Какие приемники света используются в спектральных приборах

спектральные приборы

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ — приборы для исследования спектрального состава эл—магн. излучений по длинам волн (в оптич. диапазоне 10 -3 -10 3 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).

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 = 10 7 мкм -2 Гц 1/2 (в шкале волновых чисел Q = 10 3 см -2 Гц 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 10 7 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 10 4 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 10 2 — 10 4 мм/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*10 5 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*10 5 (в диапазоне 8-10 мкм при точности определения длин волн 10 6 ).

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*10 4 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*10 6 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.

Система регистрации сигнала в спектрографе

Современный уровень науки и техники далеко шагнул с того момента, когда в качестве приемников света в спектральных приборах служили фотопластинки. В настоящее время используются детекторы, которые способны преобразовывать свет в сигнал, понятный компьютеру.

Каждый из них имеет свои особенности, от которых зависит построение и возможности системы регистрации сигнала в спектгрографе.

Принципиальная схема спектральных приборов

Конструкция спектрографов состоит из следующих основных элементов:

• источник света;
• конденсорная линза или зеркало;
• диафрагма или входной зрачок.

• коллиматор;
• диспергирующая система;
• световое отверстие или выходной объектив.

Приемно-регистрирующая часть (зависит от метода регистрации):

• окуляр (визуальный метод );
• фотопластинка (фотографический метод);
• фотоприемник (фотоэлектрический метод).

Последний наиболее полно отвечает предъявляемым требованиям к современным спектральным приборам, и является наиболее перспективным методом регистрации.

Система регистрации

Регистрация спектров — определение зависимости энергии от длины волны. Для этого используется система регистрации, которая включает:

• Фотоэлектрический приемник излучения.
  Он необходим для преобразования света в электрический сигнал, понятный для ЭВМ.
• Аппаратные и программные средства, которые обрабатывают сигнал и визуализируют его в виде графика. Графическое изображение зависимости излучения от длины волны называется спектром.

Системы регистрации подразделяются на следующие типы:

• Интегральные.
  Используемые в них детекторы преобразуют весь поток излучения в электрический сигнал. При этом не происходит распределения энергии по длинам волн. Приемниками излучения служат фотодиоды, ФЭУ и аналогичные им детекторы.
• С построением изображения.
  В качестве приемников используются линейные или матричные многоэлементные структуры, которые способны измерять количество энергии и распределять ее по длинам волн.

Фотодиоды

Фотодиоды представляют собой структуру, которая состоит из полупроводников p- и n-типа с p-n-переходом. Они способны преобразовывать световую энергию в электрическую и наоборот. Первый случай позволяет использовать их в качестве приемника светового излучения.

Среди большого числа фотодиодов с различным спектральным диапазоном и чувствительностью получили распространение устройства на основе кремния, германия и индий-галлий-арсенидовые структуры. Они способны работать в широком спектральном диапазоне: от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. По показателям чувствительности фотодиоды уступают ФЭУ.

Система регистрации, построенная с использованием фотодиодов, отличается простотой и позволяет снизить стоимость прибора. Она применяется в недорогих спектрофотометрах и других аналогичных приборах

Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — фотоприемник, в которых поток электронов, эмитируемых фотокатодом, усиливается за счет вторичной эмиссии. Электроды, на которых происходит вторичная эмиссия называются динодами, а их совокупность — динодной системой. Основное отличие ФЭУ от вакуумного фотоэлемента заключается в том, что в конструкцию, кроме анода и фотокатода, входят: фокусирующая система, диафрагма и дополнительные электроды — эмиттеры вторичных электронов.

Работа фотоэлектронного умножителя требует высокого напряжения, величина которого может достигать 2500 В, что ограничивает область применения этих детекторов. Спектральный диапазон зависит от материала фотокатода, и находится в пределах от ультрафиолетовой до видимой области спектра. Некоторые ФЭУ позволяют детектировать инфракрасную область. Однако, они обладают невысокой чувствительностью и имеют довольно высокую стоимость.

