Монохроматизация излучения

В идеальном случае для получения чистого аналитического сигнала от одного-единственного перехода нужно облучить вещество монохроматическим потоком (в абсорбционных методах) или задержать излучение всех испускаемых частот, кроме желаемого (в эмиссионных методах). На практике световые потоки полихроматичны. Выделить абсолютно монохроматическое излучение невозможно. Получают поток излучения более или менее узкого интервала длин волн, что достигается бездисперсионными (с помощью светофильтров) или дисперсионными (с помощью монохроматоров) способами. Светофильтры представляют собой твердые (стеклянные, желатиновые, целлофановые и т.п.) или жидкие среды, обладающие избирательным пропусканием излучения с достаточно узким интервалом длин волн. Светофильтры бывают абсорбционными и интерференционными. Абсорбционный светофильтр это цветное стекло, пропускающее излучение ограниченного (20-40нм) интервала длин волн и поглощающее излучение всех остальных. Каждый светофильтр характеризуется определенной кривой пропускания (рис.1.8). Длину волны, при которой пропускание максимально, называют эффективной длиной волны и указывают в паспорте светофильтра. Другая характеристика светофильтра – полуширина пропускания, т.е. интервал длин волн при пропускании, равном половине максимального. Вместо

Рис.1.8.Кривая пропускания светофильтра

окрашенных стекол можно использовать две стеклянныепластины, между которыми наливают раствор окрашенного соединения. Более узкую полосу пропускания (до нескольких нанометров) получают с помощью интерференционного светофильтра, устроенного следующим образом. Между двумя полупрозрачными серебряными

Рис.1.9. Принцип действия интерференционного светофильтра.

пленками, укрепленными на стеклянных пластинках, помещают слой прозрачного материала, например магния со строго определенной толщиной (рис.1.9). Одна часть попадающего на поверхность пластинки потока света отражается, а другая проходит через слой фторида магния и попадает на вторую серебряную пленку. Здесь снова одна часть потока отражается, а другая выходит наружу. Этот процесс повторяется многократно. Если на расстоянии между обеими пленками умещается точно несколько полудлин волны (l/2), то лучи, совпадающие по фазе, будут усиливаться, а несовпадающие – гаситься. В результате из светофильтра будут выходить лучи с длинами волн, кратными l/2, т.е. k=l/2, где k=1,2,3…(число k называется порядком). Излучение второго и более высоких порядков поглощается стеклом. Следовательно, из светофильтра будет выходить только излучение первого порядка. Монохроматор состоит из диспергирующего элемента, входной и выходной щелей и некоторых оптических элементов. Диспергирующими элементами служат призмы и дифракционные решетки. Разложение света призмой основано на его преломлении на границе раздела двух материалов, например воздуха и кварца или воздуха и стекла. Излучение от источника фокусируется на входную щель, сводится в параллельный поток коллимирующей линзой и поступает на призму. Лучи светового потока, попадая на грань призмы, отклоняются от прямолинейного пути под углом, зависящим от длины волны (рис.1.10). При выходе из призмы лучи снова преломляются и выходят из призмы под разными углами. Это явление называют разложением (дисперсией). Разложенное излучение фокусируют и направляют на выходную щель. Выходящее излучение имеет форму выходной щели, например узкой полоски. Чтобы получить излучение нужного интервала длин волн, призму поворачивают вокруг оси с помощью специального механического устройства. При этом чем уже щель, тем меньше интервал длин волн, выходящих из неё. Обычно используют правильные призмы с углом в основания 60⁰.

Рис.1.10. Призменный монохроматор

Однако в современных приборах чаще вмонтированы призмы Литтрова, представляющие собой половину правильной призмы, одна из сторон которой посеребрена. Излучение входит в призму и выходит через одну и ту же грань (рис.1.11).

Рис.1.11. Призма Литтрова

Разложение света дифракционными решетками основано на явлениях дифракции и интерференции. Дифракционные решётки бывают пропускающими и отражательными. Пропускающая решётка представляет собой пластинку из прозрачного материала, например стекла, на которую вручную или специальной машиной наносят параллельные штрихи. Излучение проходит через прозрачные полосы и разлагается на интерферирующие между собой лучи разной длины волны (рис.1.12).

