Главная > База знаний > Большая советская энциклопедия > СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ приборы для
исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений
в оптич. диапазоне (10^-3 - 10³ мкм',
см.
Спектры
оптические), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов,
взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа.
С.
п. различаются методами спектрометрии, приёмниками излучения,
исследуемым
(рабочим) диапазоном длин волн и др. характеристиками.

Принцип действия большинства С. п. можно
пояснить с помощью имитатора, изображённого на рис. 1. Форма отвер-

Рис. 1. Результат измерений F( $\lambda$ )
исследуемого спектра f( $\lambda$ )
прибором с аппаратной функцией $\alpha$ ( $\lambda$
- $\lambda$ ' ) описывается интегралом
F( $\lambda$ )=
инт. а ( $\lambda$ - $\lambda$ ')
f( $\lambda$ )d $\lambda$ ,
называемым свёрткой функции f с функцией а. Процесс свёртки можно
имитировать изменением площади отверстия при относительном перемещении
(сканировании) экранов 1 и 2. Чем меньше ширина $\delta$ $\lambda$
функции а( $\lambda$ - $\lambda$ '),
тем точнее прибор передаёт истинный контур f( $\lambda$ ).
Тождество F( $\lambda$ ) =
f( $\lambda$ ) достигается
лишь при бесконечно узкой аппаратной функции ( $\delta$ $\lambda$
-> 0).

стия в равномерно освещённом экране / соответствует
функции f( $\lambda$ ),
описывающей
исследуемый спектр - распределение энергии излучения по длинам волн $\lambda$ .
Отверстие в экране 2 соответствует функции а( $\lambda$
- $\lambda$ '), описывающей
способность С. п. выделять из светового потока узкие участки $\delta$ $\lambda$
в окрестности каждой $\lambda$ '.
Эту важнейшую характеристику С. п. наз. функцией пропускания, или аппаратной
функцией (АФ). Процесс измерения спектра f( $\lambda$ )
прибором
с АФ $\alpha$ ( $\lambda$
- $\lambda$ ') можно имитировать,
регистрируя изменения светового потока, проходящего через отверстие, при
перемещении (сканировании) экрана 2 относительно экрана /. Очевидно,
чем меньше ширина АФ, тем точнее будет измерена форма контура спектра f( $\lambda$ ),
тем более тонкая структура может быть в нём обнаружена.

Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном $\lambda$
является осн. характеристикой С. п.; она определяет спектральное разрешение $\delta$ $\lambda$
и спектральную разрешающую способность R = $\lambda$ / $\delta$ $\lambda$ .
Чем шире АФ, тем хуже разрешение (и меньше R), но больше поток излучения,
пропускаемый прибором, т. е. больше оптич. сигнал и M - отношение
сигнала к шуму. Шумы (случайные помехи), неизбежные в любых измерит,
устройствах, в общем

случае пропорциональны корень(f) ( $\Delta$ f
- полоса пропускания
приёмного устройства). Чем шире $\Delta$ f,
тем выше быстродействие прибора и меньше время измерения, но больше шумы
(меньше M). Взаимосвязь величин R, M, $\Delta$ f
определяется соотношением:

R^аM ( $\Delta$ f) $\beta$
= К ( $\lambda$ ). (1)

Показатели степени ос и $\beta$
принимают различные положит, значения в зависимости от конкретного типа
С. п. Константа К, зависящая только от $\lambda$ ,
определяется конструктивными параметрами данного типа С. п. и накладывает
ограничения на величины R, M, $\Delta$ f.
Кроме того, возможные значения R ограничиваются дифракцией света,
аберрациями оптических систем, а значения $\Delta$ f
- инерционностью приёмно-регистрирующей части С. п.

Рассмотренный с помощью рис. 1 принцип
действия С. п. относится к однока-нальным методам спектрометрии. Наряду
с ними широко распространены многоканальные методы, в к-рых сканирование
не применяется и излучения различных $\lambda$
регистрируются одновременно. Это соответствует наложению на экран 1 неподвижного
экрана с вырезанными N контурами АФ для разных $\lambda$
при независимой регистрации потоков от каждого отверстия (канала).

