ЮСТИРОВКА ПРИЗМЕННОГО СПЕК- ТРОГРАФА ИСП-38 Лабораторная работа № 38

Лабораторная работа № 38
.
ЮСТИРОВКА ПРИЗМЕННОГО СПЕКТРОГРАФА ИСП-38
УДК ……………………..
Преподаватель: с.н.с., к.ф.-м.н., Е.В.Жужукало (ТРИНИТИ)
На рис. 1 представлена типичная оптическая схема призменного спектрографа. Основными элементами этой схемы являются:
1. щель спектральная,
2. коллиматорный объектив,
3. диспергирующая призма,
4. камерный объектив,
5. фотоприемник (фотопленка или фотопластинка)/
λкр
λсин
5
4
3
1
Рис.1
1
2
Свет от исследуемого источника излучения через осветительную систему освещает входную щель спектрографа, которая находится в фокусе коллиматора. Затем
параллельный пучок света, образованный этим объективом, проходя через диспергирующую призму, разделяется в ней на монохроматические пучки, идущие по разным
направлениям. Камерный объектив собирает эти пучки в
фокальной плоскости, образуя при этом на фотоприемнике последовательность монохроматических изображений
щели – называемые далее спектральными линиями. По
ним и судят о спектральном составе излучения исследуемого источника света.
Спектрограф характеризуется следующими основными параметрами: дисперсией угловой и линейной, разрешающей способностью, реальной светосилой и областью
дисперсии.
Dϕ =
dϕ
,
dλ
Dl =
dl
,
dλ
Ө
ί2
i1
α2
α1
Рис.2
1.
∑
∠ТР − КА
= π = π − ϕ + (i1 − α 1 ) + (i2 − α 2 ) =
= π − ϕ − (α1 + α 2 ) + (i1 + i2 ) , тогда
2
ϕ
ϕ = (i1 + i2 ) − (α1 + α 2 ) = (i1 + i2 ) − θ ;
∑
2.
π
π
= π = θ + ( − α1 ) + ( − α 2 ) =
2
2
= θ + π − (α 1 + α 2 ),
т.е. θ = α 1 + α 2 ;
∠ТР − КА
3. sin i1 = n sin α 1
4. sin i2 = n sin α 2
Угловая дисперсия определяется углом, на которыйдиспергирующая система разделяет световые пучки
близких дин волн. Линейная дисперсия определяется линейным расстоянием между центрами монохроматических изображений щели, отстающих на интервал Δλ.
Эти две характеристики связаны между собой:
Δϕ ⋅ f 2
= sin ε ;
Δl
Dl =
Δl =
f2
Δϕ ;
sin ε
f2
⋅ Dϕ .
sin ε
θ
f2
Δφ
∆φf2
B
3
Рис.3
∆ℓ
λ-∆λ
Для определения угловой дисперсии призмы продифференциируем основные уравнения, определяющие
прохождение луча через призму (см. рис. 2). Учтем, что
di1 dθ
;
=
dλ dλ
dα 1
dα
dϕ di2
,
Dϕ =
=
=− 2;
dλ d λ
dλ
dλ
dα
dn
sin α 1 + n cos α 1 1 = 0 ,
dλ
dλ
dα 1
dα 2
и
имеем
исключая
dλ
dλ
dα 2
dϕ di1 dn
=
=
sin α 2 + n cos α 2
dλ dλ dλ
dλ
dα 2
dn sin α 1
=
подставляя
получим
dλ
dλn cosα 2
dϕ sin(α 1 + α 2 ) dn
⋅
= Dϕ , а т.к. α1 + α 2 = θ
=
dλ cos α 1 cos i1 dλ
sin θ
dn
получим Dϕ =
.
