Принцип действия спектрографа кратко

Обновлено: 04.07.2024

Cпектрометр - это устройство, с помощью которого можно определять характеристики цветовых покрытий, световых излучений и элементного состава твердотельных материалов.

Задачи спектрометрии

Общее назначение спектрометра - средство анализа, которое дает представление о различных веществах и отдельных параметрах конденсированных сред. Существуют универсальные модели с расширенными эксплуатационными характеристиками, но для работы с такой аппаратурой требуются специальные механические манипуляции.

Для чего используют спектрометры универсального и специализированного назначения? Первые подходят для генерации параметров серийных импульсов с помощью частотной гребёнки, а вторые применяются для узких задач, связанных с однотипными замерами в определенных условиях. Также получили распространение квантовые модели спектрометров, которые находят применение в потоковом сканировании материалов, производя контроль широкого диапазона разных веществ и сред на высокой скорости.

Оптическая щель прибора

Основные рабочие компоненты:

Щель служит для пропуска и визуализации излучений, поступающих в анализатор прибора через специальную полость. Она определяет световой поток, который отправляется на оптическую область детектора.

Дифракционная решетка спектрометра

Это компонент, который определяет угол блеска и частоту световых штрихов. Существуют голографические и нарезные решетки. Разница состоит в распределении лазерных пучков на светочувствительном слое и общими спектральными характеристиками.

Виды спектрометров

  • Блескомер. Это спектрометр, ориентирующийся на измерение блеска.
  • Спектрофотометр. С помощью этого устройства анализируется спектральный состав посредством определения длины электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Выходные данные представляются в виде фотометрии и могут применяться для контроля печати.
  • Колориметр. Это прибор для измерения интенсивности и температуры оттенков с поправкой на контрольную цветовую шкалу.
  • Экспонометр. Определяет экспозицию в фотографии и кинематографии.
  • Спектрорадиометр. В его основе - оптическая система, накапливающая спектры и производящая их подсчет.
  • Яркометр. Устройство, определяющее яркость световых источников.
  • Люксметр. Этот аппарат представляет сведения об освещенности.

Многофункциональные промышленные спектрометры способны работать со светом, красками и другими рабочими средами в контексте изучения разных параметров.

Портативные и стационарные аппараты

Портативные (мобильные, карманные) устройства внешне напоминают небольшие тестеры или мультиметры. Это компактные аппараты, которыми можно контролировать цвета на поверхностях со сложной геометрией, где невозможно применение стационарного оборудования. Приборы такого типа эффективно справляются с анализом разных покрытий.

Принцип действия световых спектрометров

  • На первом этапе прибор регистрирует и накапливает спектры света.
  • Переработка первичного светового потока происходит в оптическом волокне по мере прохождения сквозь узкую апертуру.
  • Рассеянный свет направляется в дифракционную решётку, которая рассеивает поток под разными углами.
  • Зафиксированные детектором фотоны преобразуются в электрический сигнал, который обрабатывается в компьютере.

Принцип действия спектрометра красок

Получение данных выполняет оптическая система. Затем производится анализ информации и ее переработка в насадках апертуры. Большинство таких аппаратов оснащается импульсными ксеноновыми лампами, которые фиксируют спектры длиной волны от 360 до 740 нм. На выходе составляется график с колориметрическими значениями.

Сфера использования

Их используют в научных исследованиях, при контроле продукции на производствах, в строительстве при оценке качества конструкции, а также в сельском хозяйстве и бытовой сфере.

Анализ света, например, позволит организовать комфортное освещение как на предприятиях, так и в домашних условиях.

Работа с краской позволит автомобилисту подобрать оптимальную лакокрасочную смесь для ремонта кузова, а производителю облицовки успешно изготовить материал с заданной дизайнером фактурой.

Принцип работы и конструкция УФ-спектрометра

Спектрофотометрический метод анализа основывается на избирательном поглощении молекулами определяемого компонента видимого света или ультрафиолетового излучения. Данные представляют в виде спектров поглощения вещества.

Спектр поглощения - это распределение по длинам волн (или частотам) интенсивности электромагнитного излучения при прохождении его через исследуемое вещество.

На практике для определения спектра поглощения вещества используют приборы, называемые спектрофотометрами. Работают они следующим образом. Исследуемое вещество помещают между источником и приемником излучения. Источник с помощью специальных устройств посылает излучение с определенной или меняющейся длиной волны. Приемник измеряет интенсивность излучения, прошедшего через образец, и регистрирует его.

Спектрометр представляет собой лабораторный прибор, который включает в себя источник излучения, монохроматор, кюветное отделение, фотометрический детектор и устройство обработки сигнала. Для вывода сигнала на экран монитора спектрометр подсоединяют к компьютеру. Источниками излучения могут служить специальные галогенные вольфрамовые, дейтериевые и ксеноновые лампы. Монохроматоры обычно построены на базе дифракционной решетки. Фотодиодные детекторы или фотоэлектрические умножители используют для регистрации сигнала.

Благодаря электронной микропроцессорной базе современных спектрометров, позволяющей выполнить необходимый пересчет и преобразование сигнала, возможен вывод результата анализа вещества непосредственно в единицах концентрации.

-достаточно малое количество вещества

-простота в оборудовании и техники

-спектры имеют небольшое число полос поглощения

Устройство и принцип действия оже-спектрометра

Функциональные связи, состав и компоновка электронного оже-спектрометра приведены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Функциональная схема прибора

Рабочий объем для исследования образца имеет две части: предварительная и основная камеры, отсекаемые друг от друга клапаном. Такое разделение позволяет производить загрузку и первичную обработку образца в предварительной камере, и сме­ну образцов в основной камере с помощью передающего манипуля­тора без нарушения в ней вакуума.

Система для откачки предварительной камеры включает в себя форвакуумный насос типа 2НВР-6Д (до 1∙10-2 мм. рт. ст.), турбомолекулярный ТМН-450 (до 1∙10-7 мм. рт. ст.) и магниторазрядный НМД-025 (до 1∙10-8 мм. рт. ст.) насосы. Система водяно­го охлаждения служит для обеспечения рабочего режима турбомолекулярного насоса.

Для откачки основной камеры служит два цеолитовых ЦВН-1-2 (до 1∙10-2 мм. рт. ст.), магниторазрядный НМД-0,25 (до 1∙10-8 мм. рт. ст.) и испарительный (сублиматор титана, до 1∙10-10 мм. рт. ст.) насосы.

С целью достижения более высокого предельного вакуума камеры, манипуляторы и все элементы вакуумной системы в про­цессе подготовки к работе подвергаются высокотемпературному обезгаживанию путем длительного прогрева с помощью нагревательных устройств при наличии непрерывной откачки.

Система газонаполнения камер представляет из себя два баллона, газовый ре­дуктор и натекатель НРТ. Баллоны наполняются любым газом или газовой смесью (кроме химически активных) в зависимости от проводимого эксперимента. С помощью натекателя можно регулировать степень наполнения камер газом. Вакуум контролируется вакуумметрами ВМБ-8, ВМБ-11 и ВТ-3 от манометрических преобразователей ПММ-32, ПММ-46 и ПМТ-4М.

Юстировка образца в основной камере обеспечивается манипулятором сверхвысоковакуумным Ду 100. Для визуальной юстировки образцов в основной и предва­рительной камерах предусмотрены смотровые окна.

Для получения чистой поверхности исследуемого образца (свободной от адсорбированных веществ) в оже-спектрометре пре­дусмотрены обработка путем прямонакального прогрева, электрон­ной бомбардировки и травление поверхности образца ионами инерт­ных газов. Ионное травление также можно использовать для опреде­ления состава образца не только по поверхности, но и по толщи­не слоя (химические профили).

Для электронной бомбардировки в предварительной камере служит электронная пушка.

В режиме ионного травления в обе камеры, в которых находятся две одинаковые ионные пушки, поступает инертный газ, который ионизируется в ионизаторе работающей пушки. Электрон­ный ток эмиссии ионизатора стабилизирован и регулируется в ши­роких пределах.

Перемещение ионного пучка осуществляется при помощи ручной регулировки напряжения отклоняющих пластин пушки на бло­ке питания ионной пушки. Для быстрой визуализации юстировки об­разца относительно ионного пучка предусмотрена возможность пита­ния отклоняющих пластин пушки от растрового устройства. Растро­вое устройство работает на телевизионном стандарте и конструк­тивно выполнено в виде отдельных блоков ТВ-позиционера и ТВ-мо­нитора. Яркость регистрирующей электронно-лучевой трубки ТВ-монитора в режиме управления ионным пучком модулируется сигналом поглощенных образцом ионов. Для этого в основной камере объектодержатель образца изолирован от корпуса камеры, а образец устанавливается таким образом, чтобы электрический потенциал объектодержателя и образца был одинаковым. В предварительной камере вывод сигнала поглощенных ионов на вход ТB-позиционера осуществляется через ввод поступательного перемещения, который обеспечивает электрический контакт с изолированным от корпуса образцом. Обеспечивая сканирование ионного пучка, можно получить изображение поверхности образца в поглощенных ионах.

Для формирования возбуждающего электронного пучка в режиме снятия оже-спектрометра в основной камере могут работать: электронная пушка, встроенная в анализатор, с нормальным падением пучка, или пушка с косым падением. Обе пушки одинаковые, имеют электростатические фокусировки и отклоняющую систему.

Перемещение электронного пучка обеспечивается с помощью ручной регулировки напряжения отклоняющих пластин пушки на блоке питания оже-пушки. Для быстрой визуальной юстировки образца относительно электронного пучка и фокуса анализатора, питание отклоняющих пластин пушки осуществляется от ТВ-позиционера. Яркость электронно-лучевой трубки в этом режиме модулируется сигналом поглощенных электронов.

Развертка отклоняющего потенциала для вторичных электронов в анализаторе формируется подачей на электроды анализатора линейной развертки напряжения с блока развертки, промодулированного синусоидальным напряжением с блока регистрации.

Для решения ряда сложных исследовательских задач (например, анализа состояния поверхности при изменении условий эксперимента), когда предъявляются повышенные требования к быстродействию системы регистрации, в блоке развертки предусмотрена возможность формирования развертки на различных, заранее выбранных участках диапазона выходного напряжения (энергетические окна). Такой режим блока также позволяет сократить время воздействия электронного зонда на образец.

Обработка регистрируемого сигнала, поступающего с коллектора анализатора, происходит с помощью блока регистрации. Запись спектра производится на графопостроителе зависимостей Н306. Для оперативной расшифровки спектра в блоках регистрация и развертки предусмотрены выходы для сопряжения с ЭВМ.

Прибор предназначен для определения распределения химического элемента на поверхности твердого тела методом электронной оже-спектроскопии (ЭОС) с растровой разверткой электронного пучка.

Основные технические данные и характеристики

Предельное остаточное давление в основной камере не более 1,33∙10-7 Па (1∙10-9 мм.рт.ст).

Предельное остаточное давление в камере предварительного разрежения 1,33∙10-5 Па (1∙10-7 мм.рт.ст).

Натекание в вакуумную систему прибора не более 6,55∙10-10 Вт (5∙10-9 л.мм.рт.ст/с).

Манипулятор в основной камере обеспечивает:

- 4 степени подвижности объекта;

- количество объектов, устанавливаемых в держатель, от 1 до 5.

Передающий манипулятор обеспечивает передвижение объекта из основной камеры в предкамеру и обратно.

Прибор обеспечивает прямонакальный прогрев объекта, максимальной мощностью накала 75 Вт, при максимальном токе объекта 25 А.

Прибор обеспечивает обработку объекта методом электронной бомбардировки. Максимальный ток объекта 20 мА при максимальном ускоряющем напряжении электронов 1300 В.

Прибор обеспечивает обработку объекта методом ионной бомбардировки. Минимальный диаметр ионного пучка не более 4 мм и максимальный ток пучка не менее 2∙10-6 А при ускоряющем напряжении 5 кВ и давлении по аргону 1,33∙10-3 Па (1∙10-5 мм.рт.ст). Прибор обеспечивает получение изображений объектов в поглощенных электронах.

Прибор обеспечивает регистрацию оже-электронов с энергиями до 2000 эВ с разрешением по энергии не хуже 1%.

Максимальная площадь исследования не менее 200×200 мкм.

Время непрерывной работы в режиме откачки не менее 120 часов.

