Принцип работы спектрометра кратко

Обновлено: 05.07.2024

В основу работы спектрометра положен метод эмиссионного спектрального анализа, использующий зависимость интенсивности спектральных линий от концентрации элемента в образце.

Проба устанавливается на разрядный столик полихроматора так, чтобы герметично перекрыть отверстие разрядной камеры, и прижимается прижимом, как это показано на рис. 6.

Между пробой и подставным электродом разрядного столика при помощи источника возбуждения спектров возбуждается электрический разряд. В разряде происходит испарение и возбуждение свечения атомов образца. Свечение разряда с помощью конденсорной линзы освещает входную щель аргонового полихроматора и одновременно проектируется на торец оптоволоконного кабеля воздушного полихроматора, проходит по кабелю и освещает входную щель воздушного полихроматора.

Полихроматор формирует пучки лучей монохроматического излучения в виде спектральных линий. Совокупность спектральных линий представляет собой спектр, характеризующий состав образца: каждому элементу соответствует своя совокупность спектральных линий, интенсивность которых зависит от концентрации элементов в пробе.

Для анализа пробы следует выбрать пары аналитических линий из спектра каждого анализируемого элемента и линий сравнения из спектра основы.

В спектрометре можно одновременно регистрировать интенсивности любого числа спектральных линий.

Излучение спектральных линий проецируется на ПЗС-линейки. Обычно спектральная линия захватывает своим излучением несколько чувствительных элементов ПЗС-линейки. Аналитический сигнал может формироваться различными программными способами. Например, аналитический сигнал равен сумме полученных интенсивностей на определённом количестве фоточувствительных элементов, засвеченных аналитической линией, делённой на сумму полученных интенсивностей фоточувствительных элементов под линией сравнения. Для получения более точных результатов часто используют вариант формирования сигнала от аналитической линии как сумму полученных интенсивностей на определённом количестве фоточувствительных элементов минус сумма среднефонового сигнала вблизи аналитической линии на том же количестве элементов. Подобным образом формируют сигнал от линии сравнения и за аналитический сигнал берут их отношение.

Работа спектрометра от момента включения источника возбуждения спектров до получения результатов на экране видеомонитора осуществляется автоматически по заданной программе с помощью компьютера.

Математическое обеспечение анализирует положение спектра по линиям основных элементов анализируемого материала и делает поправки на температуру или удар, вызывающий сдвиг спектра.

Для количественного определения химического состава образцов спектрометр должен быть предварительно проградуирован по стандартным образцам с известным химическим составом.

Для каждого элемента (канала) должна быть экспериментально определена градуировочная характеристика, отражающая зависимость аналитического сигнала (интенсивности) соответствующих спектральных линий от содержания элемента в пробе.

Градуировочная характеристика определяется расчетным способом. Она представляется в виде формулы или в виде совокупности формул (полиномов первой, второй или третьей степени) и вводится в память компьютера. Аналитические сигналы спектральных линий анализируемой пробы следует получать в тех же условиях, в которых была определена градуировочная характеристика, и с помощью градуировочной характеристики определять концентрацию анализируемого элемента.

Функциональная схема спектрометра представлена на рисунке 9.

Между исследуемым образцом и подставным электродом разрядной камеры с помощью источника возбуждения спектра ИВС создается электрический разряд. Электрический разряд обеспечивает испарение и возбуждение свечения атомов образца, т.е. в промежутке между образцом и электродом образуется излучающая плазма. Излучение плазмы направляется на входные щели обоих полихроматоров с вогнутыми дифракционными решетками, разлагающими излучение в спектр. В фокальной поверхности полихроматоров располагаются приемники излучения - ПЗС-линейки.

Воздушный полихроматор содержит 10 ПЗС-линеек, аргоновый -одну ПЗС-линейку для регистрации спектральных линий углерода, серы и фосфора и линий основы для них.

В блоке ПЗС-линеек сигналы с ПЗС-линеек последовательно обрабатываются в аналогоцифровом блоке, в схеме обработки цифровых сигналов и через (интерфейс-USВ) поступают в компьютер, где происходит обработка сигналов путем математических операций. Компьютер также через схему обработки цифровых сигналов управляет работой источника возбуждения спектров и работой ПЗС-линеек.

Спектроскопия - это совокупность методов, позволяющих выполнять спектральный анализ электромагнитного излучения для исследования химического состава вещества и ведения технологических процессов.

Спектрометр представляет собой прибор, который способен разлагать излучение в спектр видимого диапазона. Несмотря на большое разнообразие все атомно-эмиссионные спектрометры имеют одинаковое принципиальное устройство, в котором основные элементы - это оптическая щель, дифракционная решетка, атомизатор и детектор.

Принципиальная схема приборов

В состав конструкции современных спектрометров входят следующие части:

Осветительная. Она состоит из источника света, конденсорной линзы или зеркала, диафрагмы или входного зрачка прибора.
Оптическая (спектральная). Ее основные элементы - это коллиматор, диспергирующая система (призма или дифракционная решетка), световое отверстие и выходной объектив. В фокальной плоскости последнего устанавливается окуляр, фотопластинка, выходная диафрагма или более сложные устройства.
Приемно-регистрирующая.