Отражательную решётку изготавливают из металлической пластинки, на которую нарезают канавки определенного профиля (рис.1.13). Лучи, попадая на выступы решетки, отражаются и интерферируют. В результате происходит разложение света на дифракционной решетки – очень скурпулезная работа. Ее выполняют при помощи точного и чувствительного прибора, называемого делительной машиной, которая прочерчивает точечным алмазом тонкие параллельные линии. В спектрографах и спектрофотометрах обычно используют реплики. их изготавливают, заливая оригинальную решетку пластичным материалом; после затвердевания отливку снимают и укрепляют ее на твердой основе. Искусство изготовления реплик достигло такого совершенства, что эти решетки почти не отличаются от оригинальных. Решетки высшего качества изготавливают при помощи лазера способом голографии. Стеклянную пластинку покрывают фотоэмульсией и освещают одновременно двумя потоками от одного и того

Рис.1.12.Пропускающая дифракционная решетка: d-период решетки

же лазера, в результате чего на эмульсии получается интерференционная картина из параллельных полос. После проявления на пластинке появляется ряд параллельных линий, которые составляют прекрасную дифракционную решетку.

Рис.1.13. Отражательная дифракционная решетка: d-период решетки; j-угол отражения

Монохроматор включает в себя входной коллиматор, диспергирующую систему и выходной коллиматор или камеру (рис.1.14) Входной коллиматор состоит из входной щели 1 и фокусирующего элемента 2 (линзы или вогнутого зеркала), преобразующего расходящийся от щели пучок излучения в параллельный. Диспергирующая система 3 разлагает параллельный пучок света на его монохроматические составляющие, которые характеризуются определенными углами отклонения q. Объектив 4 выходного коллиматора (камеры) фокусируют эти монохроматические пучки в фокальной плоскости, образуя совокупность монохроматических изображений входной щели – спектр.

Монохроматический спектр проходит через выходную щель 5 и попадает на приемник излучения.

Рис.1.14. Принципиальная схема монохроматораэ

На рисунке 1.15 представлена одна из наиболее распространенных оптических систем монохроматора – автоколлимационная. Лучистый поток сложного спектрального состава проходит через входную щель 1 и попадает на параболическое зеркало 4; отразившись от него, параллельный пучок проходит через диспергирующую призму 5, а затем, разложенный призмой спектр отражается от плоского зеркала 6, проходит через призму 5 в обратном направлении (при этом увеличивается разделение монохроматических пучков и фокусируется зеркалом 4 с помощью поворотного зеркала 3 на выходную щель 2. Перемещение спектра относительно выходной щели 2 (сканирование) осуществляется посредством совместного вращения призмы 5 и плоского зеркала 6 (или только зеркала).

Рис.1.15. Схема автоколлимационного монохроматора

Приемники излучения (детекторы)

Визуальный детектор (глаз). Приборы с визуальной регистрацией излучений, в которых детектором служит глаз, пригодны для работы только в видимой области спектра: глаз человека чувствителен к излучениям с длинами от 400 до700нм с максимумом чувствительности в зеленой области (l=550нм). В прецизионных приборах используются объективный способ оценки интенсивности потоков излучений, основанный на применении светочувствительных датчиков или фотографических пластинок (для получения зависимости поглощения от длины волны необходимо измерять на фотоэлектрическом микрофотометре интенсивность почернений на фотопластинке при соответствующих длинах волн).

Приемники лучистой энергии подразделяются на две группы: к одной из них относятся тепловые приемники, а к другой – фотоэлектрические. Тепловыеприемники обладают сравнительно высокой инерционностью, фотоэлектрические – практически безинерционны. При измерениях в ультрафиолетовой и видимой областях спектра в качестве приемников излучения обычно используются фотоэлементы с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные) и фотоумножители. В качестве приемников инфракрасного излучения широко применяются фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления) и ряд тепловых приемников (болометры, термоэлементы и оптико-акустические приемники.

Фотоэлементы превращают световую энергию в электрическую. В фотоелементах используется явление фотоэффекта (открытое А.Г. Столетовым в 1888г.) заключающееся в том, что под действием света с поверхности различных тел вырываются электроны, вследствие чего данное тело приобретает заряд. Причем это явление наблюдается только при условии, если энергия наблюдается только при условии, если энергия светового кванта больше работы, необходимой для отрыва электрона с поверхности данного вещества, и сообщения ему некоторой кинетической энергии.