Спектроскоп своими руками

Все комментарии Автора +15Mimin24 года назад Если ты скажешь, что на этой конференции ты не занял первое место, то значит кто-то там собрал коллайдер. раскрыть ветку 18 +9 4 года назад Я занял 3 место,дело в том что я плохо умею рассказывать,а это минус баллы раскрыть ветку 17 +33 4 года назад Я вот тоже решил, что ты рассказывать не умеешь. Прочитал твой пост и нифига не понял. Ну труба, ну кусочек диска засунут туда.. Дальше что? Теорию дай, я не понял как эта конструкция работает и каким образом ты спектр записал на веб камеру..Т.е. заинтересовать меня у тебя получилось, а удовлетворить моё любопытство нет раскрыть ветку 16 +8 4 года назад Респект. Прослезился. Завтра соберу и сниму спектр моего сгорающего в ведре диплома физика. +1 4 года назад Молодец парень! Обожаю спектральный анализ, порадовала знакомая тема:) +1 4 года назад А вот как мне в таком случае,например,получить спектр образца металла,чтобы изучить его качественный состав. Вот,у меня есть метеорит,хочется узнать из чего он 0 4 года назад Да я с этим на конференцию пойду XDD 0 4 года назад изящно, просто и красиво! 0 4 года назад а я сначала подумал фазик для ас.. 0 4 года назад Солнечный свет 0 3 года назад

Автор, прием! Срочно! Какой диаметр трубы?

Принцип работы масс-спектрометров

Методы масс-спектрометрии являются методами получения спектров масс ионов.

Теоретические и экспериментальные основы масс-спектрометрии были заложены Д.Д.Томсоном, который впервые в 1912 г. создал прибор для получения спектра масс положительных ионов.

Ученик Томсона Ф. Астон существенно повысил разрешение масс-спектрографа за счет лучшей фокусировки ионного пучка и на своем масс-спектрографе впервые открыл изотопы элементов. Масс-спектрографы используют для точного определения атомных масс. Одновременно с Астоном в Чикаго А. Демпстер сконструировал первый масс-спектрометр, в котором анализатором служило поперечное магнитное поле и ионные токи измерялись электрическими методами. Именно этот тип масс-спектрометров имеет широкое применение. Существенное улучшение разрешения масс-спектра было получено в 50-х годах в приборах с двойной фокусировкой, т.е. с использованием в анализаторе электрического и магнитного статических полей. Наряду со статическими полями для получения масс-спектров используют переменное электрическое поле в динамических масс-спектрометрах. Это позволяет исключить из конструкции масс-спектрометров громоздкие масс-спектрометры.

Принцип работы масс-спектрометров

В методах масс-спектрометрии используют ионизацию вещества, так как существуют эффективные методы управления пучками заряженных частиц с помощью магнитных и электрических полей. Большая часть исследований ведется с пучками положительных ионов.

Схематически процесс ионизации с образованием положительных ионов можно представить следующим образом:

где Нм, Нх, Н1 и Н2 – число частиц в единице объема; Ем, Ех, Е1, Е2 – энергия соответствующих частиц; q – степень ионизации, в большинстве случаев равная единице и поэтому Н1 = Н2.

Образование положительных ионов является результатом взаимодействия молекул, атома или радикала в газовой фазе (М) с электроном, фотоном, ионом или быстрой молекулой (х), а также макроскопическим телом, обладающим электрическим полем с высоким градиентом.

Ех должна быть больше потенциала ионизации (М). Избыток энергии Ех над потенциалом ионизации после ионизации распределяется между ионом Мq+ с энергией Е1 и эмиттированным электроном с энергией Е2.

Методы спектроскопии и спектрометрия для измерения спектров

Спектроскопия относится к разделу физики изучающей данные о строении и свойствах материи полученные путем анализа спектров электромагнитного излучения. Данные используются для решения задач широкого применения.

Термин является производным от латинского слова “spectron”, что означает дух или призрак, и греческое слово “skopein”, что означает смотреть на мир.

Спектроскопия занимается измерением и интерпретацией спектров, которые возникают в результате взаимодействия электромагнитного излучения (в виде энергии распространяемой путем электромагнитных волн) с веществом. Это касается поглощения, излучения или рассеяния электромагнитного излучения атомами или молекулами.

