Том 1 (1109661), страница 26
Текст из файла (страница 26)
(а) коллимирующие линзы фокусирующие линзы фокальнав плоскость, у призма выходная щель (б) вогнутые зеркала фокальная плоскость, у щель входная щель Рис. 3.9. Схемы монохроматоров на основе призмы (монохроматор Бунзена) ~а) и отражающей дифракпионной рщпетки (т1ерни-Тернера) (6). Дисперсия и разрешающая способность монохроматора Возможность разделения отдельных спектральных полос зависит от дисперсии монохроматора. В качестве характеристики дисперсии используют линейную (Й) и, особенно часто, обратную линейную дисперсию. Традиционно дифракционные решетки производят механическим способом, процарапывая борозды на поверхности полированного твердого материала алмазной иглой.
Получаемые таким, весьма трудоемким, способом оригиналы затем тиражируют с помощью специальных устройств. Отражательные решетки для работы в УФ- и видимой областях содержат до 1200 штрихов на миллиметр. Решетки для работы в ИК-области имеют 100 — 200 штрихов на миллиметр. Для обеспечения особенно высокой разрешающей способности (что необходимо, например, в атомно-абсорбционной спектроскопии) требуются решетки с еще большим числом штрихов на миллиметр. (НЬ Г ° З.
С ° р.с ° .* ° ° .И., а с1Л' 1 с1Л Р с1у Линейная дисперсия: (3.7) (3.8) Обратны линейны дисперсия: Обратная линейная дисперсия Р 1 показывает, какая разность длин волн наблюдается в двух точках фокальной плоскости, отстоящих на 1 мм. Она выражается в нм/мм или А/мм. Разрешающая способность характеризует возможность раздельного наблюдения двух спектральных линий, близких по длинам волн. По определению, спектральная разрешающая способность В равна Л Л= —, ЬЛ' (3.9) В= Ь вЂ”.
Йп с1Л (3.10) Величина М/йЛ в коротковолновой области спектра значительно выше, чем в длинноволновой. Соответственно, в коротковолновой области выше и разрешающая способность. Для дифракционных решеток разрешающая способность выра жается следующим образом: (3.11) где т - — порядок отражения, Ф вЂ” число штрихов решетки. В отличие от спектров, получаемых с помощью призм, при использовании решеток спектр получается неоднозначным из-за возможного перекрывания линий разных порядков отражения. Обычно измерения производят в первом порядке отражения, так как с ростом порядка отражения уменьшается интенсивность линий.
Используя решетки со специальным (пилообразным) профилем бороздок, можно сконцентрировать основную часть излучения (по крайней мере, в некотором спектральном диапазоне) данного порядка в определенной пространственной области. Решетки такого типа называются эшелеттами (см. рис.3.30 в разделе 3.2.2). 'Гипичная где Л вЂ” средняя длина волны двух линий, а ЬЛ вЂ” разность их длин волн (ср. с уравнением 1.16). Для призмы разрешающая способность зависит от ширины ее основания 6 (рис.3.9 а) и степени зависимости показателя преломления п от длины волны: .Я.ь О.
р 167)) решетка, используемая в молекулярной спектроскопии в видимой области и имеющая 1200 штрихов на миллиметр, при 500нм в первом порядке отражения может разделить лучи с ЬЛ = Л/гпМ = = 500/(1. 1200) = 0,42нм (см. уравнение (3.11)). Современные технологии производства дифракционных решеток основаны на использовании лазеров, позволяющих оптическим способом наносить бороздки на плоские или вогнутые поверхности. Изготовленные таким способом еолографические решетки являются высокоточными.
Они содержат до 6000 штрихов на миллиметр. Их используют, в частности, в спектрометрах с диодными детекторами (в том числе массивами диодов). Спектральная ширина светового потока вхолная щель ( Если ширина щели и равна расстоянию между линиями в фокальной плоскости Ьу, то эффективная спектральная ширина равна ~Лафф — тл~-~ (3.12) Чем меньше эффективная спектральная ширина монохроматора, тем лучше можно разделить близко расположенные спектральные линии. Наилучшая разрешающая способность достигается при Спектральная ширина светового потока, выходящего из монохроматора, определяется шириной его входной и выходкой щелей.
Практическое значение имеет эффективная спектральная ширина. Она в два раза меньше, чем общая спектральная ширина светового потока в случае, когда ширина вход- И. ной щели равна ширине вы- ходной. Зффективная шири- Д потока на характеризует ту область длин волн, которую реально можно наблюдать на выходе Ю Ц из монохроматора (рис,3.10). Ее можно оценить из величидлина волны, Х ны обратной линейной дисперсии монохроматора Рис. 3.10. Эффективная спектральная ширина светового потока на выходе нз мо- ЬЛ нохроматора.
