Теоретическое введение

Среди разнообразных оптических методов исследования вещества спектроскопические методы занимают особое место. Они предусматривают изучение спектров излучения, поглощения, отражения, и рассеяния. с использованием различных спектральных приборов. На основе спектроскопических данных можно получить обширную информацию как о физических процессах, протекающих в источнике излучения, так и о физических свойствах среды, с которой излучение взаимодействует [1].

Спектроскопические методы достаточно сложны. Получение максимально возможного объема информации, достижимое при рациональном использовании этих методов, требует глубоких теоретических знаний и навыков практического обращения со спектральными приборами. Необходимо знать принципы действия различных приборов, их спектроскопические и фотометрические характеристики, уметь правильно выбрать условия регистрации и обработки спектров в зависимости от поставленной задачи, вида спектра, типа используемого прибора и т.д. [1]. Объем и качество получаемой информации, получаемой при спектроскопических исследованиях, зависит не только от правильного выбора типа собственно спектрального прибора, но и от режима работы источника излучения, режима работы и типа приемника излучения. Поэтому в настоящее время под спектральным прибором в широком смысле слова понимают установку, включающую в себя источник излучения, осветительную систему, собственно спектральный прибор и приемник излучения с усилительно-регистрирующим комплексом [1].

Собственно спектральный прибор представляет собой оптический прибор, предназначенный для разложения электромагнитного излучения оптического диапазона в спектр по длинам волн или частотам и для регистрации этих спектров.

Классификацию спектральных приборов можно провести по различным признакам: по методу получения спектра (призменные, дифракционные, интерференционные и т.п.), по методу его регистрации (визуальная, фотографическая, фотоэлектрическая регистрация) и др.

В каждом спектральном приборе можно выделить 3 основные части, различающиеся своим устройством и назначением: коллиматор, диспергирующая система, камера (в случае визуальной регистрации – зрительная труба).

Коллиматор предназначен для получения пучка излучения с плоским фронтом; он состоит из объектива и находящейся в его фокальной плоскости входной щели прибора.

Диспергирующим устройством могут служить одна или несколько призм, дифракционная решетка, интерферометр.

Зрительная труба, состоящая из объектива и окуляра, формирует изображение щели, которое рассматривается глазом. В спектрографах изображение формируется камерным объективом на слое фотоэмульсии, находящемся в фокальной плоскости объектива.

Каждый спектральный прибор характеризуется следующими основными параметрами: угловой и линейной дисперсией, разрешающей способностью, областью дисперсии, светосилой и фотометрической точностью, вертикальным и горизонтальным увеличениями.

Угловая дисперсия определяется отношением углового расстояния между монохроматическими пучками, выходящими из объектива камеры (зрительной трубы) спектрального прибора, к разнице длин волн этих пучков: / . Для призменных спектральных приборов, работающих в минимуме отклонения,

, (1)

где - преломляющий угол призмы, - дисперсия материала призмы. Угловая дисперсия дифракционных приборов определяется соотношением (при нормальном падении лучей)

, (2)

где - порядок дифракции, - постоянная решетки.

Линейная дисперсия, равная отношению расстояния между двумя монохроматическими изображениями входной щели прибора (спектральными линиями) к соответствующей разнице длин волн ( / ), пропорциональна угловой дисперсии:

, (3)

где - фокусное расстояние камерного объектива, - угол наклона его фокальной плоскости вследствие хроматической аберрации камерного объектива и астигматизма, вносимого призмой. Для характеристики спектрографов часто пользуются величиной обратной линейной дисперсии: / .

Разрешающая способность характеризуется минимальным спектральным интервалом между близкими монохроматическими линиями и , которые данный спектральный прибор позволяет разрешить: . Разрешимый интервал определяется в соответствии с критерием Рэлея [2, 3, 4]. Для призменного прибора

(4)

( - длина основания всех призм вдоль луча), - светосила объектива коллиматора, - ширина щели).

Для дифракционного прибора

, (5)

где - число штрихов в решетке, - порядок дифракции.

Областью дисперсии называют ту область длин волн в спектре, где имеется однозначная связь между длиной волны спектральной линии и ее положением в спектре [1].

Светосила спектрального прибора характеризует его фотометрические свойства; она равна коэффициенту пропорциональности между яркостью источника и непосредственно измеряемой спектральным прибором энергетической характеристикой (потоком, освещенностью) излучения Ф. Светосила зависит от ряда геометрических и спектроскопических параметров прибора, величины потерь излучения на всем пути от источника до приемника излучения, а также от метода регистрации спектра [1]. Светосила влияет на относительную ошибку результата измерения энергетических характеристик спектра [1].

Существование для каждого прибора минимальных величин и (разрешаемый интервал) ограничивает его информационную способность. При заданных яркости источника , регистрируемом участке спектра вблизи и уровне регистрируемых шумов информационная способность прибора пропорциональна произведению светосилы на разрешающую способность. В большинстве случаев для каждого прибора остается практически постоянным.

Ширина и высота изображения входной щели прибора на фотопластинке определяются соотношениями

; , (6)

где - ширина, - высота входной щели, и - фокусные расстояния объективов коллиматора и камеры соответственно, - угловое увеличение призмы или решетки, - угол наклона фокальной поверхности камерного объектива. Уменьшение приводит к уменьшению лишь до определенных значений ширины щели (смотри рисунок 12). При < ширина изображения остается практически постоянной, и происходит лишь уменьшение освещенности изображения. Кроме того, при значениях ширины входной щели, близких к , распределение освещенности в изображении отличается от прямоугольного.

При отсутствии аберраций ширина входной щели , соответствующая переходу зависимости от линейной к зависимости , называется нормальной шириной щели. Она зависит от параметров спектрального прибора [1].