Принципиальная схема спектрального прибора

Принципиальная схема спектрального прибора показана на рисунке 4.4.

Источник света I через осветительную систему L освещает узкую входную щель прибора S. Фокусирующая оптика, состоящая из двух объективов О₁ и О₂ с параллельным ходом лучей между ними (наиболее часто встречающийся случай), в фокальной плоскости Р дает изображение входной щели S. Разные направления лучей для различных длин волн обеспечиваются диспергирующей системой D. Совместно с диспергирующей системой фокусирующая система дает монохроматические изображения входной щели, называемые спектральными линиями. Совокупность этих изображений (дискретная или непрерывная) называется спектрометром. В фокальной плоскости Р может быть расположена фотографическая пластинка для регистрации спектра (спектрограф), окуляр в точке О для визуального наблюдения спектра (спектроскоп), одна или несколько входных щелей, выделяющих узкие участки спектра (монохроматор). Фокальная плоскость может быть плоской или цилиндрической. Для приборов с ахроматической фокусирующей оптикой фокальная плоскость или плоскость, касательная к ней, расположена под углом к оптической оси, близким к 90°. В остальных случаях угол значительно отличается от 90°. Спектральные приборы с вогнутой дифракционной решеткой не имеют особой фокусирующей оптики. Ее роль играет сама решетка.

В качестве фокусирующей оптики для спектральных приборов применяются линзовые или зеркальные системы. Качество спектра, даваемое прибором, определяется всей оптикой прибора в целом. Поэтому нельзя утверждать, что хорошая фокусирующая система определяет обязательно хорошее качество спектра при любых диспергирующих системах.

Любой спектральный прибор, вне зависимости от типа, назначения, конструкции и т. п., должен удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Каждая точка входной щели прибора должна изображаться точкой. Изображение, следовательно, должно обладать минимальной сферической аберрацией, комой, астигматизмом.

2. Фокальная поверхность должна быть по возможности плоской. В этом случае обеспечивается возможность фотографирования спектра на плоскую фотопластинку.

3. Хроматическая аберрация не играет роли для качества изображения спектральных линий, так как она приводит лишь к наклону плоскости спектра относительно оси объектива камеры или к кривизне фокальной поверхности.

4. Дисторсия и хроматизм увеличения не играют роли.

Для получения плоского поля необходимо как можно лучше ахроматизировать объектив коллиматора. Выгодно поэтому использовать сферические зеркала в качестве объективов, так как они сами по себе являются ахроматическими. Наличие аберрации приводит к уширению инструментального контура спектральной линии, а это, в свою очередь, влияет на разрешающую способность прибора. В качестве диспергирующих элементов применяются призмы или дифракционные решетки. Из спектральных призм чаще всего используется стеклянная призма, кварцевая призма Корню, призмы постоянного угла отклонения (призма Аббе, призма Водсворта), автоколлимационная призма Литтрова, призма Резерфорда — Броунинга. Как правило, призма или система призм располагается в минимуме угла отклонения, но не исключена возможность вывода отдельных составляющих системы призм из минимума угла отклонения для повышения угловой дисперсии прибора.

Дифракционные решетки используются двух видов — плоские и вогнутые. Плоские используются в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, имеют 1200, 600, 300 или 200 штрихов на 1 мм. Все они имеют специальный профиль нарезки и концентрируют свет в определенный порядок дифракции. Максимальная концентрация света — около 70 %. Диспергирующая система (призма или решетка) обычно устанавливается в параллельных пучках и поэтому не вносит искажений в изображении. Если же она дает аберрации при наличии не строго параллельного пучка лучей, то эти аберрации должны быть учтены и скомпенсированы при расчете фокусирующей оптики.

Наиболее ответственными конструктивными узлами призменных и дифракционных спектрографов являются механизмы щели, узел крепления призмы или решетки с необходимыми перемещениями и юстировочными движениями, кассетная часть. Механизм спектральной щели обеспечивает симметричное раздвижение ножей и пределы раскрытия от 0 до 4 мм при цене деления 0, 001 мм. В однопризменном спектральном приборе призма, как правило, неподвижна и поэтому ее крепление должно быть надежным и вместе с тем не слишком сильным (чтобы не вызывать напряжение в оптическом материале). Обычно призменная часть снимается при транспортировке прибора. Поэтому призма устанавливается на столике при помощи специальных ограничительных планок. В многопризменных и автоколлимационных однопризменных приборах призменная система меняет свое положение при переходе от одной области спектра к другой. В этом случае должно быть осуществлено согласованное взаимное перемещение призм друг относительно друга. Крепление дифракционной решетки должно обеспечивать плавный поворот ее вокруг оси, параллельной штрихам, а также юстировочное движение вокруг горизонтальных осей.

Кассетная часть спектрографа в большинстве случаев конструктивно оформляется таким образом, чтобы можно было менять ее положение относительно оси камеры прибора. Это необходимо для четкой фокусировки всего спектра на фотопластинку. Поворот кассетной части чаще всего осуществляется по цилиндрическим направляющим вокруг мнимой вертикальной оси, проходящей через центр кассеты.

Для проведения всякого спектроскопического исследования в распоряжении экспериментатора должен быть комплект приборов. Кроме спектрального прибора, прежде всего необходимо иметь источники света, генераторы возбуждения спектра. В прикладной спектроскопии наиболее распространенными источниками света являются: дуговой разряд постоянного или переменного тока (генератор ГД‑ 2); искровой разряд (генератор ИГ-3); импульсный разряд.

Необходимо также иметь ряд вспомогательных приборов для обработки спектрограмм и их идентификации. Если приемником является фотопластинка, то к таким приборам относят: микрофотометры (МФ-2, МФ-4) для измерения плотности почернения; спектропроекторы (ПС-18, ДПС-1) для рассматривания спектрограмм и идентификации спектральных линий; измерительный микроскоп МИР-12 или компаратор ИЗА-2 для измерения длин волн.

В случае фотоэлектрической регистрации спектра используются самописцы или специальные измерительно-регистрирующие устройства. Блок-схема типовой экспериментальной установки для спектроскопических исследований показана на рисунке 4.5.