ, в группе Г. Гслашвили, а также в научных лабораториях США (группы Е. Белла и других). Так на приборе, построенном еще в 1970 году в CNRS во Франции, оптическая разность хода была доведена до 40 м, что соответствовало пределу разрешения Sv

    0,00025 см’ 1 [1,2,6]. В настоящее время серийными приборами-рскордсмснами по пределу разрешения являются фурье-спектрометры фирмы Bruker Optics:

    IFS 125M (Sv= 0,0035 см’ 1 ) и 1FS 125HR (Sv= 0.001 см’ 1 ). Создание фурье-спектрометров с меньшим пределом разрешения технически возможно. Однако в настоящее время отсутствуют физические и химические задачи, требующие применения таких приборов.

    Ссылка на основную публикацию