Еще Джеймс Кларк Максвелл в 1864 году рассказал миру, что свет состоит из электрических и магнитных полей.

Следовательно, большинство инженеров и ученых прямо или косвенно в какой-то момент в своей карьере включали области электромагнитного спектра в свои работы.

Спектрометрия как область физической науки разрабатывает приборы и устройства для измерении спектров. Одним из сложных вопров являются методы измерения спектров.

Основные ограничения методов спектроскопии связаны с трудностями приготовления эталонных растворов с учетом влияния третьих компонентов. Поэтому для получения достоверных результатов должны применяться растворы для спектрометрического анализа особой чистоты. Данные измерения широко используется для количественного анализа в различных областях (например, химия, физика, биология, биохимия, материалы и химическая инженерия, клинические применения, промышленный комплекс).

Основные методы спектроскопии

Спектроскопия представляет собой общий методологический подход. Методы могут варьироваться в отношении проанализированных (например, атомной или молекулярной спектроскопии), в области электромагнитного спектра, и типа контролируемого взаимодействия излучения с веществом (например, эмиссии, поглощения или дифракции).

Тем не менее, основным принципом, общим для всех различных методов является луч электромагнитного излучения на желаемый образец для того, чтобы наблюдать, как он реагирует на определенные воздействия. Ответ обычно записывается как функция длины волны излучения и уровня представляющего собой спектр. Любая энергия света от низкочастотных радиоволн до высокочастотных гамма-лучей может показать определенный спектр.

Общая цель спектроскопии представляет изучение спектров различных видов излучения для понимания того, как именно свет взаимодействует с материей, и как эта информация может использоваться, чтобы количественно понять образцы материи.

Область физики, должна также быть оценена как набор инструментов, который может быть использован, чтобы понять различные системы и решать сложные физические и химические проблемные задачи.

Спектрограф - оптический прибор, который позволяет регистрировать протяженные участки спектра с помощью фотографического метода. С его помощью проводят качественный и количественный анализ различных образцов: металлов и сплавов, порошкообразных веществ, растворов, смесей газов.

Устройство

В качестве приемника излучения используются: фотоматериалы, ПЗС-матрицы или линейки, электронно-оптические преобразователи. Оптические спектрографы находят применение для исследования видимого света и ультрафиолетового излучения. В первом случае для разложения излучения используется призма, во втором - кварц.

Принцип действия спектрографа

При прохождении через щель пучок света проходит в устройство. В нем излучение разлагается на составляющие. Затем они направляются на различные участки фотопластинки, которые соответствуют определенной длине и частоте.

Основные характеристики:

  • Практическая разрешающая способность. Эта характеристика зависит от размеров светочувствительных зерен галогенида серебра
  • Светосила. Этот параметр возрастает при увеличении диаметра объектива и уменьшении фокусного расстояния.

Способы освещения

Способ освещения спектрографа зависит от определенной аналитической задачи. При проведении качественного эмиссионного анализа требуется максимальная освещенность и разрешение линий, то есть светосила и разрешающая способности используются максимально.

Одним из самых распространенных методов астрофизики сегодня стал спектральный анализ. При помощи него изучают температуру, состав, строение и движение объектов астрономии. Получают спектры исследуемых тел при помощи прибора, который называют спектрографом. Принцип его действия основан на свойствах дифракционной решетки и призмы из стекла осуществлять преломление лучей света под разными углами в зависимости от длин их волн.

Призменный спектрограф

Принципиальное устройство спектрографа изображено на рис.1

Дифракционный спектрограф, рисунок 1

Спектрограф размещают на окуляре телескопа таким образом, чтобы щель (рис.1) находилась в фокусе его объектива или зеркала. При этом щель также находится в фокусе линзы, которую называют коллиматором. Эта линза делает лучи, прошедшие сквозь щель параллельными и направляет их на призму. Призма разлагает лучи в спектр. Объектив спектрографа отображает спектр на фотографической пластине.

Дифракционный спектрограф

В дифракционном спектрографе пучок лучей от коллиматора направляется на отражающую дифракционную решетку. Поверхность решетки часто изготавливают из алюминиевого зеркала. На поверхности этой решетки при помощи алмазного резца нанесено много равноудаленных, параллельных штрихов (порядка 200 – 600 на миллиметр). Отражающийся пучок света разлагается в спектр, так как угол отклонения луча дифракционной решеткой связан с длиной волны падающего света. Дисперсия решетки будет пропорциональна количеству штрихов на единицу длины прибора, однако при увеличении дисперсии повышаются потери света.