Общая классификация методов спектрометрии,
являющихся основой различных схем и конструкций С. п., представлена на
рис. 2. Классификация дана по двум осн. признакам - числу каналов и физ.
методам выделения $\lambda$
в пространстве или времени. Исторически первыми и наиболее распространёнными
являются методы пространственного разделения $\lambda$
(селективной фильтрации), к-рыеназ. "классическими" (группы 1 и 2 на
рис. 2). В одноканальных С. п. (группа 1) исследуемый поток со спектром
f( $\lambda$ )
посылается
на спектрально-селективный фильтр, который выделяет из потока нек-рые интервалы $\delta$ $\lambda$
в окрестности каждой $\lambda$ '
и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование
спектра во времени по нек-рому закону $\lambda$ '
(t). Выделенные компоненты $\delta$ $\lambda$
посылаются на приёмник излучения, запись сигналов к-рого даёт функцию времени
F(t)· Переход от аргумента t к аргументу $\lambda$
даёт функцию F( $\lambda$ ) -
наблюдаемый спектр.

В многоканальных С. п. (группа
2)
информация
об исследуемом спектре получается путём одновременной регистрации (без
сканирования по $\lambda$ )
неск. приёмниками потоков излучения разных длин волн ( $\lambda$ ', $\lambda$ ", $\lambda$ '",
...). Последние выделяют, напр., набором узкополосных фильтров или многощелевыми
монохроматорами (полих $\rho$ оматорами).
Если расстояние между каналами не превышает $\delta$ $\lambda$
и число каналов N достаточно велико, то получаемая

Рис. 2. Классификация методов спектрометрии
по способам разделения длин волн. Контуры шириной $\delta$ $\lambda$
символически изображают аппаратные функции (АФ). В "классических" методах
(1 и 2) эти контуры описывают способность прибора пространственно
разделять длины волн. В "новых" методах (Л и 4) АФ описывают способность
прибора электрически разделять длины волн, кодированные различным образом
в оптической части. В одноканальных методах (J и

3) применяется сканирование (символ-О"
в многоканальных (2 и 4) сканирование отсутствует, и измерение интенсивностей
излучения ряда длин волн $\lambda$ ', $\lambda$ ", $\lambda$ ''',...
производится одновременно. Внутри каждой группы указаны краткие названия
основных типов спектральных приборов, относящихся к данной группе.

информация аналогична содержащейся в записи
спектра на сканирующем одноканальном приборе (при тех же $\delta$ $\lambda$ ,
одинаковых приёмниках и пр. равных условиях), но время измерения может
быть сокращено в N раз. Наибольшая многоканальность достигается применением
многоэлементных фотоэлектрич. приёмников излучения и фотографич. материалов
(в спектрографах).

Принципиальной основой "новых" методов
(группы 3 и 4 на рис. 2), получивших развитие с середины
60-х гг., является селективная модуляция, при к-рой функция разделения $\lambda$
переносится из оптической в электрическую часть прибора.

В простейшем одноканальном приборе группы
3 исследуемый поток со спектром f ( $\lambda$ )
посылается на спектрально-селективный модулятор, способный модулировать
нек-рой частотой fconst лишь интервал $\delta$ $\lambda$
в окрестности $\lambda$ ',
оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование $\lambda$ '
(f) производится перестройкой модулятора таким образом, чтобы различные $\lambda$
последовательно модулировались частотой fВыделяя составляющую
fв
сигнале приёмника с помощью электрич. фильтра, получают функцию времени
F(t),
значения
к-рой пропорциональны соответствующим интенсивностям в спектре
f ( $\lambda$ ).

Многоканальные системы с селективной модуляцией
(группа 4) основаны на операции мультиплексирования (multiplexing)
- одновременном приёме излучения от многих спектральных элементов $\delta$ $\lambda$
в кодированной форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длины
волн $\lambda$ ', $\lambda$ ", $\lambda$ '",...
одновременно модулируются разными частотами f', f", f"', ... и суперпозиция
соответствующих потоков в приёмнике излучения даёт сложный сигнал, частотный
спектр к-рого по f несёт информацию об исследуемом спектре по $\lambda$ .
При небольшом числе каналов компоненты f', f",f"',... выделяются
из сигнала с помощью электрич.

