Лекции_НМ_СП. Лекции 1,2 по курсам Основы спектральных методов анализа (НМ2) и Атомноэмиссионный анализ

• Название: Лекции 1,2 по курсам Основы спектральных методов анализа (НМ2) и Атомноэмиссионный анализ
• Дата: 26.11.2020
• Размер: 0.62 Mb.
• Имя файла: Лекции_НМ_СП.docx
• Тип: Лекции; #154007
• страница: 2 из 5

Часть прибора, включающая щель 3 и первый по ходу лучей объектив 4 на рис.2, называется коллиматором. Его назначение – создать параллельные пучки лучей. Поэтому щель всегда ставится в фокусе объектива, а сам объектив должен быть ахроматическим, т.е. его фокусное расстояние не должно зависеть от длины волны.

Для получения максимальной интенсивности спектра объектив коллиматора должен быть полностью заполнен светом. Это достигается специальным выбором условий освещения щели.

Источник света с большой равномерной излучающей поверхностью можно расположить непосредственно перед щелью. Если угловая ширина источника α (рис.2), не меньше углового размера коллимирующего объектива β, то коллиматор заполнен светом. При этом никакая осветительная система не может увеличить световой поток, приходящий в прибор. Из условия α = β (рис.2) следует, что источник диаметром d должен располагаться от щели (2) на расстоянии

l = f₁d/D (3)

Если источник света мал или по техническим причинам его нельзя расположить близко к щели, чтобы выполнялось условие (3), пользуются линзовыми осветительными системами, формирующими изображение источника на входной щели спектрального прибора, как показано на рис. 2. В этом случае в условии (3) d – диаметр апертуры конденсорной линзы, l – расстояние от линзы до входной щели.



Щель спектрального прибора

Щель — весьма ответственная часть спектрального прибора, поскольку каждая спектральная линия представляет собой изо­бражение щели.

От ширины щели в известных пределах зависит интенсивность спектральных линий, возможность разделения близких линий в спектре и т. д. Поэтому в большинстве приборов щель делается раздвижной, так чтобы можно было менять ее ширину в преде­лах примерно от 0,001 до 0,1 мм. Края щели должны быть строго параллельными друг другу и без дефектов — зазубрин и высту­пов. Краям щели придают форму, показанную на рис. 41, для того, чтобы свет не мог, отразившись от них, попасть в прибор. Отечественные приборы снабжены «симметричными» щелями, в которых одновременно смещаются обе щечки (/); в этом случае /середина щели при изменении ее ширины не смещается. Щель собирают в отдельном корпусе, который затем монтируется в прибор. Для защиты щели от пыли, механических повреждений и попадания раскаленных капелек металла от источника света, щель закрывается стеклянным или кварцевым окошком, в зави­симости от материала оптики прибора. Щечки щели выполняют­ся из нержавеющей стали. Щель следует тщательно оберегать от воздействия химически активных паров.

Щель ограничивается так же и по высоте, для чего служат специальные диафрагмы, которые устанавливаются перед щелью. 11л рис. 42 показана наиболее распространенная диафрагма. Как видно из рисунка, перемещая диафрагму относительно щели, можно не только ограничивать высоту щели, но и освещать различные участки.
Диспергирующая системапредназначена для пространственного разделения пучков света различных длин волн. В качестве диспергирующих элементов используются призмы, дифракционные решетки, а также интерферометр Фабри-Перо и другие приборы.

Рассмотрим ход лучей в призменном спектральном приборе (рис.2). Пусть источник 1 излучает свет только двух длин волн λ₁ и λ₂. Выйдя из коллиматора, параллельный пучок света падает на призму 5 под одним и тем же углом. Для света длины волны λ₁ показатель преломления имеет значение n₁. Поэтому параллельно падающие лучи света с одинаковой длиной волны одинаково преломляются на гранях призмы и выходят из нее снова параллельным пучком под некоторым углом φ₁ к первоначальному направлению. Лучи другой длины волны также выйдут из призмы параллельным пучком, но в другом направлении, под углом φ₂, т.к. n₁(λ₁) ≠ n₂(λ₂)(рис. 2 и 3). Так призма осуществляет пространственное разделение световых пучков различных длин волн.