В зависимости от типа прибора эта часть включает:

окуляр (при визуальном методе);
фотопластинку (при использовании фотографического метода;
фотоприемник (в случае фотоэлектрического метода).

Современные приборы предусматривают автоматизацию процесса спектрального анализа. Это позволяет упростить подготовку образцов, переход в разные режимы работы и обработку результатов с приведением их в удобную форму.

Оптическая щель

Щель - важный элемент спектрального прибора, который определяет его рабочие характеристики. Она пропускает и визуализирует излучения, поступающие в анализатор устройства. От оптической щели зависит:

оптическое разрешение;
пропускная способность;
угол расходимости света.

Среднее значение ширины щели находится в диапазоне 5-800 мкм. Ее высота в стандартном исполнении равна 1 мм.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка - оптический прибор, состоящий из совокупности равноудаленных друг от друга щелей одинаковой формы, которые нанесены на непрозрачный носитель (плоский или вогнутый). Принцип действия прибора основан на дифракции света.

Период (d) - это расстояние между двумя рядом расположенными щелями, которое равно сумме длин прозрачного и непрозрачного участков.
Постоянная решетки - величина обратная периоду (1/d).
Разрешающая способность - характеризует возможность разделения двух близких спектральных линий, длина волн которых λ и λ + Δλ. Этот параметр равен отношению длины волны к ее минимальному значению:

После преобразований это выражение принимает вид:

Дисперсия (линейная или угловая) определяет линейное или угловое расстояние между двумя линиями с разной длиной волны.

m - главный максимум m-ного порядка.

Атомизатор

Для проведения анализа с использованием атомно-эмиссионного метода необходимо, чтобы вещество перешло в атомарное состояние и произошло возбуждение атомов исследуемого элемента. Для этого проба нагревается до высокой температуры, при которой происходит испарение вещества и распад молекул на атомы.

Затем за счет энергии атомизатора происходит их возбуждение, которое сопровождается выделением света определенной длины, индивидуальной для каждого элемента.

В атомно-эмиссионных спектрометрах используются следующие виды источников атомизации и возбуждения, которые определяют тип прибора:

Пламя горелки. В качестве топлива используется горючий газ в смеси с кислородом или воздухом. Анализируемое вещество в жидком состоянии распыляется в пламя. Пламя играет роль атомизатора и источника возбуждения при фотометрическом анализе.
Электрическая дуга. При подаче напряжения на вертикально расположенные электроды происходит пробой воздуха, находящегося между ними. В результате этого начинается ионизация атмосферного воздуха, а между электродами образуется плазма, которая воздействует на вещество, помещенное в порошкообразном виде в канал одного из электродов.
Искровой разряд. При прохождении низко- или высоковольтного разряда между двумя электродами образуется электропроводящая плазма, которая возбуждает атомы исследуемого образца. Порошкообразная проба размещается в углублении одного из электродов.
Высокочастотная индуктивно-связанная плазма. Исследование проводится при атмосферном давлении в присутствии инертного газа. Проба переводится в жидкое состояние, и в виде аэрозоля впрыскивается в ИСП.
СВЧ разряд. Для атомизации используется микроволновый разряд.
Лазер. Атомизация вещества происходит методом лазерной абляции.
Тлеющий разряд. Возбуждение спектра происходит плазмой отрицательного тлеющего свечения. Для проведения анализа требуется использовать образец с ровной поверхностью.
Низковольтный импульсный разряд. Низковольтная искра получается при разряде конденсатора, который может происходит в заданном режиме.

Детектор

В качестве приемника излученного света в спектрометрах используются различные устройства. Если в стилоскопе детектором служит глаз человека, а в спектрографах - фотопластинка, то в атомно-эмиссионной спектрометрии интенсивность спектральных линий измеряется напрямую.

Наибольшее распространение получили такие приемники, как:

Фотодиодная матрица (линейка). Представляет собой линейный массив фотодиодов и управляющих и усиливающих транзисторов. Марица накапливает оптический сигнал и преобразует его в электрический сигнал, который пропорционален величине светового потока.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) или CCD. Кремниевый светодиодный детектор работает в широком динамическом диапазоне. Его чувствительный элемент - это МОП-конденсатор накапливающий заряд и разряжающийся при попадании света на его светочувствительную поверхность.

Заряд конденсатора генерируется фотонами. Его величина пропорциональна интенсивности светового потока и времени его воздействия. По истечении момента интеграции заряд буферизуется и переносится на преобразователь. Каждый элемент детектора сохраняет индивидуальный заряд, полученный при воздействии фотона, причем сканирование его может быть выполнено отдельно. ПЗС-детекторы способны перекрывать широкий диапазон спектров и обеспечивают высокое разрешение прибора.

Регистрирующее устройство

В современных приборах для регистрации спектра используется электронное устройство, которое работает совместно с ЭВМ. На экране компьютера шкала разбита по длинам волн, которые подсвечены разными цветами, соответствующими определенному диапазону длины волны.

