Одноканальные спектральные приборы

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ - приборы для исследования спектрального состава эл--магн. излучений по длинам волн (в оптич. диапазоне 10^-3-10³ мкм; см. Спектры, оптические), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа.

Принцип действия большинства С. п. можно пояснить с помощью имитатора, изображённого на рис. 1. Форма отверстия в равномерно освещённом экране 1 соответствует ф-ции , описывающей исследуемый спектр - распределение энергии (потока) излучения по длинам волн . Отверстие в экране 2 соответствует ф-ции , описывающей способность С. п. выделять из светового потока узкие интервалы в окрестности каждой . Эту важнейшую характеристику С. п. называют функцией пропускания или аппаратной функцией (АФ). Процесс измерения спектра прибором можно имитировать, если поместить за экраном 1 приёмник излучения и регистрировать изменения потока излучения, проходящего через остающиеся отверстия при наложении и перемещении (сканировании) экрана 2 по экрану 1. Результат регистрации будет представлять собой нек-рую ф-цию времени F(t), от к-рой, зная закон сканирования , легко перейти к ф-ции длины волны , описывающей форму с тем лучшей точностью, чем меньше была ширина АФ - интервал . Рассмотренный процесс математически описывается интегралом , называемым свёрткой ф-ции f с ф-цией а. Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном длин волн является осн. характеристикой оптич. части С. п., она определяет спектральное разрешение и разрешающую способность . Чем шире АФ, тем меньше R, но тем больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптич. сигнал, несущий измеряемую информацию, и больше отношение сигнал/шум М. Шумы, в свою очередь, зависят от полосы частот приёмно-усилит. системы прибора (обычно они пропорциональны . Чем меньше , тем меньше шумы, но и тем больше инерционность системы и больше затраты времени t на измерения . Взаимосвязь величин R, M, характеризуется инвариантом вида:

Показатели степени и принимают разл. положит. значения в зависимости от конкретного типа С. п. (обычно ). Константа «качества» К, зависящая только от , определяется конструктивными параметрами данного С. п. и накладывает ограничения на рабочие диапазоны значений R, М, . верх. предел R (мин. ширина АФ) нередко определяется аберрациями оптич. систем, дифракцией света, а макс. полоса лимитируется постоянной времени приёмника излучения (или др. электрич. звеньев).

Рис. 1.

Проиллюстрированный с помощью имитатора принцип действия С. п. относится к одноканальным методам спектрометрии. В распространённых наряду с ними многоканальных методах сканирование не применяется и потоки разных регистрируются одновременно. В имитаторе этому соответствует наложение на экран 1 другого неподвижного экрана, имеющего N отверстий для разных со своими АФ; при этом яоток от каждого отверстия (канала) регистрируется независимо.

Общая классификация методов спектрометрии, являющихся основой разл. схем и конструкций С. п., осуществляется по двум осн. признакам - числу каналов и способам разделения (рис. 2).

Исторически первыми и наиб. распространёнными являются методы пространственного разделения (спектрально-селективной фильтрации), к-рые низ. классическими (группы 1 и 2).

Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по числу каналов и способам разделения длин волн. Контуры шириной символически изображают аппаратные функции (АФ). В однока-нальных методах (1 и 3) применяется сканирование (символ ), в многоканальных (2 и 4) - сканирование отсутствует и измерение интенсивности излучения ряда длин волн ... проводится одновременно.

В одноканальных С. п. группы 1 исследуемый поток со спектром посылается на спектрально-селективный фильтр, к-рый выделяет из потока нек-рые интервалы в окрестности каждой и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование спектра во времени t по нек-рому закону . Выделенные компоненты посылаются на приёмник оптического излучения, запись сигналов к-рого даёт ф-цию времени F(t). Переход от аргумента t к аргументу позволяет получить ф-цию - наблюдаемый спектр.

В многоканальных С. п. группы 2 одновременно регистрируются (без сканирования по ) неск. приёмниками потоки излучения разных длин волн ..., к-рые выделяют, напр., многощелевым монохроматором (полихроматором). Если расстояние между каналами не превышает и число каналов N достаточно велико, то получаемая информация аналогична содержащейся в записи на сканирующем одноканальном приборе (при тех же , одинаковых приёмниках и пр. равных условиях), но время измерения может быть сокращено в N раз. наиб. многоканальность достигается применением многоэлементных фотоэлектрич. приёмников излучения и фотогр. материалов (в спектрографах).

Для С. п. групп 3 и 4, получивших развитие с сер. 1960-х гг., принципиальной основой является спектрально-селективная модуляция (см: Модуляция света),при к-рой задача разделения длин волн l, переносится из оптич. части прибора в электрическую. В одноканальном С. п. группы 3 исследуемый поток со спектром посылается на устройство, способное модулировать нек-рой частотой лишь интервал в окрестности длины волны настройки , оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование проводится так, чтобы различные последовательно модулировались частотой w₀. Выделяя составляющую w₀ в сигнале приёмника с помощью электрич. фильтра, получают ф-цию времени F(t)и соответственно спектр

Многоканальные системы группы 4 основаны на операции мультиплексирования - одно-врем. приёме излучения от многих спектральных элементов в кодированной форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длины волн ,... одновременно модулируются разл. частотами ,..., и суперпозиция соответствующих потоков в приёмнике излучения даёт сложный сигнал, частотный спектр к-рого по w несёт информацию об исследуемом спектре по За рамками приведённой классификации остаются лишь методы т. н. активной спектрометрии, основанной на генерации излучений перестраиваемыми по лазерами (см. Активная лазерная спектроскопия).