(3.1)

На рис. 18.5 представлена зависимость L_onm от длины волны для различных углов падения и радиусов кривизны решетки 600 штрих/мм.

При увеличении ширины решетки сверх оптимального L_orun наблюдается асимметричное искажение контура линии. Для того чтобы получить при ширине решетки L_onm соответствующую ей разрешающую силу, ширину входной щели следует брать равной

(3.2)

Так как практически невозможно использовать щель уже 1 мк, разрешающая сила лимитируется шириной щели.

У приборов со скользящим падением габариты тем меньше, чем больше угол падения. Поэтому спектрографы с решетками больших радиусов кривизны обладают сравнительно небольшими размерами. В самом большом из известных пока спектрографов скользящего падения решетка 576 штрих/мм имеет R = 13 м. Угол падения а = 89° 09'. В рабочем диапазоне 5-120 А дисперсия меняется от 0,038 А/мм до 0,15 к/мм при 110 А. Фотопластинки 50х2,5 см укрепляются в держателе, охватывающем весь рабочий диапазон прибора длиною 1390 мм.

Существует много приборов небольших габаритов. Нашей промышленностью был выпущен прибор ДФС-6 с решеткой R= 1 м, 600 штрих/мм, а = 86°, рабочий диапазон 50-2000 А. Прибор обладает рядом конструктивных недостатков, причем некоторые из них могут быть устранены в процессе эксплуатации прибора.

В настоящее время этот прибор заменен прибором ДФС-26 [14] с решеткой 600 штрих/мм, R = 3 м, а = 85°. Рабочий диапазон прибора 100-2200 А. Кассета 60x240 мм перемещается по кругу Роуланда и в направлении, перпендикулярном дисперсии. Основной объем прибора, камера источника и камера кассеты откачиваются независимыми вакуумными системами.

Приборы для ракетных исследований в вакуумной области спектра построены по схемам скользящего падения.

4. Монохроматоры

Монохроматором называется спектральный прибор, выделяющий излучение в некоторой, обычно довольно узком интервале Дл который можно непрерывно перемещать по спектру.

Конструктивно монохроматор обычно выполняется в виде симметричных объективов L₁ и L₂, в фокусах которых находятся исходная и выходная щели S1 и S2, и диспергирующего элемента D. Перестройкой диспергирующего элемента можно вывести на выходную щель изображение входной щели, соответствующе заданному участку спектра. Реже для перехода от одной области спектра к другой перемещается выходная или входная щель.

Допустим, что щели достаточно широки и инструментальный контур монохроматора определяется шириной геометрического изображения щели без необходимости учета дифракции. Пусть а - ширина изображения входной щели, а а' - ширина выходной щели. Световой поток, выходящий из монохроматора, пропорционален площади перекрывающихся участков выходной щели а' и изображения входной щели а (рис. а и б). В случае равенства а и а' при перемещении изображения щели в фокальной поверхности световой поток, проходящий через выходную щель, будет линейно возрастать до максимального значения и затем линейно убывать. Инструментальный контур представляет в этом случае равнобедренный треугольник (рис. а). Если входная и выходная щели имеют разную ширину, то инструментальный контур будет трапецией (рис. б), которая тем ближе к прямоугольнику, чем уже одна из щелей по сравнению с другой.

Монохроматоры разных конструкций применяются как самостоятельные приборы для получения монохроматического излучения. Кроме того, монохроматоры являются основной частью ряда спектральных приборов - спектрометров, спектрофотометров и др.

Нередко используются также двойные монохроматоры, представляющие собой два монохроматора, объединенные в одной конструкции, причем выходная щель первого играет роль входной щели для второго.

4.1 Монохроматоры с дифракционной решеткой

дифракционный решетка спектрограф монохроматор

В дифракционных монохроматорах, не предназначенных для вакуумной области спектра, обычно применяются плоские решетки и фокусирующая оптика со сферическими или параболическими зеркалами. При конструировании монохроматоров с небольшим фокусом и большой площадью диспергирующего элемента приходится иметь дело с пучками, идущими под большим углом к оптической оси и с зеркалами, имеющими большое относительное отверстие. Чтобы в этих условиях избавиться от значительных аберраций, приходится иногда пользоваться асферическими, в первую очередь внеосевыми, параболическими зеркалами.

В дифракционных монохроматорах широко используются схемы Эберта и Черни - Турнера. Схема Эберта, наиболее часто применяемая в длиннофокусных монохроматорах и спектрографах с плоскими решетками, показана на рис. 4.22.