⋅
cos i1 cos α 1 dλ
В
случае
dϕ = di1 + di2 = 0
минимального
4
отклонения
di1
= −1 имеем dϕ = 0 условие min ϕ
di2
ν 1 = i2 = i
α1 = α 2 = α =
θ
2
2
dn
Dϕ = tgi
n
dλ
sin i = n sin α
До сих пор, изучая основные характеристики спектрографа, мы пользовались приближением геометрической оптики, рассчитывая прохождение луча через призму.
Разрешающая способность прибора, в данном случае
призмы, определяется в основном тем, что размер падающей на нее световой волны ограничен размерами
призмы или размерами объективов. В результате образуется дифракционный инструментальный контур. Ширина
и форма инструментального контура определяет возможность прибора более или менее детально исследовать
спектр источника. Это свойство прибора удобно характеризовать величиной, которая называется разрешающей
способностью и измеряется тем наименьшим интервалом
длин волн, для которого две монохроматические спектральные линии еще наблюдаются раздельно. Подобный
критерий был введен Релеем, исходя из возможности разрешать две линии, у которой максимум одной совпадает с
минимумом другой при дифракционном разрешении. Это
в некотором смысле искусственное определение разрешения широко используется как параметр, характеризующий разрешающую силу прибора:
R=
5
λ
δλ
Где δλ - предел разрешения, который определяется шириной инструментального контура. По критерию Релея
условие совпадения min для λ с max для λ+Δλ имеем:
Δϕ =
λ
d
Где d - апертура прибора (определяется размерами оптических элементов прибора).
δϕ =
Тогда
λ
d
Отсюда
RТЕОР =
=
dϕ
δλ
dλ
dϕ
⋅ δλ
dλ
λ
dϕ
=d
δλ
dλ
RТЕОР = d ⋅ Dϕ
Если d = 0 , то
RТЕОР = a
dϕ
dn
=c
dλ
dλ
- c - основание призмы
- a - световой диаметр коллиматорного объектива
D - световой диаметр камерного объектива.
Для работы с прибором необходимо:
1. Правильно осветить щель спектрографа
2. Установить
нулевое
положение
щели
S НОРМ = 1,5
λ
D
f КОЛЛ
3. Сфокусировать спектрограмму на фотопластинку.
Обычно при расчетах разрешающей способности светосилы прибора щель считается самосветящейся и излучающей
6
свет в широком телесном угле. В действительности же очень
редко удается расположить источник света близко к входной
щели. В основном различаются два способа освещения щели:
1. Некогерентный – при исследовании распределения спектральной яркости по поверхности источника, для этого нужно, чтобы распределение освещенности по высоте спектральной линии
воспроизводило распределение яркости по соответствующей оси источника. В этом случае источник проектируется на щель при помощи объектива,
соблюдая
при
этом
следующее
соотношение между параметрами проектирующего объектива и коллиматорной линзы прибора:
ω КОНД = ω КОЛЛ
d КОНД
a1
=
d КОЛЛ
f КОЛЛ
dкол.
dконд
ωконд.
a
a1
ωкол.
fколл
Рис.4
2. В другом случае, при количественном анализе,
для получении марок почернения, необходимо
равномерное распределение яркости по высоте
щели – это освещение щели называется когерентным. Осуществляют это освещение различными
7
способами в зависимости от условий проведения
эксперимента. В этом случае волновой фронт на
щели от источника должен быть плоским и иметь
одинаковую интенсивность в разных точках щели. Это достигается уменьшением размера источника, и помещением его в фокус проектирующего
объектива. Иногда это делается при помощи
трехлинзового конденсатора.
Нулевое положение щели определяется следующим способом: заведомо закрыв щель (т.е. в кассетной части прибора
на матовом стекле не видно спектральных линий, иногда это
не удается, что говорит о неисправности щели) затем медленно вращая барабан визуализируют появление спектра со
стороны камеры. Это положение барабана соответствует нулевому положению щели.
Рабочая ширина определяется практически следующим образом: источник света устанавливается на оптической
оси спектрографа, как можно дальше от щели. Затем со стороны камерного объектива рассматривается объектив коллиматора. Изменяя ширину щели определяют какая часть коллиматорной линзы освещена светом источника, при полном
заполнении ее действующей апертуры ширина щели будет
соответствовать нормальной ширине
λ
d
=
Δ~y
или
f КОЛЛ
Δ~y = f КОЛЛ ⋅
λ
d
При дальнейшем увеличении Δ~
y изображение линий
уширяется и становится равным геометрическому изображению щели построенному двумя объективами, коллиматорным и камерным, т.е.
Δy
f КОЛЛ
=
Δy′ИЗОБРАЖ
f КАМЕРЫ sin ε
8
Размер изображения щели
f КАМЕРЫ
f КОЛЛ ⋅ sin ε
Δy ′ = Δy
В случае, когда Δy равно нормальной ширине
f КАМЕРЫ
λ f
= ⋅ КАМЕРЫ
d f КОЛЛ ⋅ sin ε d
sin ε
Угловая ширина нулевого максимума при Δy
Δy ′ = f КОЛЛ
2θ = 2
λ
Δy ДИФР
λ
⋅
равна
, а размеры его на коллиматорном объективе
будут:
2θf КОЛЛ = 2
λ
Δy ДИФР
f КОЛЛ
Но по определению, при нормальной ширине щели через
действующее отверстие коллиматора проходит только нулевой максимум, т.е.
d =2
λ
Δy ДИФР
Δy ДИФР = 2
⋅ f КОЛЛ , отсюда
λ
d
Принято
f КОЛЛ = 2 Δ~
y
считать
оптимальной
шириной
величину
Δy = 1,5 Δ~y , когда только 80% света проходит через действующую апертуру прибора. Для того, чтобы инструментальный контур спектральной линии имел наименьшую ширину
для данного прибора, т.е. разрешающая способность была бы
максимальной, спектрограф должен быть тщательно сфокусирован:
а) щель входная устанавливается в фокус коллиматорного объектива параллельно преломляющему ребру призмы, для уменьшения астигматизма призмы (а призма будет
9
освещаться параллельным пучком света). Для этого зрительная (или автоколлимационная) труба устанавливается на ∞
для спектральной линии наименьшего уклонения для данного
прибора (это спектральная линия, для которой углы входа и
выхода на призме одинаковы) и изображение ее устанавливается в центре кассетной части прибора соответствующим поворотом призмы. Затем щель рассматривается через эту трубу и коллиматор и выставляется в фокус коллиматора:
∆x
∆x
fзрит.трубы
fколл.
Рис.5
2
I. Δx ⋅ L = f КОЛЛ
2
II. Δx′ ⋅ L1 = f ДР .ТР .
L′ = L1 , т.е. Δx = Δ ⋅ (
-
f КОЛЛ 2
)
f ДР .ТР .
Δx - неточность установки щели
′
Δx = Δ - неточность установки на ∞ трубы
10
١
б) для совмещения фотопластинки с фокальной плоскостью камерного объектива необходимо разместить кассету с
фотопленкой, чтобы весь спектр был сфокусирован на фотоэмульсии.
Предварительная фокусировка производится при помощи
матового стекла и лупы, дальнейшая, более тонкая, фотографическим способом, методом последовательных приближений. Для этого на щель одевается диафрагма Гартмана, ограничивающая высоту щели и дается ряд снимков спектра
источника при различным положениях кассеты по фокусу,
или входной щели, если камерная часть спектрографа не юстируется
f КАМ
−2
⋅ 10ММ
= Δx
d
N (число снимков) =
Δ ′ − Δ ′′
, где
Δx
Δ ′ и Δ ′′ - два крайних положения визуальной фокусировки).
Литература.
1. А.И.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский. «Техника и практика спектроскопии».
2. И.Н.Нагибин, В.К.Прокофьев. «Спектральные прибора в
технической спектроскопии».
3. Атлас спектральных линий, С.К.Марзуванов,
Г.М.Замятин «Отождествление спектров элементов»,
Алма-Ата, 1972.
11