Рис. 3. Ход лучей света двух разных длин волн λ₁ и λ₂ через призму

Объектив камеры 6 собирает параллельные пучки света, выходящие из призмы, в своей фокальной плоскости 6. Так как лучи различных длин волн имеют после призмы различные направления, то в фокальной плоскости объектива камеры получается ряд параллельных, различно окрашенных изображений щели, образующих систему спектральных линий – спектр излучения источника (рис. 4, а).


Рис. 4. Система спектральных линий излучения ртути (а) и соответствующее распределение интенсивности света в спектре (б)
Приемно-регистрирующая часть. В фокальной плоскости объектива (6) камеры получается спектр, доступный измерению данным прибором. Если с этой плоскостью совместить эмульсию фотопластинки и включить источник света, то после проявления на пластинке появится в виде темных линий сразу весь участок спектра. Приборы подобного типа именуются спектрографами.

Можно поступить иначе: на пересечении оптической оси прибора с фокальной плоскостью объектива установить вторую щель (выходную), параллельную входной. Выходная щель при соответствующей ширине вырежет из всего спектра только одну спектральную линию. Такие приборы называют монохроматорами. С их помощью также можно изучить весь спектр, но для этого необходимо поворачивать диспергирующий элемент. Тогда через выходную щель последовательно пройдут все линии спектра. Если теперь поставить за щелью фотоприемник с усилителем (например, фотодиод или фотоэлектронный умножитель), а призму вращать автоматически, то можно записать весь спектр в виде максимумов интенсивности фотосигнала, расположенных в определенном порядке (рис. 4, б).

В последнее время в качестве фоторегистратора используются специальные матрицы и линейки фоточувствительных элементов (ПЗС–матрицы и ПЗС–линейки; ПЗС – прибор с зарядовой связью) формирующие сигнал в телевизионном формате. В сочетании со специальной платой ввода изображений и компьютером такие устройства позволяют получать в цифровом виде информацию о распределении интенсивности в спектре излучения. Фотоэлектрическая запись спектра имеет то преимущество, что на графике одновременно регистрируются длины волн, относительные интенсивности и форма спектральных линий.

Р ис. 5. Анализатор спектров фотоэлектрический к спектрографам и квантометрам ФЭП-454
Регистрация спектра на ФЭП-454 обладает целым рядом преимуществ по сравнению с фотографической регистрацией

• 
  широкий диапазон спектральной чувствительности;
  
• 
  высокая квантовая эффективность твердотельных приёмников;
  
• 
  прямой ввод спектра в компьютер и автоматизированная
  
• 
  обработка информации;
  
• 
  отсутствие фотометрирования;
  
• 
  отпадает необходимость в фотоматериалах и их обработке;
  
• 
  экспрессность проведения анализа;
  
• 
  широкий динамический диапазон интенсивностей;
  
• 
  получение результатов в реальном масштабе времени;
  
• 
  высокая точность количественного анализа;
  
• 
  возможность создания и простота ведения баз данных.
  

Рис. 6. Схема образования и переноса заряда в ячейке ПЗС устройства
Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрическогопотенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.
В простейшем случае за фокальной плоскостью объектива можно поставить окуляр зрительной трубы и наблюдать спектр визуально. Приборы такого типа называются спектроскопами — оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения. Используется для быстрого качественного спектрального анализа веществ в химии, металлургии (например, стилоскоп) и т.д.
Оптические характеристики спектрального прибора. К основным характеристикам спектральных приборов, определяющим их функциональные возможности, относятся: дисперсия (угловая и линейная), разрешающая способность и светосила (относительное отверстие).

Угловая дисперсия D_ϕ характеризует способность диспергирующего элемента отклонять излучение различных длин волн на разные углы

,

где dφ - угол между лучами с длинами волн λ и λ+dλ .

