Диспергирование оптического излучения

Излучение, испускаемое источником возбуждения спектров, несет в себе информацию об элементном составе анализируемого образца. Однако извлечь эту информацию можно только после развертывания (диспергирования) спектра или выделения узкого спектрального диапазона, соответствующего аналитической линии определяемого элемента. В методах атомной оптической спектроскопии для решения этих задач используются светофильтры, монохроматоры и полихроматоры.

Светофильтры

Светофильтры (оптические фильтры) – наиболее доступные устройства для выделения некоторого заданного участка спектра широкополосного оптического излучения. Наиболее распространенными являются абсорбционные и интерференционные светофильтры.

Абсорбционные фильтры (окрашенные стёкла, плёнки) изготовляются из компонент, полосы селективного поглощения которых, накладываясь, перекрывают достаточно широкий спектральный диапазон, оставляя свободным некоторый заданный участок спектра, который и образует полосу пропускания данного устройства. Абсорбционные светофильтры обычно имеют спектральные ширины полос пропускания в пределах от 30 до 50 нм, поэтому их разрешающая способность невелика.

Принцип действия светофильтров другого типа основан на явлении интерференции. На рисунке 6 показано поперечное сечение интерференционного светофильтра. Для его изготовления на прозрачную пластинку наносят полупрозрачную пленку из отражающего металла, например, из серебра. Пленку покрывают очень тонким слоем прозрачного материала, например, фторида магния, а затем – снова пленкой серебра.

Каждая серебряная пленка отражает примерно половину падающего на нее излучения и пропускает остальной его поток. Часть падающего потока повторно отражается слоями серебра, но при каждом отражении некоторое количество излучения выходит наружу.

количество излучения выходит наружу. Те выходящие лучи, для которых расстояние между серебряными пленками кратно половине длины волны (kλ/2, где λ – длина волны, k=1, 2, 3...), усиливаются. Потоки излучения других длин волн интерферируют в слое MgF2, поэтому их энергия практически не выходит наружу. Тонкие слои в интерференционных светофильтрах, выпускаемых промышленностью, защищены еще одной прозрачной пластинкой.

Рисунок 6 - Схематическое представление интерференционного светофильтра. Светлыми кружками указаны гребни, а темными — впадины волны излучения

Выделяемая интерфернционными светофильтрами полоса длин волн значительно уже, а максимальное пропускание гораздо больше, чем у стеклянных светофильтров. Интерференционные светофильтры пропускают потоки излучения многих порядков (в соответствии со значениями k). Излучение нежелательных порядков можно отсечь при помощи подходящего поглощающего слоя. Длины волн второго и более высоких порядков видимого излучения находятся в УФ-области, поэтому их легко устранить при помощи стеклянных пластинок.

Недостаток светофильтров заключается в отсутствии возможности перестройки по длинам волн. Поэтому в приборах для спектрального анализа используются более сложные устройства – монохроматоры и полихроматоры.

Монохроматоры

Монохроматор – это спектральный прибор для выделения узких участков спектра оптического излучения.

До недавнего времени призмы были дешевле решеток в изготовлении, они обладают большой дисперсией в УФ-области. Однако их дисперсия существенно уменьшается с ростом λ, и для разных областей спектра нужны призмы из разных материалов. Решетки свободны от этих недостатков, имеют постоянную высокую дисперсию во всем оптическом диапазоне и при заданном пределе разрешения позволяют построить монохроматор с существенно большим выходящим световым потоком, чем призменный монохроматор.

Полихроматоры

Полихроматор позволяет проводить одновременное наблюдение многих или даже всех участков спектра, в то время как монохроматоры служат для выделения отдельных узких участков спектра для измерения, а сканирование спектра производится путем поворота диспергирующего элемента или специального зеркала и занимает определенное время.

Полихроматоры бывают двух типов. Первый – это простой монохроматор с несколькими выходными щелями. Выбор нужных длин волн осуществляется изменением положения щелей в плоскости проецирования спектра. Такой тип полихроматоров используется в приборах, которые называются квантометрами. В квантометре у каждой выходной щели помещают детектор излучения, поэтому можно регистрировать отдельно и одновременно каждый выделенный участок спектра.

Полихроматор, называемый спектрометром, является не чем иным, как монохроматором с несколькими выходными щелями. Практически полихроматор (дословно: устройство, дающее много цветов) представляет собой монохроматор, имеющий входную щель, фокусирующую оптику и диспергирующее устройство.

Ко второму типу полихроматоров относится спектрограф. В спектрографе отсутствует выходная щель, а вместо этого используется детектор сплошного излучения, такой, как фотографическая пластинка, расположенная в фокальной плоскости.

Значительное распространение в спектрометрах получили полихроматоры, в которых используются вогнутые дифракционные решетки. У вогнутых решеток штрихи нанесены на вогнутую (обычно сферическую) зеркальную поверхность. Такие решетки выполняют роль как диспергирующей, так и фокусирующей системы, т. е. в отличие от плоских решеток не требуют применения входного и выходного коллиматорных объективов или зеркал.

 

Задания.

1. Нарисуйте схему монохроматора, опишите его принцип действия, достоинства и недостатки.

2. Нарисуйте схему полихроматора, опишите его принцип действия, достоинства и недостатки.

3. Что такое светофильтры и для чего они предназначены?

4. Для чего нужно диспергирование оптического излучения?

5. В каких химических анализах вы встречались с приборами, имеющими светофильтры, дифракционную решётку или призму?

6. Какие погрешности могут иметь место в спектральных методах анализа?

 

Литература.

1. Глубоков Ю.М., Головачева В.А., Ефимова Ю.А.. Аналитическая химия. Учебное пособие для СПО. М.: Издательский центр "Академия", 2017.

2. Гармаш А.В. Сорокина Н.М. Метрологические основы аналитической химии. МГУ: М, 2017.

3. Гарифзянов А.Р.Эмиссионная фотометрия пламени и атомно-абсорбционная спектроскопия: электронное учебное пособие. Казань: Казан. гос. ун-т им. В.И.Ульянова-Ленина, 2009