спектральні прилади
СПЕКТРАЛЬНІ ПРИЛАДИ. ВИБІР СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИЛАДУ.
Спектральними називаються оптичні прилади, в яких здійснюється розкладання електромагнітного випромінювання оптичного діапазону на монохроматичні складові. Такі прилади використовуються для якісного і кількісного дослідження спектрального складу світла, випромінюваного, що поглинається, що відбивається або розсіюється речовиною. Ці дослідження дозволяють судити про властивості речовини, його хімічний склад і характер фізичних процесів, пов'язаних з випромінюванням або взаємодією світла з речовиною. Спектральні прилади застосовуються також для отримання випромінювання заданого спектрального складу.
Пропоновані "СОЛАР Тии" спектральні прилади є «класичними» за способом здійснення спектрального розкладання випромінювання. У цих приладах як диспергуючого елемента використовується дифракційна решітка, яка здійснює просторове розкладання випромінювання в спектр (за довжинами хвиль).
«Класичні» прилади можна розділити на дві групи: монохроматори і спектрографи.
монохроматори
призначені для виділення випромінювання в межах заданого спектрального інтервалу. Оптична система монохроматора включає в себе вхідну щілину, приціл об'єктив, дифракційну решітку, що фокусує об'єктив і вихідну щілину, яка виділяє випромінювання, що належить вузькому інтервалу довжин хвиль. У монохроматорах завжди є можливість сканування спектра шляхом повороту дифракційної решітки вручну або за допомогою спеціального механізму.
спектрографи
призначені для одночасної реєстрації щодо широкої області спектра. На відміну від монохроматоров, в фокальній площині фокусирующего об'єктива замість вихідної щілини встановлюється багатоелементний приймач (фотодіодних лінійка, ПЗС лінійка, ПЗС матриця та ін.), Що дозволяє реєструвати оптичне випромінювання в межах певного поля. Спектрографи використовуються переважно в ультрафіолетовій (УФ), видимій і ближній інфрачервоній (ІЧ) областях спектру, що обумовлено наявними в даний час багатоелементними приймачами випромінювання (190 - 2600 нм).
Основними характеристиками спектральних приладів, що визначають їх властивості та можливості, є:
• робочий спектральний діапазон,
• світлосила і відносний отвір,
• дисперсія і роздільна здатність,
• рівень розсіяного світла,
• компенсація астигматизму.
РОБОЧИЙ СПЕКТРАЛЬНИЙ ДІАПАЗОН ПРИЛАДУ.
Оптичне випромінювання займає велику область електромагнітного спектру. Ми пропонуємо прилади, які дозволяють працювати в спектральної області від 0,18 мкм до 60 мкм. Короткохвильового діапазон обмежений тим, що повітря стає непрозорим для довжин хвиль коротше 180 нм. Вимірювання в більш короткохвильовій області вимагають застосування спеціальних вакуумних спектральних приладів.
Найбільш широкий спектральний діапазон мають прилади з дзеркальною оптикою. У цих приладах робочий діапазон визначається параметрами дифракційної решітки і типом покриття, що наносяться на поверхні, що відбивають оптичних елементів (дзеркал, решіток). У дзеркально-лінзових спектральних приладах робочий спектральний діапазон визначається в основному матеріалом, з якого виготовлена лінзова оптика.
Ми пропонуємо 4 типи покриттів: Al + MgF2. Ag + SiO2. Au і інтерференційне. Інтерференційне покриття не є стандартним і виготовляється в разі потреби відповідно до вимог замовника. Вибір типу покриття є дуже важливим, так як визначає пропускання спектрального приладу. Графік залежності коефіцієнта відбиття дзеркальної поверхні для різних типів покриттів представлений на наступному малюнку.
РЕЄСТРАЦІЯ СПЕКТРІВ ЗА ДОПОМОГОЮ СИСТЕМ РЕЄСТРАЦІЇ
З шикуванням ЗОБРАЖЕННЯ.
Вибір робочого спектрального діапазону приладу також визначається параметрами дифракційних решіток. Ми пропонуємо широкий вибір дифракційних решіток для УФ, видимого та ІЧ діапазонів. Правильний вибір дифракційної решітки дозволяє отримати найкраще поєднання високої енергетичної ефективності і мінімального розсіяного світла для різних областей спектра. Ви можете вибрати потрібну решітку з нашого переліку решіток самі, або проконсультуватися з нашими фахівцями.
Кожна дифракційна решітка, має свій робочий спектральний діапазон довжин хвиль, який визначається одним із характеристик решітки - довжиною хвилі в вугіллі блиску (кутом блиску). Ефективність решітки в вугіллі блиску максимальна і зменшується як для довгих, так і для коротких хвиль. Діапазон довжин хвиль, для яких ефективність решітки становить не менше 40 відсотків щодо ефективності на довжині хвилі в вугіллі блиску, і є робочий діапазон довжин хвиль даної решітки.
При виборі дифракційних решіток слід враховувати такий важливий параметр, як «кут розвороту решітки» в приладі. У монохроматорах / спектрографах кут розвороту решітки визначається конструкцією приладу. Наприклад, в монохроматор-спектрографі MS3501 кут розвороту решітки становить від 0 ° до 55 °, що в перерахунку на довжину хвилі відповідає 0-1290 нм для решітки 1200 штр / мм. Для дифракційних решіток з різним числом штрихів цей параметр різний і змінюється пропорційно співвідношенню числа штрихів решіток. Для решітки 600 штр / мм і 300 штр / мм максимальна довжина хвилі буде відповідно в 2 рази і в 4 рази більше, ніж для решітки 1200 штр / мм, тобто 2580 нм і 5160 нм. А для решітки 1800 штр / мм і 2400 штр / мм максимальна довжина хвилі буде відповідно в 1,5 і 2 рази менше і складе відповідно 860 нм і 645 нм.
Приклад 1. Кут розвороту решітки 1200 штр / мм в монохроматор-спектрографі MS3501 становить 0-1290 нм. При використанні решітки з довжиною хвилі в вугіллі блиску 250 нм її робочий діапазон довжин хвиль складе від 170 до 500 нм (діапазон, в якому ефективність решітки становить не менше 40 відсотків щодо ефективності на довжині хвилі в вугіллі блиску). Робочий же спектральний діапазон приладу складе 180-500 нм, тому що випромінювання з довжинами хвиль коротше 180 нм буде поглинатися повітрям.
Приклад 2. Кут розвороту решітки 1800 штр / мм в MS3501 становить 0-860 нм. При використанні решітки з довжиною хвилі в вугіллі блиску 750 нм її робочий діапазон довжин хвиль складе від 500 до 1100 нм. Робочий же спектральний діапазон приладу складе 500-860 нм, тому що довгохвильова межа робочого спектрального діапазону приладу буде обмежена не робочим діапазоном самих ґрат (500-1100 нм), а максимальним кутом розвороту решітки в приладі.
Світлосила І ВІДНОСНЕ ОТВІР.
Світлосила спектрального приладу характеризує освітленість, створювану в фокальній площині фокусирующего об'єктива, або потік випромінювання, що падає на приймач випромінювання. Енергія випромінювання, що проходить через спектральний прилад і потрапляє на приймач випромінювання, визначається відносним отвором коллиматорного і фокусирующего об'єктивів. Об'єктив з круглим вхідним зіницею діаметра d з фокусною відстанню f характеризується відносним отвором
або фокальним числом рівним
Об'єктив з прямокутним вхідним зіницею зі сторонами a і h характеризується відносним отвором
Наприклад, якщо фокусна відстань коллиматорного дзеркала становить 380 мм, а його розміри - 70х70 мм, то відносний отвір ε = 1 / 4,8. а фокальное число дорівнює 4,8.
Чим менше фокальное число, тим більша частина випромінювання від джерела, проходячи через спектральний прилад, потрапляє на приймач. Тому, якщо джерело випромінювання дуже слабкий, необхідно вибирати спектральний прилад з меншим фокальним числом (з бо льшим відносним отвором). Однак слід враховувати, що зі зменшенням фокального числа, що характеризує бо більшу светосилу приладу, погіршується роздільна здатність приладу через збільшення аберацій (сферичної і коми).
ДИСПЕРСІЯ і роздільної здатності.
Важливими характеристиками спектрального приладу є його кутова і лінійна дисперсії. Кутова дисперсія є характеристика диспергуючого пристрої (дифракційної решітки). Ця величина визначає його здатність відхиляти випромінювання різних довжин хвиль на різні кути. Якщо промені двох близьких довжин хвиль λ і λ + dλ відхиляються відповідно на кути θ і θ + dθ. то кутова дисперсія визначається як похідна dθ / dλ.
Для дифракційної решітки кутова дисперсія
Очевидно, що кутова дисперсія тим більше, чим більше число штрихів / мм (штр / мм) біля грат і чим більше кут дифракції, а також в разі роботи в високих порядках спектру.