фильтров. По мере увеличения числа каналов
гармонический
анализ сигнала усложняется. В предельном случае интерференционной модуляции
искомый спектр f( $\lambda$ )
можно
получить фурьепреобразованием регистрируемой интерферограммы (см. Фурье-спектроскопия).
Среди
др. возможных способов многоканального кодирования получили практическое
применение маски-матрицы Адамара (см. ниже).

За рамками классификации, приведённой на
рис. 2, остаются лишь методы, использующие почти монохроматич. излучение
перестраиваемых лазеров (см. Спектроскопия лазерная).

Все рассмотренные группы методов спектрометрии
нашли практич. воплощение в конструкциях С. п., но относит, распространённость
их различна. Напр., спектрометры си сам, относящиеся к группе 3, осуществлены
лишь в неск. лабораторных экспериментальных установках, а классич. приборы
на основе монохроматоров получили повсеместное распространение как осн.
средство анализа структуры и состава веществ. Рассмотрим наиболее распространённые
типы С. п., следуя приведённой классификации.

1. Одноканальные С. п. с пространственным
разделением длин волн

Основой схемы приборов этой группы (рис.
3) является диспергирующий элемент (дифракционная решётка, зшелетт,
интерферометр Фабри - Перо, призма), обладающий угловой дисперсией $\Delta$ $\varphi$ / $\Delta$ $\lambda$ .
Он позволяет развернуть в фокальной плоскости Ф изображение входной щели
Щ
в излучении разных длин волн. Объективами Oобычно служат сферич. или параболич. зеркала, т. к. их фокусные расстояния
не зависят от $\lambda$
(в отличие от линзовых систем). Одноканальные схемы имеют в фокальной плоскости
Ф одну выходную щель и наз. монохроматорами. Сканирование по $\lambda$
осуществляется, как правило, поворотом диспергирующего

элемента или вспомогательного зеркала.
В простейших монохроматорах вместо решёток и призм применяются циркулярно-клиновые
светофильтры
с
непрерывной перестройкой узкой полосы пропускания или наборы узкополосных
светофильтров, дающие ряд дискретных отсчётов для разных $\lambda$
.

Рис. 3. Принципиальная оптическая схема
спектрального прибора с пространственным разделением длин волн с помощью
угловой дисперсии: / - коллиматор с входной щелью Щ и объективом
О $\iota$ , фокусное расстояние
которого Ct; 2 - диспергирующий элемент, обладающий угловой дисперсией $\Delta$ $\varphi$ / $\Delta$ $\lambda$ ;
3
- фокусирующая система (камера) Св фокальной плоскости Ф изображения входной щели в излучен нии разных
длин волн с линейной диспер-сией $\Delta$ x/ $\Delta$ $\lambda$ .
Если в плоскости Ф установлена одна выходная щель, то прибор называется
монохроматором, если несколько - полихроматором, если фото-чувствительный
слой (или глаз) - спектрографом (или спектроскопом).

На основе монохроматоров строятся однолучевые
и двухлучевые спектрометры. Для однолучевых С. п. (рис. 4) характерно последовательное
соединение функциональных элементов. В случае измерения спектров пропускания
или отражения обычно используется встроенный источник сплошного спектра
излучения;
для измерения спектров внешних излучателей предусматриваются соответствующие
осветители. Для С. п. этого типа соотношение (1) обычно имеет

вид: R²M корень( $\Delta$ f)
= К ( $\lambda$ ), и накладываемые
им ограничения на R и $\Delta$ f
играют
осн. роль в инфракрасной (ИК) области, где яркости источников быстро уменьшаются
и значения К малы. В видимой и ближней ИК-областях энергетич. ограничения
играют меньшую роль и рабочие значения R могут приближаться к дифракционному
пределу (напр.,

Рис. 4. Блок-схема однолучевого одноканального
спектрального прибора: И - источник излучения: M - оптический
модулятор (обтюратор); О - исследуемый образец; Ф - сканирующий фильтр
(vjнохроматор); Я - фотоэлектрический приёмник излучения; У - усилитель
и преобразователь сигналов приёмника; P - аналоговый или цифровой регистратор.

в С. п. с дифракционными решётками к значению
RkvLsin $\varphi$ ,
где k - кратность дифракции, $\nu$
= 1/ $\lambda$ - волновое число,
L
- ширина решётки, $\varphi$
- угол дифракции).

Двухлучевые схемы характерны для спектрофотометров.
Рассмотрим типичные приборы группы 1.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я