Основные характеристики спектральных приборов

Основными характеристиками спектральных приборов являются:

1. Линейная дисперсия, определяемая величиной , т. е. числом миллиметров, приходящихся на 1 нм интервала спектра. На практике обычно используют обратную величину , называемую обратной линейной дисперсией, которая определяет величину интервала длин волн, измеряемого в нанометрах, приходящегося на 1 мм длины спектра. По линейной дисперсии различают спектральные приборы малой, средней, большой и высокой дисперсии. Призменные приборы обычно обладают малой и средней дисперсией (10÷ 1 нм/мм). Призменные приборы и приборы с дифракционными решетками обладают большой линейной дисперсией (1÷ 0, 1 нм/мм). Интерференционные приборы обладают высокой линейной дисперсией (0, 01÷ 0, 001 нм/мм).

2. Разрешающая способность (теоретическая и практическая). Теоретическая разрешающая способность определяется дифракцией в действующем отверстии спектрального прибора и выражается отношением

, (3)

где — разность длин волн двух очень близких спектральных линий, еще различаемых раздельно при бесконечно тонкой входной щели прибора. Практическая разрешающая способность определяется шириной входной щели, разрешающей способностью приемника излучения (глаза, фотографической пластинки), шириной выходной щели прибора и аберрациями фокусирующей и диспергирующей систем. Если d — наименьшее расстояние, различаемое раздельно приемником с учетом аберраций (или ширина выходной щели), то

.

Тогда практическая разрешающая способность определяется отношением

, (4)

т. е. связана с линейной дисперсией прибора.

Разрешающие способности приборов с различными диспергирующими системами существенно различаются. В частности, призменные спектральные приборы с малой и средней дисперсией обладают сравнительно малой разрешающей способностью. Она определяется величиной 10³¸ 10⁵. Приборы с дифракционными решетками могут иметь разрешающую способность 10⁵¸ 5·10⁵. Интерференционные приборы обладают очень высокой разрешающей способностью, доходящей до нескольких миллионов.

3. Светосила характеризует освещенность в спектре, даваемую прибором, или лучистый поток, проходящий через выходную щель прибора. Пусть — яркость входной щели прибора. Под этой величиной будем понимать интегральную яркость для всей спектральной линии или, если рассматривается непрерывный спектр, среднюю величину функции распределения яркости по длинам волн для данного участка спектра. Очевидно, что как интегральная яркость для спектральной линии, так и функция распределения яркости для непрерывного спектра, определяются источником излучения, освещающим входную щель прибора. Обозначим: S — площадь входной щели прибора; — телесный угол, под которым видно из центра входной щели действующее отверстие прибора; — прозрачность оптики прибора. Тогда полный лучистый поток , проходящий через прибор и достигающий спектра, будет:

для спектральной линии

, (5)

для участка непрерывного спектра

. (6)

Тут определяется геометрическим изображением входной щели прибора. Если этот лучистый поток полностью проходит через выходную щель прибора
и попадает на приемник (например, фотоэлемент), то светосила прибора по лучистому потоку определяется следующим выражением:

(7)

или

. (8)

В случае фотографирования спектра имеет значение освещенность, создаваемая на фотопластинке. Если лучистый поток падает на площадь (определяется геометрическим увеличением прибора), то освещенность определяется выражением:

для спектральной линии , (9)

для непрерывного спектра . (10)

Светосила в этом случае соответственно будет равна:

, (11)

. (12)

Светосила спектрального прибора выражается по-разному для фотоэлектрической и фотографической регистрации спектра.

Основные оптические характеристики спектрографа ИСП-22:

· рабочий диапазон спектра 2000 — 6000 А (200 — 600 нм);

· длина спектра для рабочего диапазона 220 мм;

· зеркальный объектив коллиматора — сферически вогнутое зеркало с наружным отражающим слоем (алюминий);

· диспергирующая призма — кварцевая, типа Корню;

· наибольшее расчетное отступление фокальной поверхности от плоскости фотопластинки 0, 3 мм.

В данной работе используется кварцевый спектрограф ИСП-22.

Кварцевый спектрограф ИСП-22 предназначен для количественного и качественного эмиссионного спектрального анализа металлов и сплавов, руд, минералов, химических препаратов и для различных специальных исследований. Прибор может также быть использован и для абсорбционного анализа. В комплект установки входят:

1) кварцевый спектрограф ИСП-22 на пластинку 9´ 24 см с принадлежностями;

2) рельс чугунный длиной 1, 5 м;

3) генератор дуги переменного тока;

4) штатив для электродов;

5) конденсатор.