Фотоэлектронные умножители обладают высоким быстродействием и низкой выходной емкостью. Это позволяет создавать на их основе детекторы, способные регистрировать быстропротекающие процессы.

Фотодиодные матрицы (линейки)

Фотодиодные приемники, состоящие из множества элементов, способны преобразовывать двухмерную оптическую информацию в последовательность электрических сигналов. Они могут представлять собой:

• линейку, в которой фотодиоды расположены в ряд с определенным шагом. Для получения развертки сигналы считываются с каждого фотодиода.
• матрицу, которая состоит из набора линеек. Развертка получается путем опроса каждой линейки, и каждого фотодиода.

Фотодиодная матрица разрабатывается для определенной оптической схемы и конкретного диспергирующего элемента (как правило, эшелле). Это связано с тем, что от них зависит положение аналитической линии в фокальной плоскости.

В полихроматорах набор аналитичеких линий определяется на стадии разработки, и остается неизменным. Для его изменения необходима замена детектора. При работе прибора в режиме монохроматора регистрируется одна аналитическая линия произвольной длины или сканируется спектр.

При использовании такого способа регистрации спектра максимально расширяются аналитические возможности. Однако при этом требования к качеству изготовления детектора и всех компонентов оптической схемы значительно возрастают.

Фотодиодные матрицы еще называют твердотельными детекторами (SSD). Они находят применение в:

• атомно-эмиссионных спектрометрах с индуктивно-связанной плазмой;
• спектрофотометрах;
• атомно-абсорбционных спектрометрах.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС)

Приборы с зарядовой связью сформированы из ячеек — конденсаторов металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или структурами металл-оксид-полупроводник (МОП), которые расположены на одной подложке.

Элементы ПЗС образуют линейки или матрицы, и находятся на достаточно малом расстоянии друг от друга, которое обеспечивает взаимодействие соседних структур.

Принцип действия ПЗС-детектора в спектрометрах:

• Свет попадает с пикселов на фотодиоды.
  Это приводит к разряду конденсаторов со скоростью, которая находится в пропорциональной зависимости от потока фотонов.
• По окончании интегрирования происходит закрытие массива переключателей, а заряд передается на сдвиговый переключатель.
• После завершения передачи заряда на регистратор снова происходит открытие переключателей и перезарядка фотодиодов.
• На этом один цикл интегрирования завершается и начинается следующий.
• Одновременно с этими процессами аналого-цифровой преобразователь считывает информацию, оцифровывает его и в таком виде передает на компьютер.

Практический опыт применения ПЗС-детекторов в системе регистрации спектральных приборов

Спектрометры производства ООО «Промоптоэлектроника» — высокотехнологичные приборы, в которых используются инновационные разработки, мощная компьютерная техника и эффективные алгоритмы обработки информации. В них фотоприемником служат линейные ПЗС-детекторы ведущих японских производителей.

Прибор с зарядовой связью одновременно выступает как:

• Элемент спектрографа. На него проецируется спектр, разложенный дифракционной решеткой.
• Часть системы регистрации. ПЗС преобразовывает свет в электрический сигнал.

ПЗС-детекторы подключаются к основной плате (платам), входящим в систему регистрации. Функции платы заключаются в следующем:

• изменение режима работы ПЗС;
• создание управляющих сигналов и их тактирование;
• прием аналоговых сигналов с ПЗС, их оцифровка и сохранение во внутренней памяти;
• математическая обработка информации и передча ее для обработки программным обеспечением компьютера.

Преимущества системы регистрации на основе ПЗС TOSHIBA

Использование ПЗС в системе регистрации спектральных приборов позволяет получить следующие преимущества:

• Прием и обработка сигналов осуществляется со всех детекторов, что дает возможность применить корреляционные математические методы обработки данных.
• Система регистрации способна обслуживать до 90 ПЗС-детекторов (при использовании пяти основных плат).
• Возможность использования в условиях вакуума.
• Разрешение оцифрованного сигнала составляет 16 бит.
• Внутренняя память способна хранить до 1200 кадров (при условии работы до 9 ПЗС-детекторов на одной основной плате).
• Общее время анализа снижается за счет проведения предварительной математической обработки.
• Диапазон времени накопления 1 кадра от 4 мс до 60 с.
• Наличие режима прореживания позволяет регистрировать длительные процессы, которые требуют объема памяти, превышающего объем ОЗУ. Это достигается за счет регистрации кадров, кратных N (N=1 … 256). Таким образом, при минимальном времени накопления 4 мс, можно зарегистрировать процесс длительностью 20 мин.
• Питание осуществляется нестабилизированным источником питания с напряжением 9-18 В.
• Сильные источники электромагнитных помех (генераторы искровых, дуговых, СВЧ разрядов) не оказывают влияние на работу СР.

Характеристики СР

• фотоприемник: линейные ПЗС-детекторы TCD1304DG (TOSHIBA)
• количество фотоприемников, шт.: 7 — 90
• длительность одного кадра, с: 0,004 — 60
• количество кадров в одном измерении: до 500 (до 1200*2)
• интерфейс взаимодействия с компьютером: USB 2.0

Какие приемники света используются в спектральных приборах

§ 114. Спектральные приборы

В главе VII было показано, как, изучая спектры небесных светил, можно получить сведения об их химическом составе, температуре, давлении, вращении и т.д. Ниже мы рассмотрим основные типы спектральных приборов, применяемых в астрономии. Впервые спектры звезд и планет начал наблюдать в прошлом веке итальянский астроном Секки. После его работ спектральным анализом занялись многие другие астрономы. Вначале использовался визуальный спектроскоп, потом спектры стали фотографировать, а сейчас применяется также и фотоэлектрическая запись спектра. Спектральные приборы с фотографической регистрацией спектра обычно называют спектрографами, а с фотоэлектрической — спектрометрами.

На рисунке 117 дана оптическая схема призменного спектрографа. Перед призмой находятся щель и объектив, которые образуют коллиматор. Коллиматор посылает на призму параллельный пучок лучей. Коэффициент преломления материала призмы зависит от длины волны. Поэтому после призмы параллельные пучки, соответствующие различным длинам волн, расходятся под разными углами, и второй объектив (камера) дает в фокальной плоскости спектр, который фотографируется. Если в фокальной плоскости камеры поставить вторую щель, то спектрограф превратится в монохроматор. Перемещая вторую щель по спектру или поворачивая призму, можно выделять отдельные более или менее узкие участки спектра. Если теперь за выходной щелью монохроматора поместить фотоэлектрический приемник, то получится спектрометр.

В настоящее время наряду с призменными спектрографами и спектрометрами широко применяются дифракционные. В этих приборах вместо призмы диспергирующим (т.е. разлагающим на спектр) элементом является дифракционная решетка. Наиболее часто используются отражательные дифракционные решетки.

Отражательная решетка представляет собой алюминированное зеркало, на котором нанесены параллельные штрихи. Расстояние между штрихами и их глубина сравнимы с длиной волны. Например, дифракционные решетки, работающие в видимой области спектра, часто делаются с расстоянием между штрихами 1,66 мк (600 штрихов на 1 мм). Штрихи должны быть прямыми и параллельными друг другу по всей поверхности решетки, и расстояние между ними должно сохраняться постоянным с очень высокой точностью. Изготовление дифракционных решеток поэтому является наиболее трудным из оптических производств.

Получая спектр с помощью призмы, мы пользуемся явлением преломления света на границе двух сред. Действие дифракционной решетки основано на явлениях другого типа — дифракции и интерференции света. Не объясняя в деталях принцип работы дифракционной решетки (он изучается в курсе физики), мы заметим лишь, что она дает, в отличие от призмы, не один, а несколько спектров. Это приводит к определенным потерям света по сравнению с призмой. В результате применение дифракционных решеток в астрономии долгое время ограничивалось исследованиями Солнца. Указанный недостаток был устранен американским оптиком Вудом. Он предложил придавать штрихам решетки определенный профиль, такой, что большая часть энергии концентрируется в одном спектре, в то время как остальные оказываются сильно ослабленными. Такие решетки называются направленными или эшелеттами.

Основной характеристикой спектрального прибора является спектральная разрешающая сила

где Dl — минимальный промежуток между двумя близкими линиями, при котором они регистрируются как раздельные. Чем больше разрешающая сила, тем более детально может быть исследован спектр и тем больше информации о свойствах излучающего объекта может быть в результате получено. Спектральные аппараты с направленными дифракционными решетками, при прочих равных условиях, могут обеспечить более высокую разрешающую силу, чем призменные.

Другой важной характеристикой спектральных аппаратов является угловая дисперсия

где Da — угол между параллельными пучками, прошедшими диспергирующий элемент и различающимися по длине волны на Dl . Величина

где f — фокусное расстояние камеры, называется линейной дисперсией, которая выражает масштаб спектра в фокальной плоскости камеры и обозначается либо в миллиметрах на ангстрем, либо (для малых дисперсий) в ангстремах на миллиметр Так, дисперсия спектрографа 250 Е/мм, означает, что один миллиметр на спектрограмме соответствует интервалу длин волн Dl = 250 Е.

Особенности оптической схемы и конструкции астрономических спектральных приборов сильно зависят от конкретного характера задач, для которых они предназначены. Спектрографы, построенные для получения звездных спектров (звездные спектрографы), заметно отличаются от небулярных, с которыми исследуются спектры туманностей. Солнечные спектрографы тоже имеют свои особенности. Мы не будем обсуждать здесь этих различий подробно, отметим лишь, что реальная разрешающая сила астрономических приборов зависит от свойств объекта. Если объект слабый, т.е. от него приходит слишком мало света, то его спектр нельзя исследовать очень детально, так как с увеличением разрешающей силы количество энергии, приходящейся на каждый разрешаемый элемент спектра, уменьшается. Поэтому самую высокую разрешающую силу имеют, естественно, солнечные спектральные приборы. У больших солнечных спектрографов она достигает 10 6 . Линейная дисперсия этих приборов достигает 10 мм/Е (0,1 Е/мм).

При исследовании наиболее слабых объектов приходится ограничиваться разрешающей силой порядка 100 или даже 10 и дисперсиями ~1000 Е/мм. Например, спектры слабых звезд получаются с помощью объективной призмы, которая является. простейшим астрономическим спектральным прибором. Объективная призма ставится прямо перед объективом телескопа, и в результате изображения звезд растягиваются в спектр. Камерой служит сам телескоп, а коллиматор не нужен, поскольку свет от звезды приходит в виде параллельного пучка. Такая конструкция делает минимальными потери света из-за поглощения в приборе. На рис. 118 приведена фотография звездного поля, полученная с объективной призмой.

Грубое представление о спектральном составе излучения можно получить с помощью светофильтров. В фотографической и визуальной областях спектра часто применяют светофильтры из окрашенного стекла. На рис. 119 приведены кривые, показывающие зависимость пропускания от длины волны для некоторых светофильтров, комбинируя которые с тем или иным приемником, можно выделить участки не уже нескольких сотен ангстрем. В светофильтрах из окрашенного стекла используется зависимость поглощения (абсорбции) света от длины волны. Светофильтры этого типа называются абсорбционными. Известны светофильтры, в которых выделение узкого участка спектра основано на интерференции света. Они называются интерференционными и могут быть сделаны довольно узкополосными, позволяющими выделить участки спектра шириной в несколько десятков ангстрем. Еще более узкие участки спектра (шириной около 1 Е) позволяют выделять интерференционно-поляризационные светофильтры.

С помощью узкополосных светофильтров можно получить изображение объекта в каком-либо интересном участке спектра например, сфотографировать солнечную хромосферу в лучах Н _a , (красная линия в бальмеровской серии спектра водорода), солнечную корону в зеленой и красной линиях, газовые туманности в эмиссионных линиях.

