спектральные приборы

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ - приборы для исследования спектрального состава эл--магн. излучений по длинам волн (в оптич. диапазоне 10^-3-10³ мкм; см. Спектры, оптические), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа.

Принцип действия большинства С. п. можно пояснить с помощью имитатора, изображённого на рис. 1. Форма отверстия в равномерно освещённом экране 1 соответствует ф-ции, описывающей исследуемый спектр - распределение энергии (потока) излучения по длинам волн. Отверстие в экране 2 соответствует ф-ции , описывающей способность С. п. выделять из светового потока узкие интервалы в окрестности каждой. Эту важнейшую характеристику С. п. называют функцией пропускания или аппаратной функцией (АФ). Процесс измерения спектра прибором можно имитировать, если поместить за экраном 1 приёмник излучения и регистрировать изменения потока излучения, проходящего через остающиеся отверстия при наложении и перемещении (сканировании) экрана 2 по экрану 1. Результат регистрации будет представлять собой нек-рую ф-цию времени F(t), от к-рой, зная закон сканирования , легко перейти к ф-ции длины волны, описывающей форму с тем лучшей точностью, чем меньше была ширина АФ - интервал. Рассмотренный процесс математически описывается интегралом , называемым свёрткой ф-ции f с ф-цией а. Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном длин волн является осн. характеристикой оптич. части С. п., она определяет спектральное разрешение и разрешающую способность. Чем шире АФ, тем меньше R, но тем больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптич. сигнал, несущий измеряемую информацию, и больше отношение сигнал/шум М. Шумы, в свою очередь, зависят от полосы частот приёмно-усилит. системы прибора (обычно они пропорциональны . Чем меньше, тем меньше шумы, но и тем больше инерционность системы и больше затраты времени t на измерения. Взаимосвязь величин R, M,характеризуется инвариантом вида:

Показатели степени и принимают разл. положит. значения в зависимости от конкретного типа С. п. (обычно ). Константа «качества» К, зависящая только от, определяется конструктивными параметрами данного С. п. и накладывает ограничения на рабочие диапазоны значений R, М,. верх. предел R (мин. ширина АФ) нередко определяется аберрациями оптич. систем, дифракцией света, а макс. полоса лимитируется постоянной времени приёмника излучения (или др. электрич. звеньев).

Рис. 1.

Проиллюстрированный с помощью имитатора принцип действия С. п. относится к одноканальным методам спектрометрии .В распространённых наряду с ними многоканальных методах сканирование не применяется и потоки разных регистрируются одновременно. В имитаторе этому соответствует наложение на экран 1 другого неподвижного экрана, имеющего N отверстий для разных со своими АФ; при этом яоток от каждого отверстия (канала) регистрируется независимо.

Общая классификация методов спектрометрии, являющихся основой разл. схем и конструкций С. п., осуществляется по двум осн. признакам - числу каналов и способам разделения (рис. 2).

Исторически первыми и наиб. распространёнными являются методы пространственного разделения (спектрально-селективной фильтрации), к-рые низ. классическими (группы 1 и 2).

Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по числу каналов и способам разделения длин волн. Контуры шириной символически изображают аппаратные функции (АФ). В однока-нальных методах (1 и 3) применяется сканирование (символ), в многоканальных (2 и 4) - сканирование отсутствует и измерение интенсивности излучения ряда длин волн ... проводится одновременно.

В одноканальных С. п. группы 1 исследуемый поток со спектром посылается на спектрально-селективный фильтр, к-рый выделяет из потока нек-рые интервалы в окрестности каждой и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование спектра во времени t по нек-рому закону . Выделенные компонентыпосылаются на приёмник оптического излучения, запись сигналов к-рого даёт ф-цию времени F(t). Переход от аргумента t к аргументу позволяет получить ф-цию - наблюдаемый спектр.

В многоканальных С. п. группы 2 одновременно регистрируются (без сканирования по) неск. приёмниками потоки излучения разных длин волн ..., к-рые выделяют, напр., многощелевым монохроматором (полихроматором). Если расстояние между каналами не превышает и число каналов N достаточно велико, то получаемая информация аналогична содержащейся в записи на сканирующем одноканальном приборе (при тех же, одинаковых приёмниках и пр. равных условиях), но время измерения может быть сокращено в N раз. наиб. многоканальность достигается применением многоэлементных фотоэлектрич. приёмников излучения и фотогр. материалов (в спектрографах).

Для С. п. групп 3 и 4, получивших развитие с сер. 1960-х гг., принципиальной основой является спектрально-селективная модуляция (см: Модуляция света ),при к-рой задача разделения длин волн l, переносится из оптич. части прибора в электрическую. В одноканальном С. п. группы 3 исследуемый поток со спектром посылается на устройство, способное модулировать нек-рой частотой лишь интервалв окрестности длины волны настройки , оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование проводится так, чтобы различные последовательно модулировались частотой w₀. Выделяя составляющую w₀ в сигнале приёмника с помощью электрич. фильтра, получают ф-цию времени F(t)и соответственно спектр

Многоканальные системы группы 4 основаны на операции мультиплексирования - одно-врем. приёме излучения от многих спектральных элементов в кодированной форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длины волн ,... одновременно модулируются разл. частотами ,..., и суперпозиция соответствующих потоков в приёмнике излучения даёт сложный сигнал, частотный спектр к-рого по w несёт информацию об исследуемом спектре по За рамками приведённой классификации остаются лишь методы т. н. активной спектрометрии, основанной на генерации излучений перестраиваемыми по лазерами (см. Активная лазерная спектроскопия).

1. Одноканальные спектральные приборы с пространственным разделением волн

Основой оптич. схем С. п. этой группы является диспергирующий элемент (дифракционная решётка, эшелетт, эшелле, интерферометр Фабри - Перо, спектральная призма), обладающий угловой дисперсией , что позволяет развернуть в фокальной плоскости изображения входной щели в излучении разных (рис. 3). Для объективов O₁ и О₂ обычно используются зеркала, не обладающие хроматич. аберрациями (в отличие от линзовых систем). Если в фокальной плоскости установлена одна выходная щель, схема С. п. представляет собой схему моиохроматора, если неск. щелей,- полихроматора, если фототувствит. слой или глаз,- спектрографа или спектроскопа.

Одноканальные С. п. обычно строятся на основе монохроматоров, в к-рых сканирование осуществляется поворотом дифракц. решёток. В простейших менохроматорах вместо диспергирующего элемента и выходной щели применяются циркулярно-клиновые интерференц. светофильтры с непрерывной перестройкой по полосы пропускания. Для таких С. п. характерно последоват. соединение функциональных элементов, в к-рых информативный сигнал к--л. образом обрабатывается (рис. 4). Для измерений спектров пропускания и отражения разл. образцов используются встроенные источники излучения со сплошным спектром, для исследований спектров внеш. излучателей - соответствующие осветители, а для непосредств. измерения поглощения в веществе могут использоваться оптико-акустич. ячейки, преобразующие поглощённую энергию в подходящий для регистрации сигнал. В классич. С. п. оптич. модулятор вводится в схему лишь для того, чтобы в электрич. части применить усиление на перем. токе.

Рис. 3. Схема спектрального прибора с пространственным разделением длин волн с помощью угловой дисперсии: 1 - коллиматор с входной щелью Щ и объективом О, с фокусным расстоянием f₁; 2 - диспергирующий элемент, обладающий угловой дисперсией ; 3 - фокусирующая система (камера) с объективом 0„, создающим в фокальной плоскости Ф изображения входной щели в излучении разных длин волн с линейной дисперсией

Рис. 4. Блок-схема однолучевого одноканального прибора: И - источник излучения; М - оптический модулятор (обтюратор); Ф - сканирующий фильтр (монохроматор); П - фотоэлектрический приёмник излучения; У - усилитель и преобразователь сигналов приёмника; Р - аналоговый или цифровой регистратор; БУ - блоки управления и обработки данных на базе ЭВМ.