Объективом коллиматора и камеры служит сферическое зеркало 1. Пучок, идущий от щели 2 и отраженный от поворотного плоского зеркала 3, после коллимирования зеркалом 1 падает на решетку 4, которая может вращаться вокруг оси 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дифрагированный свет после отражения от зеркала 1 падает на выходную щель. В случае спектрографа он образует спектр на фокальной поверхности прибора 6. Легко понять, что размеры зеркала в монохроматоре лишь немного должны превышать размер дифракционной решетки. В спектрографе разные участки зеркала служат для отражения разных частей спектра. Поэтому размер зеркала в направлении дисперсии должен равняться сумме ширины решетки и длины фотографируемого участка спектра. В короткофокусных монохроматорах пучки падают на зеркало под большими углами к оси и схема Эберта приводит к значительным аберрациям. Поэтому в таких монохроматорах чаще применяется схема Черни - Турнера с двумя зеркалами. По такой схеме собран прибор МДР-2. Объективами служат сферические зеркала с фокусом 400 мм. Прибор снабжен тремя сменными решетками площадью 140 X 150 мм², используемыми в первом порядке. Решетки имеют 300 штр/мм для области спектра 1-2,5 мкм, 600 штр/мм для 0,5-1,25 мкм и 1200 штр/мм для 0,2-0,6 мкм. При использовании всей площади решетки аберрации заметно снижают разрешающую силу. Поэтому прибор снабжен двумя диафрагмами, уменьшающими относительное отверстие прибора от 1 :2,5 до 1 : 10 или 1 : 15. При использовании диафрагмы значительно уменьшается световой поток на выходе прибора, но улучшается его монохроматичность.

На рисунке показан ход лучей в простом монохроматоре Jarrell Ash, собранном по схеме Эберта. Фокусное расстояние зеркала 25 см. Прибор снабжен сменными щелями постоянной ширины. Основной щели 0,1 мм соответствует полоса пропускания 3,2 А. Применять более узкие щели невыгодно, так как инструментальный контур уширен аберрациями и получить его уже 3-4 А нельзя. Два монохроматора легко объединяются в один двойной(рис. 4.25). При этом легко сочленяются механизмы вращения их решеток.

Такой «тандем-монохроматор» снабжен сменными решетками 1180 штр/мм с углом блеска для 3000 и 6000 А. Прибор снабжен устройством для фотоэлектрического сканирования спектра.

По аналогичной схеме построен монохроматор СД, выпускаемый мастерскими НИФИ ЛГУ. Прибор рассчитан на область спектра 0,25-1,3 мкм. Фокусное расстояние коллиматорного зеркала 700 мм, размер заштрихованной части решетки 80 X 70 мм², обратная дисперсия при работе во втором порядке для решетки, имеющей 600 штр/мм, - 12 А/мм.

В рассмотренных схемах дифракционных монохроматоров имеются дополнительные плоские зеркала для поворота пучков. Они вызывают дополнительные потери спета и служат причиной лишнего рассеянного излучения.

Свободен от этих недостатков монохроматор фирмы Mc-Pherson со скрещенными пучками. Модель 218 имеет схему, показанную на рисунке. Асферические зеркала имеют фокус 30 см. Шесть сменных дифракционных решеток (75-2400 штр/мм) позволяют использовать прибор от 1050 А до 1С мкм. Для работы в области длин волн короче 2000 А прибор можно откачивать. Конструкция держателя решетки и самих решеток позволяет легко заменять их без дополнительной фокусировки прибора. Монохроматор снабжен фотоэлектрическим устройством, позволяющим регистрировать спектр, сканируя его вручную или мотором с двенадцатью скоростями. Внешний вид прибора без откачивающей и регистрирующей систем показан на рисунке.

Длиннофокусный монохроматор, построенный по схеме Эбсрта, выпускается экспериментальными мастерскими НИФИ ЛГУ под названием ДАС-1. Зеркало этого прибора имеет фокусное расстояние 2 м. Он снабжается решеткой, имеющей 1200 или 600 штр/мм. площадью 8x9 см². При щелях 0,01 мм теоретическая разрешающая способность решетки реализуется практически полностью. Сканирование спектра осуществляется поворотом решетки, регистрация - фотоумножителем с записью на самопишущий потенциометр.

Схема Черни - Турнира используется в двойном монохроматоре ДФС-12. В нем применено оригинальное расположение решеток «спиной друг к другу» (рис. 4.28). Обе решетки вращаются вокруг одной оси, и это обеспечивает автоматическое согласование углов поворота.

В двойных монохроматорах, построенных по другим схемам, это обычно достигается прецизионными механическими устройствами. Спектр регистрируется фотоэлектрически и записывается с помощью электронного потенциометра.

Использованная литература

1. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. Учеб. пособие для приборостроительных вузов оптических специальностей. 2-е изд., перераб. и доп.-Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985 г. 332 с.

2. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л., - «Машиностроение», 1968. - 388с.

3. Зайдель Б.З. Техника и практика спектроскопии. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1972. - 372 с.

4. Шредер Г., Трайбер X. Техническая оптика. - М.: Техносфера, 2006. - 424 с.

5. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. - Л.: Машиностроение, 1975. - 312 с.

Размещено на Allbest.ru