А) Фокальна поверхня спектрографа

Форма фокальної поверхні визначається властивостями диспергуючої системи та фокусуючої оптики, за умови використання призм та неахроматизованих об'єктивів, досить складна. Вона визначається впливом хроматичної аберації об'єктива камери та астигматизму призми, який рівний нулю лише для певної довжини хвилі.

Показник заломлення призми й об'єктива зростає із зменшенням довжини хвилі, відповідно, фокусна відстань об'єктива зменшується в напрямку до короткохвильової ділянки спектра. Таким чином, у кожній точці фокальна площина утворює деякий кут із променем, падаючим із центра об'єктива. Отже, для різних ділянок спектра цей кут різний. Але з певним наближенням можна обмежитися розглядом середнього кута нахилу до оптичної вісі лінзи, а фокальну поверхню вважати плоскою (рис. 6).

Наведемо орієнтовний розрахунок нахилу фокальної площини у кварцовому спектрографі із дзеркальним об'єктивом коліматора, неахроматизованим об'єктивом та 600 призмою, розміщеною в мінімумі відхилення (ИСП-22, ИСП-28, ИСП-30).

Вважаючи камерну лінзу тонкою, запишемо:

,

де n — показник заломлення матеріалу лінзи. Диференціюємо рівність по n:

(7.22)

З рис. 6 можна записати:

Використовуючи (7.22), отримаємо:

 

Підставивши значення кутової дисперсії призми в умовах мінімуму відхилення, маємо:

,

де n – показник заломлення призми.

Вважаючи , отримаємо:

(7.23)

Нахил касети, розрахований за формулою (7.23) для кварцового спектрографа (n = 1.6), складає 450.

При розрахунках не враховувалася зміна нахилу, викликана астигматизмом. Насправді для кварцового спектрографа ИСП-22 кут 420.

 

б) Лінійна дисперсія призмового спектрографа

Лінійна та кутова дисперсії призмового спектрографа пов'язані між собою. Дійсно, беручи за основу рис. 7, можна записати:

Тому

Тобто, з переходом до короткохвильової ділянки спектра зростає як лінійна, так і кутова дисперсія.

Використавши формулу, що визначає кутову дисперсію призми (7.10), можна розрахувати лінійну дисперсію призмового спектрографа:

(7.24)

Для призмових приладів хід лінійної дисперсії у спектрі визначається як властивостями матеріалу призми, так і зміною фокусної відстані камери з довжиною хвилі. Перераховані фактори впливають взаємно протилежно, але вплив першого значно суттєвий.

Різкий спад лінійної дисперсії призмових приладів у довгохвильовій області спектра робить їх мало придатними для використання в червоній та інфрачервоній ділянках спектра.

в) Роздільна здатність призмового спектрографа

Визначення теоретичної роздільної здатності ґрунтується на критерії Релея, який формулюється на основі явища дифракції. Після певних перетворень можна отримати рівність, що виражає теоретичну роздільну здатність для призми:

(7.25),

де Т — основа тригранної призми, яка повністю заповнена світловим потоком.

З формули (7.25) випливає, що роздільна здатність призмового спектрографа прямо пропорційна розміру основи призми та дисперсії матеріалу і не залежить від заломлюючого кута.

Можна також довести, що для призми заданих розмірів найбільша роздільна здатність досягається в умовах мінімального відхилення (пучок світла повністю заповнює призму).

4. Призмові спектрографи для ультрафіолетової
ділянки спектра

а) Будова спектрографа та джерела випромінювання

Основним приладом для досліджень області 220 - 400 нм є спектрограф ИСП-22 та його модифікації ИСП-28 і ИСП-30. Прилад побудовано за оригінальною дзеркально-лінзовою схемою, використання якої у комплекті із призмою Корню дає змогу отримати майже плоску фокальну поверхню вздовж всієї робочої ділянки спектра.

Технічні характеристики спектрографа ИСП-22

Робочий діапазон	200 - 600 нм
Довжина зображення спектра	220 мм
Фокусна відстань коліматора	600 мм
Відносний отвір коліматора	1: 15
Фокусна відстань об'єктива камери	830 мм (257, 3 нм)
Відносний отвір камерного об'єктива	1: 21

Розміри призми Корню:

Заломлюючий кут	60о
Основа	47 мм
Висота	30 мм

Від’юстований ИСП-22 повинен розділяти триплет заліза 310 нм. (310, 067; 310, 031; 309, 997 нм.) за умови, що призма встановлена в мінімумі відхилення для = 257, 3 нм.

Оптичну систему приладу наведено на рис. 8. Промені від джерела світла 1 проходять через кварцовий трилінзовий освітлювач 2, 3, 4, регульовану вхідну щілину 6 і потрапляють до дзеркального об'єктива (вгнуте дзеркало) 7 коліматора.

Після відбивання від дзеркального об'єктива паралельний пучок променів надходить до диспергуючої системи (призма Корню 8 виготовлена з кварцу).

Об'єктив камери 9 фокусує промені різних довжин хвиль у фокальній площині, яка збігається з площиною емульсії фотопластинки 10.

Ахроматичний освітлювач складається з трьох лінз 2, 3, 4; які виготовлені з плавленого кварцу. Він забезпечує рівномірність освітлення вхідної щілини та дозволяє повністю використовувати діючий отвір приладу.

Як джерело випромінювання з лінійчастим спектром використовується ртутно-кварцова лампа низького тиску ПРК-2 (ПРК-4). Лампа типу ПРК має циліндричний балон діаметром 17-20 мм і довжиною 90-160 мм, виготовлений з плавленого кварцу (кварцове скло). Лампу наповнено аргоном під невисоким тиском (кілька міліметрів ртутного стовпа) та введено невелику кількість ртуті. За кімнатної температури тиск насичуючої пари ртуті малий. Тому в початковий момент вмикання лампи виникає електричний розряд в аргоні, що супроводжується голубим свіченням. Ртуть, яка є в лампі, помітно знижує потенціал запалювання, й лампа легко засвічується за невисокої напруги. При проходженні початкового струму в кілька ампер електроди лампи нагріваються, починаючи випромінювати електрони, які й підтримують розряд. З підвищенням температури лампи ртуть випаровується, насичуючи об'єм лампи. При цьому тиск у балоні лампи зростає.

Збуджені електронами атоми ртуті випромінюють характерний спектр, причому з підвищенням температури інтенсивність випромінювання ртуті поступово зростає, переважаючи випромінювання аргона. Ця зміна спектрального складу випромінювання ртутно-кварцової лампи помітна на око за зміною кольору її світіння протягом 8-10 хв. після вмикання. Після випаровування всієї ртуті в балоні лампи режим електричного розряду в ній стає стабільним.

Ртутно-кварцова лампа ПРК-2 (або ПРК-4) при достатній експозиції утворює на спектрографічній фотопластинці близько 60 спектральних ліній різної інтенсивності.