По принципу действия фотоэлементы подразделяются:

-фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные);

-фотоэлементы с внешним фотоэффектом;

-фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления).

Фотоэлемент с запирающим слоем (рис.1.16) состоит из железной пластинки, покрытой слоем полупроводника, например селена, на слой селена нанесена тонкая полупрозрачная пленка золота или платины. На границе соприкосновения полупроводника с металлом образуется тонкий слой, обладающий односторонней проводимостью, так называемый запирающий слой. Этот слой пропускает электроны от полупроводника к металлу, но не пропускает их обратно. При освещении фотоэлемента электроны выбиваются фотонами из атомов селена: Se⁰ + hn ® Se⁺ + e.

Рис.1.16. Схема фотоэлемента с запирающим слоем

1-железная пластинка; 2-полупроводник; 3-запирающий слой; 4-полупрозрачная пленка золота или платины; 5-гальванометр

Из слоя селена электроны попадают в слой золота (или платины) и заряжают его отрицательно. В обратном направлении электроны проходить не могут из-за наличия запирающего слоя. В результате на границе полупроводника и проводника (золота или платины) возникает разность потенциалов, и во внешней цепи появляется электрический ток, который измеряют гальванометром. Возникающий фототок I прямопропорционален интенсивности подающего светового потока I: I=kI. Для различных фотоэлементов существует спектральная область, в которой наблюдается фотоэффект, т.е. фотоэлементы имеют определенную спектральную характеристику. Например, для селенового фотоэлемента область спектральной чувствительности находится в диапазоне 300-800нм, при этом максимум чувствительности в диапазоне 500-600нм.

Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы представляют собой сходные по конструкции устройства (рис.1.17): внутри кварцевого или стеклянного баллона 1 находятся электроды - анод 2 и фотокатод 3, между которыми создается разность потенциалов за счет внешнего источника питания 5; последовательно с фотоэлементом и источником питания, как правило, вводится защитное сопротивление 6 и электроизмерительный прибор 4. Давление внутри баллона вакуумного фотоэлемента составляет ~10^-8 мм рт. ст., в баллоне газонаполненного фотоэлемента ~0,2 мм рт. ст. (для заполнения фотоэлементов обычно применяют аргон). Фотокатод покрыт слоем соединения щелочного металла Cs₂O, Cs₃Sb, K₂CsSb и др.), испускающего электроны при попадании на него фотонов. Если к катоду и аноду приложить внешнее напряжение ~90В, то возникает электрический ток, который измеряют гальванометром. Из фотоэлементов с внешним фотоэффектом наиболее распространены сурьмяноцезиевый (185-6507нм) для УФ- и видимой областей спектра и кислородноцезиевый (650-1000нм) для ближней ИК-области.

Рис.1.17. Принципиальная схема вакуумного фотоэлемента.

Фотоумножителями (рис.1.18) принято называть вакуумные фотоэлементы, в которых для усиления фототока используется явление вторичной эмиссии. Внутри кварцевого или стеклянного баллона 1 находится фотокатод 4, несколько электродов-эмиттеров (динодов), соединенных между собой, и анод 2. На каждый динод подается напряжение на 90В больше, чем на предыдущий. Электрон, выбитый из фотокатода под действием фотона, попадает на первый динод и вызывает испускание n электронов, которые устремляются ко второму диноду и снова вызывают эмиссию n электронов и т. д. Электроны, испускаемые динодами называют вторичными. Общее количество электронов равно n^m, где m - число динодов. Пусть n=4 и число динодов 12, тогда общее число электронов, получающихся при попадании на фотокатод одного-единственного фотона, равно 17·10⁶, что составляет ток ~0,5 мА. Спектральная чувствительность ФЭУ определяется материалом катода, которые чаще всего бывают цезиевыми или сурьмяно-цезиевыми.

При небольших световых потоках, попадающих на детектор (например, если раствор сильно поглощает свет и через него проходит лишь небольшая доля исходного потока), используют счетчики фотонов, которые в сочетании с электронным устройством позволяют фиксировать импульсы от отдельных фотонов.