Устройства управления С. п. и обработки результатов измерений строятся на базе микропроцессоров. Они отличаются большим разнообразием и обеспечивают оптимизацию режимов работы С. п. по параметрам R, М,в рамках условия (1) [для классич. С. п. условие имеет вид, если шум приёмника не зависит от падающего на него потока]. Вместо величины К иногда используют т. н. энергетический фактор, к-рый численно равен отношению сигнал/шум, наблюдаемому при единичном выделяемом спектральном интервалеи единичной полосе частот. Накладываемые фактором Q энергетич. ограничения играют осн. роль в ИК-области, где яркости источников быстро уменьшаются и значения Q малы; напр., в ср. ИК-области ( 10 мкм) хорошие С. п. имеют Q = 10⁷мкм^-2 Гц^1/2 (в шкале волновых чисел Q = 10³см^-2Гц^1/2). В видимой и ближней ИК-областях энергетич. ограничения играют меньшую роль и рабочие значения Л могут приближаться к дифракц. пределу (напр., в С. п. с дифракц. решётками - к значению, где k - кратность дифракции, - волновое число, L - ширина решётки, - угол дифракции). Рассмотрим типичные приборы группы 1.

Спектрометры высокого разрешения для исследований структуры атомных и молекулярных спектров; представляют собой стационарные лаб. установки, построенные по схеме рис. 4. В зависимости от области спектра применяются разнообразные монохроматоры (с фокусными расстояниями до 10 м) в вакуумируемых корпусах, в виброзащищённых и термостабилизиров. помещениях. В этих приборах используется 2- и 4-кратная дифракция на эшеллях шириной до 400 мм, применяются спец. источники и охлаждаемые приёмники, что позволяет достигать в спектрах поглощения в области длин волн 2,5 мкм. Для выявления ещё более тонкой структуры в схему измерений : вводят сканирующие интерферометры Фабри - Перо ( в видимой области).

Спектрофотометры (СФ) выполняют операции фотометрирования для определения отношений потоков - безразмерных коэф. пропускания и отражения разнообразных образцов веществ и материалов. В наиб. прецизионных СФ эта задача решается по схеме рис. 4 сравнением двух последоват. отсчётов для одного и того же пучка излучения: «образец в пучке», «образец вне пучка». Такой же метод применяется в массовых нерегистрирующих СФ - сравнительно дешёвых С. п., сотни разновидностей к-рых выпускаются десятками фирм. Серийные автоматич. регистрирующие СФ основаны на более сложных, но и более производительных двухлучевых схемах измерений, отличающихся от однолучевой тем, что между источником и фильтром (или между фильтром и приёмником) организуются два пучка излучения - измерительный (в к-рый помещается образец) и референтный. Эти пучки модулируются по определ. алгоритмам, обеспечивающим работу т. н. систем электрического отношения, регистрирующих коэф. пропускания Т или оптич. плотности D = -lgTкак ф-ции или . Использовавшиеся для этих целей системы оптич. нуля практически вышли из употребления к кон. 1980-х гг.

Многочисл. модели автоматич. СФ можно разделить примерно на три класса: сложные универсальные СФ для науч. исследований (R ~ 2000-5000), приборы ср. класса (R ~ 500-1000) и простые, т. н. рутинные, СФ (R ~ 100-500) с рабочими спектральными диапазонами, заполняющими всю область прозрачности атмосферы 0,19-50 мкм. Кроме того, спец. вакуумные модели выпускаются для УФ-области (0,1-0,2 мкм) и ИК-области (50-300 мкм). Конструкции автоматич. СФ обеспечивают широкий выбор значений Л, М,, скоростей и масштабов регистрации спектров разл. объектов, приборы оснащаются наборами газовых и жидкостных кювет, приставками для измерений зеркального и диффузного отражений, а также нарушенного полного внутреннего отражения, приставками для измерений малых образцов, для исследований при разных темп-pax и т. п. В конструкции спец. типов СФ вводят микроскопы (микроспектрофотометры), устройства для исследований спектров люминесценции (спектрофлуориметры), дисперсии показателя преломления (спектрорефрактометры), поляризации (спектрополяриметры), измерений яркости внеш. излучателей в сравнении с встроенным эталонным (спектрорадиометры), испытаний чувствительности фотоматериалов (спектросенситометры) и др.

Автоматич. СФ являются осн. приборами для исследований спектральных характеристик веществ и материалов и абсорбционного спектрального анализа.

Спектрометры комбинационного рассеяния могут быть однолучевыми и двухлучевыми. Источниками излучения в них обычно служат лазеры, а для наблюдения комбинац. частот (см. Комбинационное рассеяние света)и подавления фона, создаваемого первичным излучением, применяются двойные и тройные монохроматоры с голографич. дифракц. решётками. В лучших приборах отношение фона к полезному сигналу снижено до 10^-15 и комбинац. частоты могут наблюдаться на расстояниях порядка неск. см^-1 от возбуждающей линии.

Скоростные спектрометры (хроноспектрометры) работают по схеме рис. 4, но в отличие от др. С. п. их снабжают устройствами быстрого циклич. сканирования и широкополосными ( до 10⁷ Гц) приёмно-регистрирующими системами. Для исследований кинетики хим. реакций сканирование ведётся с малой скважностью, к-рая достигается, напр., методом «бегущей щели»: вместо выходной щели в фокальной плоскости устанавливается быстро вращающийся диск с большим числом радиальных прорезей. Таким способом получают до 10⁴ спектров в 1 с. Если время жизни объекта слишком мало, применяют более быстрое сканирование вращающимися зеркалами, это приводит к большой скважности и требует синхронизации начала процесса с моментом прохождения спектра по щели.

2. Многоканальные спектральные приборы с пространственным разделением длин волн

В этой группе приборов сканирование не применяется, дискретный ряд длин волн (в полихроматораx) или участки непрерывного спектра (в спектрографах) регистрируются одновременно и оптич. часть строится обычно по схеме, приведённой на рис. 3. Если вместо системы, создающей угл. дисперсию, служит набор узкополосных светофильтров, то прибор относят к фотометрам.

Многоканальные приборы используются гл. обр. для спектрального анализа элементного состава по аналитич. спектральным линиям. По мере увеличения числа каналов появляется возможность изучения спектральных распределений. Рассмотрим наиб. типичные приборы этой группы (в порядке возрастания числа каналов).

Пламенные (атомно-абсорбционные и эмиссионные) спектрофотометры имеют обычно 1-2 канала регистрации. Они измеряют интенсивности линий абсорбции, эмиссии или флуоресценции атомов элементов в пламени спец. горелок или др. атомизаторов. В простых конструкциях аналитич. линии выделяются узкополосными фильтрами (пламенные фотометры), в приборах более высокого класса применяются полихроматоры или монохроматоры, последовательно переключаемые на разл. длины волн. Приборы данного типа используются для определения большинства элементов периодич. системы. Они обеспечивают высокую избирательность и чувствительность (до 10^-14 г).

Квантометры - фотоэлектрич. установки для промышленного спектрального анализа сталей, сплавов, смазочных масел, минералов - строятся на основе полихроматоров; выходные щели полихроматора выделяют из спектра излучения исследуемого вещества аналитич. линии и линии сравнения; соответствующие световые потоки посылаются на приёмники (фотоумножители), установленные у каждой щели. Фототоки приёмников заряжают накопит. конденсаторы; величина заряда, накопленного за время экспозиции, служит мерой интенсивности линии, к-рая пропорциональна концентрации элемента в пробе. Модели квантометров различаются рабочими диапазонами спектра (внутри обласли 0,17- 1 мкм), числом одновременно работающих каналов (от 2 до 80), степенью автоматизации, способами возбуждения спектров (дуга, искра, лазер, источник на основе индуктивно-связанной плазмы).

Спектрографы одновременно регистрируют протяжённые участки спектра, развёрнутого в фокальной плоскости (рис. 3), на фотопластинках и фотоплёнках (фотогр. спектрографы), а также на экранах электронно-оптич. преобразователей с «запоминанием» изображений. Типы спектрографов отличаются большим разнообразием - от простых приборов настольного типа для учебных целей и компактных ракетных и спутниковых бортовых спектрографов до крупных астроспектрографов, работающих в обсерваториях в сочетании с телескопами, и лабораторных 10-метровых вакуумных установок с большими дифракц. решётками для исследований тонкой структуры спектров. Линейная дисперсия спектрографов может лежать в пределах 10²- 10⁴мм/мкм, разрешающая способность - достигать дифракц. предела, светосила по освещённости (отношение освещённости в изображении входной щели к яркости источника, освещающего входную щель) -от 0,5 в светосильных приборах до 10^-3 и менее в длиннофокусных приборах большой дисперсии.

Развитие многоэлементных приёмников матричного типа (с числом элементов до 1024) открыло возможность анализа излучений по спектральной и пространственной координатам и привело к появлению разл. вариантов фотоэлектрич. спектрографов-спектрометров с системами электронного сканирования (последоват. опроса сигналов приёмных элементов). Такие С. п., строго говоря, не являются многоканальными, поскольку в них отсутствует независимая и одноврем. регистрация сигналов от каждого приёмного элемента.

Скоростные многоканальные С. п. для исследований спектров быстропротекающих процессов конструируются путём сочетания спектрографа со скоростной кинокамерой (киноспектрографы), введения в схему прибора многогранных вращающихся зеркал, применения многоканальной регистрации с многоэлементными приёмниками (такие С. п. наз. хроноспектрографами, спектрохронографами, спектровизорами).

3. Одноканальные спектральные приборы со спектрально-селективной модуляцией

Типичными приборами 3-й группы являются растровые спектрометры и сисамы.

Растровые спектрометры строятся по общей схеме, представленной на рис. 4, но в сканирующем фильтре (монохроматоре) входная и выходная щели заменяются идентичными растрами .При периодич. сдвиге одного из растров с нек-рой частотой w₀ возникает амплитудная модуляция той, для к-рой изображение входного растра совпадает с выходным растром. Для других l изображения смещаются в результате угл. дисперсии и амплитуда модуляции уменьшается. Ширина АФ такого С. п. соответствует полупериоду растра. По сравнению со щелевыми растровые монохроматоры дают значит, выигрыш в потоке, однако их применение ограничено засветкой приёмника большим потоком немодулиров. излучения, сложностью изготовления растров и высокими требованиями к качеству оптики. На растровой установке уникального типа с фокусным расстоянием 6,5 м достигались значения R = 2*10⁵ в области 2,5 мкм.

Сисам - спектрометр интерференционный с селективной амплитудной модуляцией - строится на основе двухлучевого интерферометра (рис. 5), в к-ром зеркала заменены синхронно поворачивающимися дифракц. решётками и введён модулятор по оптич. разности хода. В этом случае амплитудная модуляция накладывается только на интервал , соответствующий дифракц. пределу вблизи, к-рая удовлетворяет условию максимума дифракции для обеих решёток. Сисам всегда работает на дифракц. пределе:, при этом за счёт увеличения входного отверстия поток примерно в 100 раз больше, чем в классич. приборах 1-й группы, но оптико-механич. часть весьма сложна в изготовлении и настройке. С помощью сисама достигнута наивысшая разрешающая способность с дифракц. решётками в ср. ИК-области: R = 1*10⁵ (в диапазоне 8-10 мкм при точности определения длин волн 10⁶).

Рис. 5. Принципиальная оптическая схема двухлучевого сканирующего интерферометра: Д_вх, Д_вых - входная и выходная круглые диафрагмы; С - светоделитель; З₁ - неподвижное зеркало; З₂ - подвижное зеркало, перемещаемое (сканируемое) на расстояние (разность хода).

4. Многоканальные спектральные приборы со спектрально-селективной модуляцией

Для данной группы С. п. характерны одноврем. спектрально-селективная модуляция (кодирование) длин волн, воспринимаемых одним фотоэлектрич. приёмником, и последующее декодирование электрич. сигналов. наиб. распространение получили два типа приборов этой группы - адамар-спектрометры и фурьеспектрометры.

Адамар-спектрометры строятся по схеме спектрографа с дифракц. решёткой (рис. 3). Разл. длины волн развёрнутого в фокальной плоскости спектра одновременно кодируются циклически сменяемыми масками-матрицами Адамара и посылаются на фотоэлектрич. приёмник, сигналы к-рого декодируются вычислит. устройством и регистрируются в виде дискретного спектра. Такой метод продлевает рабочий диапазон спектрографов в ИК-область и позволяет решать широкий круг задач молекулярного спектрального анализа - от определения состава выхлопных газов двигателей переносными приборами до анализа веществ с высоким разрешением на уникальных установках (R до 1,7*10⁴ в области 6 мкм).

Фурье-спектрометры осуществляют непрерывное кодирование длин волн с помощью интерференц. модуляции, реализуемой обычно по схеме рис. 5, представляющей собой двухлучевой интерферометр Майкельсона. При равномерном перемещении зеркала З₂ в интерференц. картине на выходной диафрагме возникает от каждой монохроматич. составляющей входящего излучения периодич. мерцание (светло - темно) с частотой тем большей, чем меньше. Суперпозиция таких модулиров. вкладов от всех поступающих в приёмнике регистрируется в ф-ции разности хода, образуя интерферограмму , фурье-преобразование к-рой на встроенной ЭВМ даёт спектр F(v). Фурье-спектрометры одновременно реализуют два выигрыша: за счёт многоканальности и за счёт увеличения входного отверстия. Они наиб. эффективны для исследований протяжённых спектров слабых излучений (особенно в ИК-области, где требования к оптике интерферометра упрощаются). Конструкции и характеристики приборов этого типа весьма разнообразны: от лаб. спектрометров универсального типа, выпускаемых серийно многими фирмами, до компактных спутниковых (для геофиз. и космич. исследований) и уникальных стационарных установок с разностью хода до 10 м, на к-рых достигаются точность измерений и разрешающая способность на порядок выше, чем в классич. С. п. (напр., R до 3*10⁶ в ближней ИК-области). (Подробнее см. в ст. Фурье-спектрометр.)

Рис. 6. ИК-спектры поглощения паров воды на участке 200-250 см^-1, полученные с помощью фурье-спектрометра при различных оптических равностях хода в интерферометре. Чем больше, тем больше деталей можно выявить в исследуемом участке спектра, так как тем больше разрешающая способность R=

Итак, принципиальное различие рассмотренных групп приборов следующее: в одноканальных С. п. групп 1 и 3 время эксперимента затрачивается на накопление информации о новых участках спектра (на сканирование по), в многоканальных приборах группы 2 - на накопление сигнала и усреднение шумов (улучшение отношения сигнал/шум), а в фурье-спектрометрах - на накопление структурных деталей в данном спектральном диапазоне (рис. 6).

Лит.: Тарасов К. И., Спектральные приборы, 2 изд., Л., 1977; П е и с а х о о н И. В., Оптика спектральных приборов, 2 изд., Л., 1975; Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И., Техника и практика спектроскопии, 2 изд., М., 1976; Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения, пер. с франц. и англ., М., 1972; Белл Р. Д ж., Введение в Фурье-спектроскопию, пер. с англ., М., 1975; Малышев В. И., Введение в экспериментальную спектроскопию, М., 1979; Миберн Д ж.. Обнаружение и спектрометрия слабых источников света, пер. с англ., М., 1979; Нагибина И. М., Михайловский Ю. К., Фотографические и фотоэлектрические спектральные приборы и техника эмиссионной спектроскопии, Л., 1981; Новые методы спектроскопии, Новосиб., 1982; Современные тенденции в технике спектроскопии, под ред. Г. Н. Раутиана, Новосиб., 1982; Скоков И. В., Оптические спектральные приборы, М., 1984; Г е р ш у н М. А., Егорова Л. В., Спектрометры с селективной интерференцией, «Оптико-мех. пром.», 1987, № 4, с. 47; Светосильные спектральные приборы. Сб., под ред. К. И. Тарасова, М., 1988; Приборы спектральные оптические. Термины и определения. ГОСТ 27176-86. В. А. Никитин.

   <<      Предметный указатель      >>