Существенным преимуществом дифракционного спектрографа в сравнении с призменным является то, что дифракционный спектрограф дает постоянную дисперсию вдоль спектра. Помимо этого, дифракционный спектрограф можно применять для того, чтобы получить спектры в ультрафиолетовом и инфракрасном свете. На этих участках спектра стеклянная призма не может быть использована. Основное число современных телескопов используют дифракционные спектрографы.

Для того чтобы получать спектры с низкой дисперсией, перед объективом телескопа размещают очень грубые решетки, например из стрежней, которые разделены воздушными промежутками.

Дифракционные спектрографы очень часто используют для исследования Солнца.

Примеры решения задач

Задание Какие методы применяют для того, чтобы расширить ширину спектральной области, которую можно изучит при помощи спектрографа? С какой целью это делают?
Решение Получить планетарный спектр в наиболее полном его объеме не так просто. Например, обычное стекло не пропускает лучи, если длина волны луча меньше, чем 3700 ангстрем. Эта проблема решается, если используют кварцевое стекло вместо обычного.

Инфракрасную часть спектра трудно исследовать, так как она имеет низкую интенсивность, а фото пластинки обладают низкой чувствительностью. Поэтому вместо них используют сернисто-свинцовые фотоэлементы, как приемники света. Этот прием дает возможность продвинуться в инфракрасную область спектра планет вплоть до длин волн в 3, мкм. Спектрограф с сернисто –свинцовым фотосопротивлением устроен иначе, чем обычный спектрограф. Вместо фото пластины в нем имеется движущаяся щель, а за ней находится фотоэлемент. Щель перемещается по спектру, при этом фототок записывает самописец. Так получают автоматическую запись спектра – регистограмму.

Использование сопротивлений из германия, который легируют золотом, цинком или ртутью, охлаждают жидким или твердым азотом, позволило еще больше расширить инфракрасную область спектра небесных тел для исследований. Такое расширение поля изучения важно, так как большинство линий спектра, максимумов, минимумов спектра, которые характеризуют поверхности планет или полосы поглощения газов атмосфер планет, наблюдают именно в инфракрасной области.



Спектрограф - это оптический инструмент, который используется для рассеивания различных цветов света, а затем для записи полученного спектра - спектра поглощения или спектра излучения - на носителе, бумаге или компьютере. Спектроскоп, между тем, в принципе, позволяет только наблюдать спектр света.

Призменный спектрограф

Принцип призменного спектрографа основан на том, что длины волн, из которых состоит свет, имеют разные показатели преломления. Когда свет проходит через призму, его путь отклоняется. Отклонение, как и показатель преломления, увеличивается с увеличением длины волны. Поэтому синий луч отклоняется больше, чем красный.

Поэтому спектрограф этого типа включает в себя призму, а также оптическую сборку, состоящую из линз, щели и приемника, что позволяет получить наилучший результат.

Отметим, что щель позволяет получить спектр той части целевого объекта, изображение которой формируется на этой щели. Волоконный спектрограф состоит из множества щелей и сети оптических волокон, соединяющих их с основной щелью. С другой стороны, спектрографы полного поля дают спектр каждой точки поля телескопа.

Призменные спектрографы больше широко не используются, поскольку дисперсия не линейна с длиной волны, и кривые длина волны/положение на приемнике также не линейны. Кроме того, размер необходимых призм делает их относительно дорогими.

Решетчатый спектрограф

Решеточный спектрограф основан на принципе дифракции. В оптическую сборку помещается стеклянная пластина, называемая решеткой и состоящая из большого количества параллельных полосок - около 1500 на миллиметр. Каждая из полос дает дифракционные изображения для разных длин волн.

В реальности несколько систем - все более дисперсионных порядков накладываются друг на друга. На первых порах спектры мало разбросаны, но хорошо разделены. После этого все происходит наоборот. Однако новейшие решетки позволяют концентрировать свет определенной длины волны в определенном порядке.

Читайте также: