Головна

Монохроматори

Велике значення у фотометрії мають спектральні вимірювання оптичних характеристик різних матеріалів. Для цієї мети застосовують різного роду монохроматори — прилади, які призначені для виділення вузькохвильової (монохроматичної) спектральної ділянки у сполученні з вимірювальною частиною у вигляді фотометра. Монохроматор це оптичний прилад, який дозволяє розкладати складне за спектральним складом випромінювання джерела в спектр, з якого можна виділити потрібну однорідну (монохроматичну) частину випромінювання. Розклад складного за складом випромінювання на спектральні складові робиться або за допомогою дисперсної призми, або за допомогою дифракційної решітки. У зв’язку з цим монохроматори поділяються на призмові і дифракційні. Схема руху променів у призмовому монохроматорі проілюстрована на рис. 6.5. Розглянемо принцип дії монохроматора.

У фокальній площині об’єктива Л1 першого коліматора К1 знаходиться вхідна щілина Щ1 монохроматора, на якому конденсорна лінза Л збирає випромінювання джерела Д. Проходячи через вхідну щілину Л1 і об’єктив, випромінювання набуває форму пучка, який падає на призму П. На гранях призми пучок світла переломлюється двічі і розкладається у віяло паралельних пучків однорідних випромінювань, які відповідають різним довжинам хвиль. Ці монохроматичні пучки проходять крізь об’єктив Л2 другого коліматора і утворюють в його фокальній площині спектр, довжина якого пропорційна фокусній відстані об’єктива Л2.

Вихідна щілина Щ2 може переміщатися у площині спектра і пропускати крізь себе різні ділянки видимої області, спектральна ширина яких залежить від ширини щілин Щ1 і Щ2 монохроматора. Зазвичай дві щілини мають однакову ширину.

Спектральний склад випромінювання, яке пройшло крізь монохроматор, схематично показують як ламану (рис. 6.6).


Рис. 6.5. Хід променів у приземному монохроматорі

По осі ординат показані спектральні щільності потужності випромінювання, яке пройшло через монохроматор. Довжини хвиль λ1 і λ2 характеризують інтервал, за межами якого потужність випромінювання зменшується в два рази. Значення λm характеризує довжину хвилі, для якої спектральна щільність випромінювання найбільша.

Рис.6.6. Схематичний вигляд спектрального складу випромінювання, яке проходить крізь монохроматор

Різниця Δλ = λ1 - λ2 визначає “ширину” спектральної ділянки пропущеного випромінювання і є одною з важливих характеристик монохроматора. Відношення λ/Δλ характеризує роздільну здатність монохроматора.

Щоб збільшити роздільну здатність приладу, потрібно зменшити ширину Δλ, а це пов’язано зі зменшенням ширини щілин Щ1 і Щ2 монохроматора. При цьому, зазвичай, буде зменшуватися потужність пропущеного пучка, що позначиться на значенні вимірювального сигналу. Крім того, на значення вимірювального сигналу буде впливати зміна коефіцієнта пропускання оптичної системи монохроматора, що спостерігається при зменшенні ширини щілини. На цей фактор слід зважати, коли проводяться вимірювання на монохроматорі.

Наведена схема стосується так названих однократних монохроматорів, які мають одну призму (або комплекс), яка розташовується між коліматорами.

Суттєвим недоліком однократних монохроматорів є помітна кількість розсіяного світла. Крім однохвильового світла у вхідну щілину проникає ще світло різних довжин хвиль, що вносить додаткові похибки у вимірювання.

Для виправлення цього недоліку виділена ділянка спектра знову пропускається крізь другу призму, що облаштовується у приладі, тобто крізь так званий подвійний монохроматор. У цьому випадку домішка розсіяного світла зменшується в десятки разів. Тому для спектральних вимірювань підвищеної точності рекомендують використовувати подвійні монохроматори.

Для широкого використання спектральних коефіцієнтів пропускання матеріалів використовують універсальний монохроматор УМ-2. Прилад призначений для отримання монохроматичного світла у видимій частині спектра. Оптична схема монохроматора зображена на рис. 6.7.

Розглянемо картину отримання спектра на виході монохроматора. Зображення джерела світла 1 ахроматичним конденсатором проектується на площину вхідної щілини 3, яка розташована у фокусній площині коліматорного об’єктива 4. Паралельний пучок, який виходить із коліматора, проходить крізь призму 5. Розкладений пучок променів об’єктивом 6 фокусується в площині вихідної щілини 7. Для отримання зображення різних ділянок спектра диспергуюча призма 5 повертається за допомогою барабана 8. Одна поділка рівномірної шкали барабана відповідає 0,07 нм при 400 нм і 0,4 нм при 1000 нм. Вимірювання проводяться в межах 370 ... 1010 нм. Монохроматор має селеновий фотоелемент і дзеркальний гальванометр. Крім того, монохроматор може мати два окуляри різних збільшувань, які дозволяють використовувати його як спектроскоп.

У дифракційних монохроматорах диспергуючим елементом є дифракційна решітка, яка являє собою поліровану пластинку оптичного скла, яке вкрито дзеркальним шаром алюмінія, на поверхні якого рівномірно нанесено велику кількість однакових паралельних штрихів. Решітки різні за розміром та кількістю штрихів, які приходяться на 1 мм її ширини. У видимої частини спектра використовуються решітки з кількістю 600 і 1200 штрихів на 1 мм.

Рис. 6.7. Оптична схема монохроматора УМ-2

Дифракційні монохроматори не мали широкого використання при світлових вимірюваннях через великі втрати світла. Проте головна їх перевага - рівномірна шкала довжин хвиль - примушує дослідників не відмовлятися від вдосконалення існуючих монохроматорів і розробки нових конструкцій.

Спектрофотометри.Спектрофотометр — це у більшості випадків сукупність монохроматора , який призначений для виділення необхідної вузької спектральної ділянки світлового пучка, та вимірювального фотометра зі звичайною або автоматичною реєстрацією.

Спектрофотометрами вимірюють коефіцієнти пропускання (або оптичної густини) твердих тіл, шарів рідини на дуже вузькій ділянці спектра. Деякі сучасні спектрофотометри є автоматичними приладами, які записують інформацію про спектральні коефіцієнти пропускання зразка, який досліджують, у формі графіка або числової таблиці.

Спектральна ширина смуги, яка виділяється монохроматором, встановлює по суті межу дозволу. Останнє визначає роздільну здатність спектрофотометра λ/Δλ. Удосконалення цих приладів і спрямовано на збільшення їхньої роздільної здатності і відповідно зменшення спектральної ширини діючого випромінювання, що пов’язано зі зменшенням потужності випромінювання і електричного струму, який виникає під дією випромінювання у зовнішньому ланцюзі приймача. Тому у склад кожного сучасного спектрофотометра входить пристрій, який призначений для посилювання, вимірювання, а інколи і реєстрації фотоструму.

Слід зазначити, що теоретично не можна отримати строго монохроматичне випромінювання, яке завжди має деякий кінцевий спектральний інтервал, що визначається явищами дифракції і аберації.

У світловимірювальній практиці використовують такі прилади:

1) спектрофотометр СФ-10, який вимірює світлотехнічні характеристики в діапазоні 400 - 750 нм;

2) спектрофотометр СФ-20, який виміряє спектральну характеристику зразків в області спектра від 186 до 2500 нм, тобто охоплюючи область ІЧ випромінювання;

3) спектрофотометр СФ-26, який вимірює коефіцієнти пропускання прозорих і плоскопаралельних зразків у спектральній області 186-1100 нм.

Розглянемо більш докладно схему і принцип дії широко розповсюдженого компактного спектрофотометра СФ-26, оптична схема якого показана на рис. 6.8.

Джерелом світла є вольфрамова лампа розжарювання, яка освітлює конденсорне дзеркало 7. З останнього промені світла прямують на плоске дзеркало 7, в свою чергу, спрямовуючи світловий потік на вхідну щілину 5, яка розташована у фокусі дзеркального сферичного об’єктива 4. Відбитий від сферичного дзеркала 4 паралельний пучок променів падає на поверхню кварцової призми 3, заломлюється у ній і падає майже по нормалі на її другу грань, яка покрита зовні шаром алюмінію. Після відбиття пучок променів удруге проходить крізь призму, вдруге приломлюється на її першій грані. У результаті такого проходження різні спектральні складові випромінювання виходять із призми в різних напрямках. Повертаючи призму 3 в межах деякого кута навколо осі, яка перпендикулярна граням призми, можна направити на сферичне дзеркало 4 паралельні пучки тієї або іншої частини спектра. Відбиті від дзеркала 4 пучки променів крізь вихідну щілину і лінзу, які розташовані вище вхідної щілини 5 (на рис.6.8 не показано), попадають на дзеркало 10.

Поворотне дзеркало 10 може направляти пучок променів на один з приймачів випромінювання 11 або 12. Приймачем 11 є сурьм’яно-цезієвий фотоелемент Ф-17, приймачем 12 - киснево-цезієвий фотоелемент Ф-23.

Фотоелемент Ф-17 застосовується при вимірюванні випромінювання в області від 186 до 650 нм, Ф-23 - в області від 600 до 1100 нм. У цьому випадку вимірюємо значення фотоструму, яке відповідає значенню 100 % світлового потоку, що вільно проходить.

Рис.6.8. Оптична схема спектрофотометра СФ-26

При проведенні вимірювання коефіцієнтів пропускання прозорих тіл або суміші на шляху між вхідною щілиною приладу і дзеркалом 10 встановлюють скляний світлофільтр 8 і кювету 9 зі сумішшю. У кюветі можуть розташовуватись одночасно три дослідних зразки з різною оптичною густиною, вимірювання яких можна робити по черзі. Світлофільтр 8 застосовують для затримання розсіяного світла сторонніх довжин хвиль. Наприклад, при вимірюванні в області 320 — 380 нм за світлофільтр застосовують скло УФС-2, яке пропускає УФ промені і затримує промені видимої частини спектра.

Спектральний інтервал Δλ, який виділяється приладом, різний в різних частинах спектра і залежить від ширини вхідних і вихідних щілин.

Електрична схема спектрофотометра СФ-26 забезпечує живлення джерел світла стабільною напругою, посилюванням фотоструму, який виникає у фотоприймачі під дією пропущеного випромінювання.

Стійкість режиму роботи приладу слід перевіряти, відновлюючи початкові положення зразків у кюветному відділенні. У цьому випадку дані вимірювального приладу повинні збігатися з початковим значенням фотоструму, що відповідає 100 % світлового потоку, що вільно проходить.

У світлометричній практиці часто використовують реєструючий спектрофотометр СФ-10, який призначений для вимірювання коефіцієнтів пропускання прозорих і мутних середовищ, а також для вимірювання коефіцієнтів дифузного відбивання твердих і порошкоподібних речовин в області видимого спектра. При проведенні досліджень виконується автоматична реєстрація спектральних кривих на паперовому бланку. Робочий діапазон даного спектрофотометра 400 - 750 нм, тривалість запису одного спектра від 1,5 до 3,5 хв.

Крім описаних вище однопроменевих спектрофотометрів для вимірювання коефіцієнтів пропускання твердих матеріалів та рідин різного ступеня прозорості в техніці використовуються більш складні двопроменеві спектрофотометри. До таких приладів належить спектрофотометр типу СФ-20, який дозволяє провести якісні вимірювання спектральної характеристики зразка в області спектра від 186 до 2500 нм.

Подвійна монохроматизація світла в цих приладах дозволяє забезпечити майже повну відсутність розсіяного світла в монохроматичному пучку промені, який попадає на дослідний зразок. Крім того, розділ цього монохроматичного пучка на два - основний та пучок зрівняння, дозволяє передбачити автоматичну підтримку однакового рівня сигналу зрівняння напруги, що подається ззовні.

У цих приладах для розширення діапазону вимірювань використовуються дифракційні решітки: одна - для вимірювання в короткохвильовій частині спектра, друга - в далекохвильовій.

За джерела світла в спектрофотометрах використовують, як правило, лампи, що мають світне тіло малих розмірів (типа СЦ), які використовують спеціально для роботи в спектральних приладах. Їх потужність 30 ... 100 Вт і напруга 6 ... 12 В. Зазвичай вони застосовуються у сполученні з лінзою, яка дозволяє фокусувати пучок на вхідну щілину приладу.

Спектрофотометри не повинні нагріватися від джерела світла. Тому останні, як правило, оточуються теплозахисним кожухом. Інколи ним є металевий циліндр, інколи - кожух з подвійними стінками, між якими пропускається вода. Остання складна конструкція практично зараз не застосовується. Більш простим є пристрій з трьох-чотирьох металевих кожухів, які знаходяться один усередині другого на відстані 2 см. Кожухи, які оточують лампу, повинні мати два бокових отвори: один для пропускання світла в спектрофотометр, другий - на протилежній стороні для уникнення відбиття світла від лампи в спектрофотометр. Для точних вимірювань на шляху пучка, який входить, потрібно розмістити щитки з вікнами, щоб усунути любе випадкове нагрівання спектрофотометра, особливо якщо використовуються джерела світла підвищеної потужності.

Слід зазначити, що спектрофотометричні вимірювання належать до важких операцій і не завжди можна забезпечити їх задовільну точність. Постійну похибку вимірювань виявити досить важко. Порівняльні вимірювання спектральних коефіцієнтів пропускання, які проводилися Міжнародним бюро стандартів, мір та ваги в різних країнах, показали, що для коефіцієнтів пропускання τ ≥ 0,2 неточність при вимірюваннях становить 1,0 ... 1,5 %. При менших значеннях коефіцієнта пропускання і при різких змінах зі спектром похибка при вимірюваннях зростає ще більше.

При проведенні спектрофотометричних вимірювань слід пам’ятати, що стабільна робота електричної схеми, яка реєструє коефіцієнт пропускання зразка, потребує досить потужного сигналу. Останній утворюється в приймачі під дією падаючого потоку випромінювання. Тому високоточні спектрофотометри мають схему автоматичного підтримування рівня сигналу порівняння постійної напруги, що подається ззовні. Це здійснюється за допомогою реверсивного двигуна, який регулює ширину щілин спектрометра.

Природно, що при зміні ширини щілин монохроматора змінюється ширина Δλ спектрального інтервалу. Останній фактор впливає на роздільну здатність спектрофотометра.

 



1   2   3   4   5

Методи та пристрої фотометричних вимірювань | Фотометрична куля | Фотометрична лавка |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати