загрузка...
загрузка...
На головну

Характеристики спектральних приладів

Дивіться також:
  1. IV. Глибокий друк, гравюра на металі (головні характеристики)
  2. N Для вимірювальних приладів з суттєво нерівномірною шкалою нормирующее значення встановлюють рівним довжині шкали.
  3. Антропометричні характеристики людини
  4. Бюрократизм і формалізм в системі освіти. Ці характеристики освітнього кризи проявляються в дідактоцентрізме і предметоцентрізма.
  5. В цілому всі коефіцієнти еластичності які стосуються попиту справедливі і для характеристики еластичності пропозиції.
  6. ЗЛІТНО-ПОСАДКОВІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
  7. Вплив навантаження на механічні характеристики скорочення.
  8. Питання 2. Психологічні характеристики політичної маніпуляції
  9. Тимчасові характеристики систем
  10. Генератори з незалежним збудженням. характеристики генераторів
  11. ГІРНИЧО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРІД
  12. Динамічні характеристики вимірювальних пристроїв

В експериментах з отримання спектрів зазвичай використовують призму або

дифракційну решітку, призми і дифракційні решітки грають основну

роль при створенні спектральних приладів. Ці диспергирующие елементи

забезпечують розкладання по довжинах хвиль. Крім них спектральний прилад

повинен містити якусь фокусуючу оптику, щоб отримати чітке

зображення вхідної щілини в світлі досліджуваної хвилі () (Спектральну лінію)

цей прилад називається спектрографом. Випромінювання певного інтервалу довжин

хвиль можна вивести через вихідну щілину. Так працюють монохроматор

.

Рис 1. Спрощена схема спектрального приладу

Найпростіша схема спектрального приладу: в головному фокусі колец-мажорного об'єктива L1 поміщена вхідна щілина b. При проходженні випромінювання через таку систему утворюється плоска хвиля, що падає на диспергирующий елемент. другий (Камерний) об'єктив L2 фокусує випромінювання різних довжин хвиль (спектральних ліній) в певних точках фотопластинки. Подібна система аж ніяк не є єдино можливим (наприклад, інтерференційний фільтр дозволяє виділити з досліджуваного спектра вузьку групу хвиль, і також служить монохроматором).

Перш ніж проводити аналіз отриманих спектральних ліній слід відповісти на наступні принципові питання:

чи є розкладання довільного випромінювання по довжинах хвиль єдиним?

в якій мірі властивості спектрального приладу можуть впливати на характер одержуваного спектра?

Згідно з теоремою Фур'є, будь-яку функцію F (t) можна замінити кінцевої або нескінченної сумою гармонійних функцій виду:

 (1)

 (2)

З (2) випливає, якщо відомі амплітуди монохроматичних коливань з частотами то склавши квадрати амплітуд знайдемо середнє значення функції.

Для зіставлення експериментального (фізичного) і математичного розкладання функція F (t) на складові, розглянемо випадок, коли F (t) складається з трьох монохроматичних функцій з частотами тоді

Потім налаштуємо монохроматор черзі на неминуче спотворення сигналу, що вноситься всіма складовими частотами спектрального приладу, характеризується апаратної функцією, яка показує, який результат вимірювання частоти монохроматичноговипромінювання, якого на вхід спектрального приладу.

Будемо вважати, що різниця між и , и , значно перевищує ширину апаратної функції, щоб вимір на одній частоті не привела до спотворення вимірювань на іншій частоті і ми зареєструємо три мах. Тоді відношення квадратів амплітуд (або відношення площ під піками) дорівнюватиме відношенню і сума площ визначить середнє значення досліджуваної функції. Отже, спектральний прилад, виділивши sin складові з досліджуваного випромінювання, як би провів експериментальне розкладання заданої функції в ряд Фур'є.

Якщо функція довільна, її представляють у вигляді інтеграла Фур'є, а прилад (дає) реєструє суцільний спектр. побудова ускладнене тим, що розкладання дозволяє лише встановити амплітуди гармонійних коливань, але не їх початкові фази. Так, наприклад, не можна стверджувати, що білий світ виникає з семи кольорів хоча розкладання білого світла в суцільний спектр дає сім кольорів. Будь-який прилад не тільки виділяє періодичні складові, а й як би перетворює їх, що можна описати за допомогою його апаратної функції. Для математичного опису такого перетворення зазвичай використовують згортку, Встановлюючи зв'язок між сумою творів апаратної функції на істинний контур лінії і спостережуваним на досвіді розподілом по частотах енергії світлового потоку в межах досліджуваної спектральної лінії. В деяких випадках вдається виключити вплив приладу, т. е. виявити справжній контур спектральної лінії (коли спектральний прилад, взагалі кажучи, не може розділити випромінювання на двох довжинах хвиль, які перебувають в межах його апаратної функції).

Сказаного досить, щоб стало зрозумілою необхідність конкретного вивчення властивостей спектрального приладу, використовуваного для розкладання заданого випромінювання на монохроматичні хвилі.

1. Дисперсія спектрального апарату.

Досліджуємо на який кут будуть розведені диспергирующим елементом два пучка світла з довжинами хвилями .

D? дисперсія-це функція, яка характеризується похідною від кута по довжині хвилі

 (3)

- Кутова дисперсія (4)

 то , Зручно тільки для оцінок.

Отже, дисперсія дифракційної решітки тим більше, чим менше d (період) решітки, т. Е. Частіше треба наносити штрихи, важливо саме число штрихів на одиницю довжини , Де N-число штрихів, а довжина решітки, і вигідно працювати на високих порядках m, , Але в той же час, m має перевищувати - Найбільший порядок дифракції. Наприклад, при , , - Тільки в першому порядку.

Тут n-число одиницю довжини

Для ? = 1 мкм, слід взяти похиле падіння, тоді

роль кута дифракції , , , - Ковзне падіння для ультрафіолетових променів (? = 100?).

Зазвичай спектр проектується на екран за допомогою лінзи. Якщо її фокусна відстань дорівнює f, то кутовий зсув буде пов'язано з лінійним зміщенням формулою

таким чином, лінійна дисперсія буде дорівнює

 (6)

вона зазвичай виражається в на ангстрем. Часто показують зворотну величину , Т. Е скільки хвиль укладається на 1

кут найменшого відхилення

A- переломлюються кут призми

де

 (7)

Отже, дисперсія призми повністю визначається так як для всіх прозорих речовин показник заломлення збільшується зі зменшенням довжини хвилі- нормальна дисперсія то вигідно використовувати призми з великим иі застосовувати в якості диспергирующего елемента для короткохвильового. Рис.4. Області спектра.

Для ультрафіолетового випромінювання скло непрозоро і призми зазвичай виготовляють з кварцу. Дисперсія кварцової призми для коротких хвиль досить велика, але при подальшому просуванні в ультрафіолетову область прозорість кварцу помітно зменшується і для він вже стає повністю непрозорий.

Корисно запам'ятати, що призма найбільш сильно відхиляє фіолетові промені, а решітка - червоні. Для інтерферометра Фабрі-Перо: , дисперсія при (Центральне кільце).

2. Явище дисперсії не дозволяє повністю охарактеризувати здатності спектрального приладу розрізняти довільне випромінювання двох близьких по довжині хвиль на можливо велику кут, але і добита того, щоб кожна складова була досить вузькою.

Роздільна здатність. Ця характеристика дає можливість розрізняти за допомогою апарату дві спектральні лінії з близькими довжинами хвиль и (Рис. 5).

На Рис.5 а. і b представлені дві пари різної ширини, розведених на один і той же кут (дисперсія однакова), але в одному випадку (б) сумарна крива дозволяє спостерігати провал між max, а в іншому (а) в випромінюванні можна виявити дві компоненти. Для такої характеристики апаратної функції, визначальною вимір спектральної лінії монохроматичноговипромінювання і служить роздільна сила.

Критерій Релея - дві спектральні лінії можуть бути впевнено, дозволені, якщо max з них (Imax1) Припадає на min сусідній (Imin2). За міру роздільної здатності приймають відношення довжини хвилі до min інтервалу

Мал. 6

, - Середня довжина хвилі. Умова виникнення головних max -го порядку для решітки з штрихів для , для

 А =
 т. к. між двома головними max, N-1 Min. Для критерію Релея , Т. Е.

 (9)
 або , тоді отримуємо

Таким чином, роздільна здатність апарату (дифракційні решітки) залежить від числа штрихів () (Для дисперсії від числа штрихів на одиницю довжини) т. Е. Від числа интерферирующих пучків. Тому, для підвищення решітки з великою довжиною, т. к. ще потрібно щоб

(10)

тоді т. е. число довжин укладаються на різниці ходу між крайніми променями при максимальному куті дифракції (рис.7).

Роздільна сила решітки завжди менше довжини її робочої частини і слід врахувати, що Im ~обмеження на високі .

, і  (11)

3. Область вільної дисперсії

 (12)

під обраним кутом поширюється вимір не тільки певної довжини хвилі , А й інших хвиль

Так, наприклад, в одному напрямку буде поширюватися випромінювання з довжиною хвилі 6000А0(1ий порядок), 3000А0(2ой порядок) і 2000А0(3ий порядок) і т. д. (. Нехай на решітку падають хвилі в інтервалі ,

maxдля правого краю

 maxдля лівого краю

 (13)
, або

Таким чином, дисперсійна область зменшується зі збільшенням порядку. Роздільна здатність призми запишемо без доказ:

А =, (Де b- основні призми) (14)

для призми тільки m= 1

Набагато ширше поширений випадок, коли коефіцієнт пропускання пластинки, що розташовується в світловому пучку, змінюється не вздовж одного напрямку, а по всій поверхні пластинки. Така структура буде двовимірної(Двовимірна решітка). Цей випадок практично дуже важливий.

Очевидно, що

 (15)

 (16) (- направляючий )

Нехай на таку систему двічі дифракційних решіток падає плоска хвиля. позначимо через кути між нормаллю до падаючої хвилі і осями . Розглянемо випадок нормального падіння (). Умови виникнення головних для випромінювання з будь-якої довільної довжиною хвилі мають вигляд

17 ()

Інтенсивність від щілини на прямокутному отворі (рис.8) (зробили перехід від дифракцій на двомірної решітки до щілини на прямокутному отворі). У напрямку кутів и дає вираз (аналогічно прямокутної щілини)

 (18)

Аналіз показує, що головні виникають тоді, коли и , и - цілі числа. В цьому випадку якщо и - Число штрихів на двомірної решітки вздовж відповідно, то

~  (19)

Якщо тільки або ціле, то головне має багато меньше.

Отже, аналіз Рис.10 і Рис.11 дає можливість експериментально відрізнити правильне розташування викликають дифракцию центрів від хаотичного їх розподіл. Це особливо цікаво, якщо в якості решітки виступає кристалічна решітка твердого тіла, яка представляє собою просторову структуру. При падінні на неї випромінювання з дуже малою довжиною хвилі, наприклад (рентгенівської), буде спостерігатися дифракція. Великий інтерес і практичне значення має дифракція на просторових неоднородностях. В цьому випадку хвиля поширюється не в однорідному середовищі, а в середовищі, в яку включені ділянки, де швидкість хвилі відрізняється від швидкості в інших частинах середовища, т. Е. . якщо в середовищі, то хвиля залишається плоскою (як і падаюча). Якщо однорідність середовища порушена тими чи включеннями або в слідстві будь-яких процесів, т. Е. (Локально), то на таких неоднородностях повинні виникнути дифракційні явища, і частина світла дифрагує (відхиляється) від свого первісного напрямку, і поверхня однакової фази перестає бути плоским, і світло буде поширюватися по різних напрямах.

(20)

З такими дифракційними явищами ми зустрічаємося в природі: поширення світла в тумані (орієнтування судів, і явище Тиндаля, 1860р.) При проходження світла в каламутних середовищах, дим або інші тверді частки, зважені в газі - суспензія що не розчиняються рідин. Відомо, що інтегральне інтенсивність випромінювання диполя пропорційна четвертого ступеня частоти (~ ). Отже, блакитний колір буде розсіюватися значно сильніше червоного . це так зване молекулярне розсіювання. Яскравий приклад цьому - виникнення блакитного небо в результаті розсіювання сонячного світла (розсіювання на флуктуаціях щільності в атмосфері); вінці навколо сонця представляють дифракційні явища - їх зовнішній край червоного світла, тоді як гало (світлі кола навколо сонце) виникають в результаті заломлення світлових променів на кристалах льоду в атмосфері, а також кола (гало і вінці) навколо місяця.

Явище дифракцій на просторових перешкоди або неоднородностях, коли число таких неоднорідностей дуже велике, а розміри їх незначні дуже легко спостерігати. В такому випадку середу прийнято називати каламутній, І явище дифракції носить зазвичай назва розсіювання світла. "Молекулярне каламутність" є результат випадкового скупчення значної кількості молекул, що утворюється при безладному тепловому русі. Відзначимо, що для хвиль звичайного світла молекулярну будову середовища саме по собі ще не обумовлює неоднорідність, т. К. >> молекул (10-8 см). навпаки, для хвиль дуже коротких () Рентгенівських, вже сама наявність молекул обумовлює неоднорідність середовища і веде до дифракції (розсіювання). Розглянемо дифракцію на тривимірних періодичних структурах (випадок ромбических кристалів), яку можна описати формулами для решітки з додаванням умови в результаті інтерференції променів, що йдуть від різних площин решітки (рис.12) світло на решітку падає знизу. У напрямку йдуть промені 1 і 2 діофрагірованние на двох площинах

(21) , де - Третій період решітки, тоді

(22) и

Система (22) - визначає дифракційні умови , и - цілі числа. Не важко бачити, що не можна, взагалі кажучи, для будь-якої довжини хвилі отримати направлення () Для якого виконуються всі ці умови. Дійсно, виключаючи з цих рівнянь знайдемо співвідношення

 (23)

Який показує, які значення повинна мати довжина хвилі для того, щоб в даній структури при заданому початковому напрямку поширення світла утворилися виразні дифракційні максимуми. Таким чином, на просторової дифракційної решітці виходить дифракційну тільки для деяких довжин хвиль, які відповідають умові (23). У застосуванні до дифракцій рентгенівських променів на кристалах отримання співвідношення називаються формулами Лауе (1913р.).

Якщо відбувається відбиття від шарів решітки, то інтерференційне співвідношення має той же вигляд що і формула різниці ходу для плоскопараллельной пластинки (рис.13)

 (24)

де - Кут ковзання

Це співвідношення зазвичай називається умовою Брега-Вульфа. Воно дозволяє на досвіді визначити відстань між площинами, в яких знаходиться максимальна кількість досліджуваних центрів. Крім того, якщо для даного кристала точно відомі відстані між відображають площинами, то це співвідношення можна використовувати для визначення довжини хвилі рентгенівського випромінювання.

Робота електричної схеми. «-- попередня | наступна --» Відтворення основних засобів організацій (підприємств)
загрузка...
© om.net.ua