Лінійна дисперсія є характеристикою приладу в цілому. Якщо dl є відстань на поверхні зображення між двома близькими спектральними лініями, різниця довжин хвиль яких дорівнює dλ. то тоді лінійна дисперсія знаходиться як похідна dl / dλ.
Часто спектральні прилади характеризуються величиною, званої зворотної лінійної дисперсією dλ / dl і виражається в нм / мм:
f2 - фокусна відстань фокусирующего об'єктива,
# 948; - кут нахилу поверхні зображення.
Важливою характеристикою спектрального приладу є межа дозволу, який визначається як найменша різниця довжин хвиль # 948; λ двох монохроматичних спектральних ліній рівної інтенсивності, які вирішуються, тобто спостерігаються роздільно.
Для кількісної оцінки здатності приладу розрізняти роздільно дві близько розташовані спектральні лінії вводиться поняття роздільної здатності як відношення довжини хвилі до межі дозволу:
Розглянемо зв'язок між роздільною здатністю і дисперсією.
bl - найменша відстань між двома дозволяється монохроматичними лініями.
Таким чином, роздільна здатність приладу пропорційна його лінійної дисперсії. Для збільшення роздільної здатності застосовують монохроматори зі складанням дисперсії (наприклад, наш Монохроматор / Спектрограф MSDD1000) і ешелле монохроматори, що працюють в високих порядках спектру (наприклад, наш ешелле Монохроматор / Спектрограф MSE750).
РІВЕНЬ РОЗСІЯНОГО СВІТЛА.
У всіх монохроматорах на вихідну щілину завжди потрапляє, крім розкладеного в спектр випромінювання, ще й кілька паразитного (розсіяного) випромінювання інших довжин хвиль. Пояснити це можна багаторазовим відбиттям світла від оптичних деталей, відблисками на їх оправах і внутрішніх стінках приладу, розсіюванням світла на поверхнях оптичних деталей.
Розсіяне світло знижує точність спектрофотометрических вимірювань особливо тоді, коли яскравість джерел або чутливість приймачів випромінювання в досліджуваній області спектра невелика. Щоб зменшити рівень розсіяного світла, ми чорним оправи і внутрішні стінки за допомогою спеціальних покриттів, а також встановлюємо всередині приладів перегородки і застосовуємо додаткові світлофільтри.
Найбільш надійним способом усунення розсіяного світла є застосування монохроматоров з подвійною дисперсією (наприклад, наш Монохроматор / Спектрограф MSDD1000) і подвійних монохроматоров (наприклад, наш Подвійний монохроматор з вирахуванням дисперсії DM160). Наявність в подвійному монохроматоре проміжної щілини дозволяє на три порядки знизити рівень розсіяного світла, що робить ці прилади незамінними в лазерної рамановской спектроскопії, де вимірювані сигнали на десять порядків менше сигналів від лазера.
КОМПЕНСАЦІЯ астигматизм (IMAGING).
МОЖЛИВІСТЬ УСТАНОВКИ ДЕТЕКТОРОВ.
Для реєстрації спектра, отриманого за допомогою спектрального приладу, можуть використовуватися різні системи реєстрації - детектори (докладно про основні типи систем реєстрації і їх характеристики можна прочитати тут). Залежно від типу, детектор може встановлюватися або безпосередньо на вихідний порт, або на вихідну щілину спектрального приладу.
Для інтегральних детекторів з приймальні майданчиком менше 5 мм необхідно використовувати спеціальний вузол сполучення, який за допомогою тороїдального дзеркала переносить зображення вихідний щілини на фоточутливий поверхню приймача випромінювання. В цьому випадку всі вихідний випромінювання монохроматора потрапляє на приймальний майданчик приймача випромінювання без втрат.
Ми пропонуємо адаптери для наших стандартних детекторів і адаптери для установки детекторів інших виробників.
Більшість приладів виробництва "СОЛАР Тии" мають високий ступінь автоматизації, яка забезпечується надійною вбудованою електронікою. Процеси повороту дифракційної решітки, перемикання дифракційних решіток (для моделей з туреллю), установки ширини розкриття спектральних щілин, зміни вихідного порту, а також управління роботою додаткових пристроїв таких, як фільтрову колесо, швидкий затвор і інші, повністю автоматизовані. Вам необхідно лише задати за допомогою комп'ютера або пульта ручного керування відповідні параметри роботи приладу для даного виміру і система автоматично зробить все заміни та налаштування.
Для управління спектральним приладом використовується спеціальна програма "DevCTRL", яка поставляється разом з приладом безкоштовно.