Линейная дисперсияD_l является характеристикой прибора в целом. Она определяет линейное расстояние dl между спектральными линиями с длинами волн λ и λ+dλ в фокальной плоскости объектива камеры. Линейная дисперсия пропорциональна угловой D_φ и фокусному расстоянию объектива f₂ :

(6)

Разрешающая способность. Ранее было показано в (2) и (4), что наблюдаемая спектральная линия имеет конечную ширину. Поэтому линии двух близких волн не всегда и не любым прибором удается наблюдать раздельно, они как бы сливаются, накладываясь друг на друга. Для каждого прибора существует предельная разность в длинах волн двух линий, которые еще могут наблюдаться раздельно: ∆λ = λ₂ – λ₁. Для призменных приборов эта разность не постоянна по спектру, она зависит от средней длины волны λ = (λ₁+λ₂)/2 этих линий.

Разрешающая способность R есть количественная оценка способности спектрального прибора различать две близко расположенные спектральные линии:

(7)

Светосила и относительное отверстие спектральных приборов. Для повышения чувствительности анализа важно, чтобы в спектральный прибор попадала максимально возможная доля энергии, излучаемой источником. Для этой цели применяются различные осветительные системы, задачей которых является: равномерное освещение щели и формирование пучка с углом падения на щель α, равным угловому размеру объектива коллиматора β . Допустим, что это условие выполнено. Тогда величиной, определяющей часть энергии, попадающей в прибор, является угол β , который определяется из условия



Обычно за меру светосилы прибора принимают величину D/f₁, называемую относительным отверстием. Для фотообъективов D/f колеблется от 1:1,2 до 1:4 (нормальные объективы) и даже 1:20 (длиннофокусные телеобъективы). Чтобы увеличить светосилу диаметр телеобъективов приходится делать большим. Относительные отверстия спектральных приборов в зависимости от их назначения колеблется от 1:2 до 1:40.

Лекции 5,6
ИЗМЕРЕНИЕ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ

Фотометрические понятия

Д ля измерения энергии света пользуются различными фото­метрическими величинами. Нам придется в дальнейшем иметь де­ло со следующими основными фото метрическими величинами: световым потоком Ф, освещенностью Е и интенсивностью света I.

Световым потоком Ф через поверхность S называется количество световой энергии протекающей в единицу времени через данную поверхность.
Рис. 7.

Освещенностью Е называется световой поток, приходящийся на единицу поверхности:

E = Ф/S

Интенсивностью света Iв данной точке пространства называется величина светового потока, протекающего внутри еди­ничного телесного угла через единицу площади с центром в рас­сматриваемой точке:

,

где (рис. 7) Ф — световой поток, протекающий через площад­ку S внутри телесного угла Ω;

Θ — угол между направлением светового потока и нормалью n к площадке S;

S∙cos Θ — видимый размер площадки S.

Интенсивность света иногда называют яркостью светового потока.

Излучение протяженных источников (например, пламени, ду­ги или искры) характеризуется яркостью В. Под яркостью источ­ника понимается количество энергии, излучаемой единицей види­мой поверхности источника внутрь единичного телесного угла.

Предположим, что поверхность S источника посылает внутрь телесного угла Омега световой поток Ф. Если ось светового пучка образует угол 0 с перпендикуляром к площадке 5, то, по опреде­лению, яркость источника В равна

.


Приемники света

Основными приемниками света, применяемыми при спектраль­ном анализе, служат: глаз, фотопластинка, фотоэлемент и фото­умножитель.

Глаз. Разрез глаза показан схематически на рис. 8. Глаз представляет собой оптическую систему, дающую изображение рассматриваемого предмета на сетчатой оболочке. Роль линзы играет хрусталик. В сетчатой оболочке разветвлены волокна зри­тельного нерва. Наружный слой сетчатой оболочки состоит из большого числа светочувствительных элементов глаза. Волокна зрительного нерва служат проводником светового раздражения от светочувствительного слоя к мозгу.

Е сли глаз рассматривает предмет очень удаленный или малых размеров, так что изображение на сетчатой оболочке попадает внутрь отдельного светочувствительного элемента, то световое ощущение определяется световым потоком, попадающим в глаз. Если же изображение покрывает собой поверхность, состоящую из многих светочувствительных элементов, то световое ощущение будет зависеть от освещенности сетчатой оболочки.

Ф о т о п л а с т и н к а. Светочувствительный слой фотопластинки состоит из желатины и кристаллов галоидного серебра. Под действием света и последующей химической обработки происходит выделение металлического серебра, которое создает почернение. Степень почернения зависит от освещенности фотопластинки и длительности ее освещения.

Рис. 8. Схема разреза человеческого глаза
Фотоэлемент. Фотоэлемент преобразует световую энер­гию в электрическую. Фотоэлемент реагирует на величину свето­вого потока.

В практике спектрального анализа находят себе применение фотоэлементы двух типов:

1. 
   Фотоэлементы с запирающим слоем или вентильные фото­элементы, в которых под действием света возникает электродви­жущая сила.
   
2. 
   Электровакуумные фотоэлементы, в которых используется способность некоторых металлов испускать электроны под дейст­вием света. Под действием света такие фотоэлементы пропускают электрический ток, если их соединить с источником напряжения.
   

Фотоэлементы первой группы применяются в микрофотомет­рах — приборах для измерений почернений на фотопластинке. Электровакуумные фотоэлементы применяются для реги­страции спектра в фотоэлектрических установках для спектраль­ного анализа. На основе светочувствительных фотодиодов созданы ПЗС-ма́трицы (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трицы (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированные аналоговые интегральные микросхемы, выполненные на основе кремния, использующие технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. CCD-матрицы выполняют функцию преобразования света в электрический сигнал.

Одна матрица CCD представляет собой набор миллионов резисторов, так называемыми "элементами выборки". Чем больше таких элементов находится на матрице, тем выше разрешение и лучше качество изображения. Принцип работы резисторов следующий: свет попадает на элементы матрицы и преобразуется в электрический заряд, величина которого будет тем выше, чем ярче падающий свет. Соответственно там, где света нет, электрический заряд также не возникает.

Схема устройства вентильных фотоэлементов с запирающим слоем показана на рис. 9. На металлическом электроде 1 распо­ложен слой полупроводника 2. На его поверхность наносится тонкий полупрозрачный металлический слой 3, который служит вто­рым электродом фотоэлемента. При соответствующей термической обработке на границе полупроводника с металлом создается тон­кий плохопроводящий, так называемый запирающий слой ЗС, пропускающий электроны в одном направлении и почти не про­пускающий их в другом.



Рис. 9. Схема устройства вентильного фо­тоэлемента

Если в кристаллическом полупроводнике создать p—n-переход и осветить его, то число свободных носителей заряда — электронов и дырок будет увеличиваться. Однако из-за односторонней проводимости p—n-перехода электронный и дырочный токи, текущие в противоположных направлениях, оказываются различными. Вследствие этого на p—n-переходе создается напряжение, а если цепь замкнуть, то в ней потечет ток.

В качестве примера (рис. 27.5) рассмотрим вентильный фотоэлемент, изготовленный из металла 1 (например, меди), его окиси 2 и напыленного сверху прозрачного тонкого золотого слоя 3. На границе между металлом и его окисью возникает p—n-переход, пропускающий электроны из металла в окись, а дырки — из окиси в металл. Под действием света число электронов и дырок возрастает и во внешней цепи через резистор появляется ток, который течет в указанном на рисунке направлении.
При освещении фотоэлемента со сторо­ны полупрозрачного слоя происходит односторон­нее перемещение электро­нов, освобождающихся под действием света сквозь запирающий слой. Вследствие этого появля­ется электродвижущая сила на контактных элек­тродах 1 и 3. Если при этом замкнуть фотоэле­мент на внешнее сопро­тивление, в цепи будет протекать ток. В настоящее время применяются фотоэлементы четырех типов; меднозакисные, селеновые, серно- таллиевые и серносеребряные.


Рис. 10. Схема устройства электроваку­умного фотоэлемента