II.6. Осветительная система
Сформулируем основные требования правильного освещения входной щели спектрального прибора: входная щель должна быть освещена так, чтобы произошло полное освещение диспергирующего элемента, а яркость изображения источника спектра на входной щели была максимальна.
Можно выделить следующие схемы освещения входной щели.
Зеркальный конденсор - сферическое зеркало, помещенное за источником и фокусирующее его изображение на входную щель. К недостаткам такой схемы относится слишком большой размер изображения источника.
Рис. II.7. Трехлинзовый конденсор
Трехлинзовый конденсор (рис. II.7) - при такой схеме освещения на щель проецируется изображение второй линзы. L3 - антивиньетирующая линза - строит изображение второй линзы конденсора на объективе коллиматора. Так как в плоскости второй линзы изображен источник, третья линза это изображение переносит в увеличенном виде на объектив коллиматора. Явление виньетирования состоит в частичном затемнении пучка лучей, поступающего в оптическую систему, происходящее из-за его ограничения диафрагмами прибора (в данном случае входной щелью). Виньетирование приводит к постепенному падению освещенности при переходе от центра изображения к краю.Схема с двойной фокусировкой - для увеличения светового потока часто комбинируют зеркальный и линзовый конденсоры, что позволяет достигнуть двукратного увеличения яркости изображения источника.
II.7. Диспергирующие элементы
В основной массе приборов, используемых в настоящее время для спектрального анализа, принцип действия диспергирующих элементов основывается на двух явлениях - дисперсии показателя преломления, т. е. зависимости показателя преломления от длины волны (реализуется с помощью призмы) и дифракции света при прохождении или отражении (реализуется с помощью дифракционной решетки). При фотометрии пламени и колориметрии широко используются светофильтры. Рассмотрим более подробно принципы работы этих устройств.
II.7.1. Светофильтры
Светофильтр - устройство, меняющее спектральный состав и энергию падающего на него оптического излучения. Основной его характеристикой является спектральная зависимость коэффициента пропускания (или абсорбционности А=-lg) от длины волны падающего излучения. Селективные светофильтры предназначены для отрезания (поглощения) или выделения каких-либо участков спектра. Основными характеристиками светофильтров являются длина волны максимума полосы пропускания, полуширина полосы пропускания и коэффициент пропускания в максимуме полосы пропускания.
Действие светофильтра может быть основано на любом оптическом явлении, обладающем спектральной избирательностью - на поглощении света (абсорбционные светофильтры), отражении (отражательные светофильтры), интерференции (интерференционные светофильтры), дисперсии (дисперсионные светофильтры) и других. В практике атомно-эмиссионного спектрального анализа чаще всего используются абсорбционные и интерференционные светофильтры.
Стеклянные абсорбционные светофильтры отличаются постоянством спектральных характеристик, устойчивостью к воздействию света и температуры, высокой оптической однородностью, простотой изготовления. К основным недостаткам таких светофильтров относятся достаточно большая ширина полосы пропускания (20 - 30 нм) и довольно высокие потери света.
Интерференционные светофильтры состоят из двух полупрозрачных зеркал (например, слоев серебра) и помещенного между ними слоя диэлектрика оптической толщины. Для защиты от повреждения и удобства в обращении светофильтр заключают между двумя стеклянными пластинками. В проходящем свете интерферируют лучи, непосредственно прошедшие через светофильтр и отраженные два, четыре, шесть и более раз от полупрозрачных слоев. В результате в проходящем свете остаются лучи с длиной волны, равной удвоенной толщине слоя диэлектрика. Интерференционные светофильтры выделяют узкие области спектра (5 - 10 нм) с меньшей потерей света, чем абсорбционные.
Кривая пропускания интерференционного светофильтра имеет довольно длинную область, простирающуюся в обе стороны от максимума, где прозрачность сравнительна невелика. По этой причине помехи фона при работе с интерференционными светофильтрами гораздо меньше, чем с абсорбционными, но яркая линия мешающего элемента даже на сравнительно далеком расстоянии от максимума может оказать значительное влияние на результат измерения. Другой особенностью интерференционных светофильтров является зависимость положения максимума полосы пропускания от угла падения лучей света.
Комбинируя абсорбционные и интерференционные светофильтры, можно получить симметричную полосу пропускания с полушириной 1 - 2 нм.