Для солнечных исследований разработаны приборы, которые позволяют получить монохроматическое изображение в любой длине волны. Это — спектрогелиограф и спектрогелиоскоп. Спектрогелиограф представляет собой монохроматор, за выходной щелью которого находится фотографическая кассета. Кассета движется с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном к выходной щели, и с такой же скоростью в плоскости выходной щели перемещается изображение Солнца. Легко понять что в этом случае на фотографической пластинке получится изображение Солнца в заданной длине волны, называемое спектрогелиограммой. В спектрогелиоскопе, перед выходной щелью и после выходной щели устанавливаются вращающиеся призмы с квадратным сечением. В результате вращения первой призмы некоторый участок солнечного изображения периодически перемещается в плоскости входной щели. Вращение обеих призм согласовано, и если оно происходит достаточно быстро то, наблюдая в зрительную трубу вторую щель, мы увидим мо-нохроматическое изображение Солнца.

Радиоастрономические приемники, как правило не могут быстро перестраиваться с одной длины волны на другую без существенной потери чувствительности. Поэтому спектр космических источников радиоизлучения приходится воспроизводить по отдельным измерениям на различных частотах. В случае непрерывного спектра это может быть удовлетворительным, если он достаточно плавный, однако линии излучения и поглощения таким способом найти трудно. Поэтому монохроматические радиолинии (линия излучения нейтрального водорода l = 21 см, линии поглощения межзвездных молекул) были открыты только после того как теоретически было предсказано их существование и были вычислены ожидаемые длины волн.

Типы спектрографов в спектрометрах

Спектральный анализ, исследование спектрального состава электромагнитных излучений по длинам волн, определение спектральных характеристик излучателей и объектов, которые взаимодействовали с излучением, проводятся при помощи спектральных приборов. Классифицировать приборы для анализов спектров можно несколькими основными способами.

Классификация

1. Обычные устройства, имеющие оформленные отдельно коллиматорную и камерную трубы
2. Автоколлимационные приборы, где конструктивно соединены коллиматор и камера

1. Призменные
2. С дифракционными решетками
3. Интерференционные

1. Визуальные (спектроскопы)
2. Фотографические (спектрографы)
3. Фотоэлектрические (монохроматоры и полихроматоры)

1. Монохроматоры – простые и двойные, выделяющие узкую спектральную область или спектральную линию
2. Полихроматоры, выделяющие одновременно несколько узких областей спектра или несколько спектральных линий
3. Спектрографы и спектроскопы, позволяющие получать или наблюдать одновременно широкие области спектра
4. Спектрометры – приборы, сканирующие спектры при помощи фотоэлектрического или теплового приемника и регистрирующего устройства

Конструктивные особенности

В качестве диспергирующих элементов в спектральных приборах используются призменные системы, дифракционные решетки или интерференционные системы. Из спектральных призм чаще всего используются стеклянная равнобедренная призма, кварцевая призма Корню, призмы постоянного угла отклонения (призма Аббе, призма Водсворта), автоколлимационная призма Литрова, сложная призма прямого зрения Амичи.

Дифракционные решетки используются двух видов: плоские и вогнутые. Плоские решетки, используемые в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра, имеют 2400, 1200, 600, 300, 200 штрихов на 1 мм. В качестве интерференционных систем используются интерферометр Майкельсона и эталон Фабри и Перо. Спектрограф в спектрометре состоит из следующих конструктивных узлов:

1. Механизм щели
2. Узел крепления призмы или решетки с необходимыми перемещениями и юстировочными движениями
3. Кассетная часть

Комплекс спектрального оборудования

Для проведения любого спектроскопического исследования в распоряжении спектроскописта должен быть некоторый комплекс приборов.

Этот комплекс выглядит следующим образом:

1. Генератор возбуждения спектра (наиболее распространенными источниками света являются дуговой разряд постоянного или переменного тока, искровой разряд, импульсный разряд)
2. Спектральный прибор
3. Приемник энергии излучения
4. Глаз
5. Фотопластинка
6. Фотоэлектрический приемник
7. Усилитель
8. Микрофотометр – устройство для измерения плотности почернения
9. Спектропроектор – устройство для рассматривания спектрограмм и идентификации спектральных линий
10. Измерительный микроскоп или компаратор для измерения длин волн
11. Регистрирующее записывающее устройство
12. Автоматическое отсчетное устройство

ИСП-28 и ИСП-22

Спектрографы ИСП-28 и ИСП-22 с кварцевой оптикой предназначены для работы в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Основные характеристики приборов и их оптические схемы одинаковы за некоторыми небольшими исключениями. Оба спектрографа комплектуются призмой Корню с преломляющим углом 60°.

Рабочий диапазон спектра составляет 170 — 600 нм при его длине в 220 мм. Линейное увеличение спектрографов меняется от 1,2х до 1,5хИСП-28 выполнен на литом основании, где крепятся все основные узлы прибора: зеркальный объектив, объектив камеры и кассетная часть.

В отличие от ИСП-22 корпус устройства легко снимается, он состоит из отдельных секций. Кассета крепится на рамке кассетной коробки с помощью клиновых зажимов. Можно управлять движением кассеты и со стороны щелевого механизма с помощью маховчика. Время экспозии в спектрографе ИСП-28 может регулироваться затвором, находящимся за щелью.

ИСП-30

• Рабочий диапазон: 200 – 600 нм.
• Длина спектра: 220 мм.
• Фокусное расстояние объектива коллиматора: 703 мм
• Диаметр объектива коллиматора: 40 мм
• Преломляющий угол призмы: 60 0
• Фокусное расстояние объектива камеры при 257 нм – 830 мм.

ИСП-51

Трехпризменный стеклянный спектрограф ИСП-51 работает в видимой области спектра и имеет две камеры с фокусными расстояниями 120 и 270 мм. Прибор предназначен для эмиссионного спектрального анализа, комбинационного анализа, анализа по спектрам поглощения и для других спектроскопических исследований.

Трехпризменная система обеспечивает при любом положении ее составляющих прохождение вдоль оси прибора луча любой длины волны в минимуме отклонения. Это достигается согласованным поворотом каждой из трех призм. Конструкция спектрографа разборная. Могут быть легко отделены: призменная часть, коллиматорная трубка и камерная труба.

• Преломляющие углы призм: 60 0
• Материал призм: ТФ-1
• Рабочий диапазон спектра: 360 — 800 нм

ДФС-8 и ДФС-13

Другим типом спектрографов является ДФС-8 с плоской дифракционной решеткой предназначен для фотографирования спектра участками по 100 нм на пластинке 13-18 см в диапазоне спектра 200-1000 нм. Прибор выпускается в двух вариантах: с решеткой 600 и 1200 штрихов на мм. Прибор построен по автоколлимационному принципу. Для привидения разных участков спектра в центр пластинки решетка поворачивается вокруг вертикальной оси.

Осветительная система – трехлинзовая. Углы поворота решетки меняются от 6 до 37 0 . Дифракционный регистратор спектра ДФС-13 – прибор большой дисперсии. Он дает возможность работать со сложными спектрами. Прибор построен по автоколлимационной вертикальной-симметричной схеме: лучи, идущие от щели, проходят на зеркало над решеткой, а лучи, возвращающиеся от решетки на зеркало, идут под решеткой. Возможен спектральный анализ в области от 200 до 1000 нм.

СТЭ-1 и ДФС-29

СТЭ-1 предназначается для спектроскопических работ, требующих большой дисперсии в широком диапазоне длин волн. Он дает возможность получить широкую область спектра за одну экспозицию. В оптической схеме СТЭ-1 использованы два диспергирующих элемента – дифракционная решетка и призма, дисперсии которых взаимно перпендикулярны. Это дает возможность работать в разных порядках дифракционного спектра без переналожения порядков.

К вакуумным спектрографам относится ДФС-29, который предназначается для получения и регистрации атомных и молекулярных спектров различных элементов в области 50 — 4000 нм. Прибор построен по схеме нормального падения лучей на дифракционную решетку. Спектр фотографируется участками по 150 нм.