Рис.1.18. Принципиальная схема фотоумножителя

Фотосопротивлениями (фоторезисторами) называются полупроводники, способные изменять свою электропроводность под действием лучистой энергии. Действие фотосопротивлений основано на внутреннем фотоэффекте, при котором

Рис.1.19. Принципиальная схема фотосопротивления

сопротивление полупроводника зависит от его освещения. Под действием света электроны из кристаллической решетки полупроводника переходят в свободное состояние (в зону проводимости). Изменение сопротивления обнаруживается по изменению тока в слое проводника. Принцип действия фотосопротивлений а поясняет схема (рис.1.19): при поглощении лучистой энергии в полупроводнике увеличивается число отрицательно и положительно заряженных носителей тока - электронов и дырок, перемещающихся под действием приложенного напряжения к электродам 1 и 2. В фотосопротивлениях используют таллофид (смесь таллия, серы и кислорода) с максимумом чувствительности в области около 1 мкм, теллурид свинца с максимумом 4,5мкм, селенид кадмия с максимумом 0,75 мкм, сульфид свинца с максимумом 2,4, сульфид висмута с максимумом 0,7мкм. Таким образом большинство фотосопротивлений пригодно для работы в ИК-области спектра. Только фотосопротивления из сульфида кадмия имеют максимум чувствительности в видимой области и пригодны для работы в этом участке спектра.

Болометр - это приемник радиации, принцип которого основан на зависимости сопротивления металла или полупроводника от температуры. Изменение температуры происходит под действием лучистого потока, который поглощается термочувствительным элементом болометра. В принципе, любой металл или полупроводник может служить термочувствительным элементом. В современных болометрах термочувствительный элемент изготавливается из материалов, имеющих максимальную зависимость сопротивления от температуры. Поверхность термочувствительного элемента обычно покрывают специальным материалом, обладающим сильным поглощением в инфракрасной области спектра. Болометры включаются либо в мостиковую схему (рис.1.20 а), либо в схему с нагрузочным сопротивлением (рис.1.20 б). Измерения сопротивления, возникающие при поглощении падающего излучения, приводят к измерению напряжения в измерительной схеме (как правило, они составляют 10^-7 ¸ 10^-9В).

Рис.1.20. Схема включения болометра.

Простейшим термоэлементом (термоаналитическим преобразователем является термопара. В основе ее действия лежит термоэлектрический эффект: в замкнутой цепи, состоящей из двух различных проводников, спаи которых находятся при разных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс). Величина термоэдс зависит от материалов, из которых изготовлены проводники, и разности температур спаев. В термоэлементах, применяемых в качестве приемников излучения, изменение температуры происходит под действием измеряемого лучистого потока.

Рис.1.21. Принципиальная схема вакуумного термоэлемента.

1-окно, прозрачное для ИК-излучения; 2-приемноя пластинка; 3,4-проводники, составляющие термоконтактную пару; 5-основание, на котором укреплены проводники.

Падающее излучение изменяет температуру приемной пластинки, находящейся в тепловом контакте со спаем термопары, вызывая появление термоэдс; приемная пластинка обычно покрывается специальными веществами – металлической чернью, сажей и т.п., хорошо поглощающими инфракрасное излучение. На рис.1.21 приведена одна из типичных конструкций термоэлемента: внутри вакуумированного баллона с окном, прозрачным для инфракрасной области, находятся две приемные пластинки, расположенные одна под другой. Одна из них принимает падающую радиацию, а вторая служит для компенсации побочных влияний. Разрежение внутри баллона термоэлемента составляет ~ 10^-6мм рт. ст.

Принцип работы оптико-акустического приемника (ячейки Голея) состоит в том, что под действием лучистого потока измеряется температура газа, заключенного в

специальную камеру (рис.1.22). Одна из стенок камеры представляет собой легко деформирующуюся мембрану. Изменение температуры газа сопровождается изменением

его давления и, следовательно, деформацией мембраны. Деформация мембраны может быть зарегистрирована различными способами, в том числе оптическим. В качестве мембраны используется зеркало 1, отражающее пучок света от вспомогательного источника 2 на фотоэлемент 3. Если первоначально направление отраженного светового пучка строго фиксировано, то небольшие отклонения от этого направления, вызванные деформацией мембраны вследствие нагревания газа лучистым потоком, вызовут изменения сигнала на выходе фотоэлемента. Оптико-акустические приемники могут быть использованы как в ближней и средней, так и в далекой инфракрасной области спектра.

Рис.1.22. Принципиальная схема оптико-акустического приемника.

Дата добавления: 2015-06-26