.о — 1 Ьу использовании узких щелей при возможно большей дисперсии монохроматора. Сосуды для проб и оптические материалы В оптических спектрометрах пробы помещают в специальные сосуды. Для жидких проб используют кюветы, изготовленные из кварца (для исследований в УФ-области), стекла (для видимой и ближней ИК-области) или солей — ХаС1, КВг (для ИК-области спектра). Из этих же материалов изготавливают призмы, линзы и оптические окошки. Более подробно оптические материалы будут рассмотрены применительно к конкретным методам. Твердые образцы исследуют или непосредственно, или в виде таблеток, спрессованных из порошкообразного материала и подходящего наполнителя, например, КВг в ИК-спектроскопии.
Приемники излучения Для детектирования излучения в оптической области используют приемники, действие которых основано на фотоэлектрических или термоэлектрических явлениях. Явление внешнего фопдозффекта лежит в основе деиствия счетчиков фотонов таких, как фотоэлементы или фотоэлектронные Ц умножители (ФЭУ). Фотоэлемент содержит катод, из которого фотон при падении на него выбивает электрон.
Вследствие этого в вакуумном пространстве между катодом и анодом возникает электри- 2оо 4оо боо 8оо 1ооо ческий ток. Коэффициент полезно- лннна волны, нм го действия (квантовый выход) та- Рис. 3.11. Спектральная чувствнкого фотоэлектрического преобра- тельноеть раалнчнмх материалов зователя не очень высок. Матерна- для фетпкатедвв. лом катодов обычно служит сплав щелочных металлов. Например, катоды из сплава К/Св очень чувствительны к излучению в УФ-видимой области вплоть до 600нм (рис.
3.11). В более длинноволновой области применяют другие многокомпонентные материалы дна/К/Св/ЯЬ или Ад/О/Св. Высокой и практически постоянной чувствительностью в широком спектральном диапазоне обладают фотокатоды на основе Са/Ав. Чувствительность можно значительно увеличить., если поместить между катодом и анодом дополнительные электроды (так называемые диноды).
В этом случае электрон., вылетающий из катода, бомбардирует ближайший к нему электрод и выбивает из него несколько вторичных электронов. Те, в свою очередь, бомбардируют следующий электрод, и в результате число выбитых электронов возрастает лавинообразно. Описанное устройство называется фотоэлектронным умножителем. При коэффициенте умножения числа электронов на каждом катоде от 4 до 6 применение ФЭУ позволяет увеличить результирующий ток в 104 10 раз по сравнению с простым фотоэлементом.
Однако ФЭУ можно применять не в любых спектральных приборах ввиду их больших размеров и необходимости подачи высокого напряжения до нескольких сотен вольт. катод анод Рис. 3.12. Схема строения фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Фотоприемниками на основе внутпреннвео фотоэффекта являются полупроводниковые фотоэлементы и фотодиоды. В качестве примера рассмотрим устройство полупроводникового диода, изображенного на рис.3.13. На слой полупроводникового материала с электронной проводимостью (п) нанесен слой с собственной проводимостью (1), а затем — тонкий слой с дырочной проводимостью (р).
Последний из них образует кольцо, так что падающий свет попадает непосредственно на |-слой. 53~ р Напряжение к диоду подведено таким образом, что он находится в запертом М состоянии. При этом по цепи не про- текает никакого тока, кроме незначи-1 тельного темнового. Когда же на фотодиод падает поток света, то каждыи Г (в идеале) фотон генерирует в полупро- воднике пару носителей заряда — злекРис. 3.13.
Схема устройства трон и дырку. Электрон при этом перефотодиода. мещается к положительно заряженному п-слою, а дырка — к отрицательно за- (оо г ., я. с ° р-. ° .. ° ° .в р-Й Обобщение понятия «спектроскопия» Первоначально спектроскопическими методами называли лишь те, которые основаны на взаимодействии вещества с электромагнит- ряженному р-слою.
При этом в цепи возникает импульс электрического тока в ответ на каждый падающий фотон, В настоящее время производятся кремниевые фотодиоды, чувствительные к излучению в отдельных спектральных областях от 190 до 1100 нм. Для одновременного измерения интенсивностей во всей области спектра все большее распространение находят многоканальные детекторы (массивы фотодиодов, диодные линейки). В них отдельные фотоприемники (светочувствительные элементы) расположены таким образом, чтобы световой поток, разложенный в спектр, освещал все светочувствительные элементы одновременно (рис.3.14). Расстояние между 1в~ отдельными элементами составляет по- кварцевое окошко рядка О, 025 мм, а высота каждого элемента — около 2,5мм. Ширина щели монохроматора выбирается так, чтобы световой поток отдельного спектрального диа- и-Й назона падал только на один элемент.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