Оптическая схема прибора показана на рисунке 4.6.

 

Рис. 4.6. Оптическая схема спектрографа ИСП-22: 1 — источник света; 2, 3, 4 — трехлинзовая система конденсоров; 5 — щель; 6 — диафрагма для ослабления влияния рассеянного света; 7 — зеркальный объектив коллиматора; 8 — диспер-гирующая призма; 9, 10 — линзы объектива камеры; 11 — плоскость спектра, совпадающая в спектрографе с плоскостью эмульсии фотопластинки; 12 — ступен-чатый ослабитель, который устанавливается перед щелью в случае необходимости

 

 

Обратная линейная дисперсия спектрографа определяется по таблице 1. График хода обратной линейной дисперсии от длины волны показан на рисунке 4.7.

 

	Таблица 1
Длина волны, нм	Обратная линейная дисперсия, нм/мм
	0, 35
	0, 9
	1, 6
	2, 5
	3, 9
	7, 0

 

Спектрограф ИСП-22 состоит из массивной литой станины 13 (рис. 4.8, 4.9); окна в верхней части корпуса для доступа к призме, закрывающегося крышкой 19; корпуса 14; стального рельса 15; сферического зеркала 18.

 

 

 

Щель спектрографа имеет снаружи кварцевое окно, закрытое крышкой 20 с крестообразной маркой для контроля положения источника света. Барабан 21 служит для установки ширины щели, отсчет которой производится по шкале
с ценой деления 0, 0001 мм. К щели прилагаются диафрагма с фигурными вырезами (рис. 4.10) и глухая шторка. Левый фигурный вырез диафрагмы служит для ограничения высоты щели. Левая часть выреза ограничивает высоту щели сверху и снизу, оставляя открытой среднюю часть ее. Положение этого выреза контролируется по верхней шкале. Одно деление соответствует высоте щели 1, 2 мм. Правая часть выреза закрывает среднюю часть щели, оставляя открытыми верхнюю и нижнюю ее части. Положение выреза контролируется по нижней шкале. Отсчет по обеим шкалам читается против края корпуса щели.

Фигурный вырез позволяет фотографировать в средней части щели (левая часть выреза) исследуемый спектр, а сверху и снизу от него (правая часть выреза) — спектр сравнения (например, спектр железа). Оба выреза при этом устанавливаются по шкалам на одно и то же деление.

Два выреза, расположенные в средней части диафрагмы, служат для ограничения высоты щели в ее центральной части. Меньший вырез имеет высоту 1 мм, больший — 2 мм. Установка вырезов производится по двум длинным штрихам, расположенным в левой части диафрагмы (внизу).

Ступенчатый правый вырез называется диафрагмой Гартмана. Устанавливая его ступени перед щелью в соответствии с левой нижней шкалой, мы имеем возможность получить последовательно 9 соприкасающихся спектров одинаковой высоты. Второй, пятый и восьмой спектры фотографируются одновременно. Перемещение диафрагмы в этом случае контролируется по шкале в нижнем левом крае. При работе со ступенчатым вырезом следует повернуть диафрагму на 180° и читать отсчеты против края корпуса щели.

На широком конце корпуса спектрографа смонтирована его кассетная часть. Барабан 22 (рис. 4.9) кассетной части несет на себе плоскость 23 с направляющими, в которых перемещается рамка 24 с кассетой 25. Перемещение рамки производится с помощью ходового винта 26 и маховика 27, снабженного шариковым фиксатором, четыре положения которого соответствуют одному обороту маховика, т. е. перемещению рамки на 10 мм. Перемещение кассеты может быть отсчитано по расположенной справа миллиметровой шкале 28. Кассета двумя своими клиновидными выступами (надеваемыми на шипы кассетной рамки) прижимается к ее опорной плоскости, чем достигается воспроизводимость положения фотопластинки в приборе. Закрепление кассеты на рамке осуществляется при помощи защелки. Барабанчик 30 служит для включения в открытую камерную часть корпуса миллиметровой шкалы длиной 230 мм, впечатываемой при желании в спектрограмму. В положении «Спектр» шкала отведена, а в положении «Шкала» — прижата к эмульсии фотопластинки. Для освещения шкалы во время впечатывания имеется окно, закрытое заслонкой 31 (рис. 4.9).