Особенности работы спектрометров

Основные этапы процесса атомно-эмиссионного анализа:

Атомно-эмиссионная спектрометрия сталкивается со следующими проблемами:

Интерпретация результатов элементного анализа осложняется тем, что при атомизации не все молекулы распадаются на атомы, поэтому пламя или плазма содержит различные частицы, излучающие свет с определенным набором длин. Для минимизации этого явления на точность измерения пользуются внутренним стандартом.

Количественный анализ невозможно провести по интенсивности спектрального сигнала, так как этот параметр зависит от множества факторов, учесть которые не представляется возможным. Решением этой задачи служит калибровка спектрометра по стандартным образцам с известной концентрацией элементов.

Атомно-эмиссионные спектрометры - эффективные приборы, которые позволяют получить высокоточные характеристики при проведении исследований. При этом анализ не занимает много времени, процессы автоматизированы и достигаются высокие показатели производительности.

В современном мире исследование веществ, субстанций и разного рода излучений крайне важно для дальнейших технологических разработок. Высокоточный анализ объекта позволяет собрать о нем данные, которые невозможно получить традиционными метрологическими средствами. Для таких целей в разных сферах используется спектрометр. 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. А в качестве целевого объекта может выступать излучение, жидкость, твердые вещества и даже молекулы.

Каждый спектрометр может работать с конкретными элементами или средами, причем в ограниченных частотных диапазонах. 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 гребенки, а вторые применяются для узких задач, связанных с однотипными замерами в определенных условиях. Например, если периодически требуется фиксировать световой диапазон на рабочей площадке.

Сегодня 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

Дифракционная решетка спектрометра

Не менее ответственным элементом является и дифракционная решетка спектрометра. Это компонент, генерирующий диапазоны по длине световой волны, а также влияющий на разрешающую способность детектора. На практике данная решетка будет определять угол блеска и частоту световых штрихов.

Существуют голографические и нарезные решетки. Разница между ними обуславливается конфигурацией распределения лазерных пучков на светочувствительном слое и общими спектральными характеристиками.

Виды спектрометров

Среди широкого разнообразия данных приборов можно выделить следующие их разновидности:

Блескомер. Это спектрометр, ориентирующийся на измерение блеска. Применяется в случаях, когда этот параметр выступает качественной характеристикой.
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. В данном случае речь идет о разновидности цветового спектрометра. Это прибор для измерения интенсивности и температуры оттенков с поправкой на контрольную цветовую шкалу.
Экспонометр. Определяет экспозицию в фотографии и кинематографии.
Спектрорадиометр. В основу этого аппарата заложена оптическая система, накапливающая спектры и производящая их подсчет. Сначала сканированием фиксируются сведения о спектре, а затем эти данные преобразуются в электрический сигнал.
Яркометр. Устройство, определяющее яркость световых источников. аппарат представляет сведения об освещенности.

Приборы могут выполнять по отдельности каждую из этих функций, а могут и совмещать несколько операций. Многофункциональные промышленные спектрометры способны работать со светом, красками и другими рабочими средами в контексте изучения разных параметров.

Портативные и стационарные аппараты

Эта классификация в большей мере определяет разделение по технико-конструкционным и коммуникационным характеристикам. 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. Причем, несмотря на маленькие размеры, приборы такого типа эффективно справляются с анализом разных покрытий, независимо от текстуры и степени зернистости.

Принцип действия световых спектрометров

Действует спектрометр следующим образом:

На первом этапе прибор регистрирует и накапливает спектры света, после чего информация проходит оцифровку сигнала с дальнейшим анализом в специальной программе.
Переработка первичного светового потока происходит в оптическом волокне по мере прохождения сквозь узкую апертуру.
Далее рассеянный свет направляется в уже упомянутую дифракционную решетку, которая рассеивает поток под разными углами.
На заключительной стадии зафиксированные детектором фотоны преобразуются в электрический сигнал, который обрабатывается в компьютере.

А как работает спектрометр света с программным обеспечением? Через USB-порт аппарат передает электроны компьютеру, в котором производится интерполяция сигнала. В простейших моделях выполняются графики с распределением спектров по длине волны. Более сложная техника дополнительно производит калибровку и осуществляет многочисленные спектральные операции на основе полученных данных и т. д.

Принцип действия спектрометра красок

Обычно используются приборы для точного определения оттенков на текстурных и структурированных поверхностях. Как работает спектрометр красок? Непосредственно получение данных выполняет оптическая система, после чего производится анализ информации и ее переработка в насадках апертуры. Большинство таких аппаратов оснащается импульсными ксеноновыми лампами, которые и фиксируют спектры длиной волны от 360 до 740 нм в среднем. На выходе составляется график с колориметрическими значениями.

Заключение

Спектрометры при всей сложности своего устройства имеют обширную область применения. Их используют в научных исследованиях, при контроле продукции на производствах, в строительстве при оценке качества конструкции, а также в сельском хозяйстве и бытовой сфере. Дело в том, что спектрометр – это прибор, контролирующий характеристики, которые могут иметь значение для каждого человека в зависимости от обстоятельств. Анализ света, например, позволит организовать комфортное освещение как на предприятиях, так и в домашних условиях. Работа с краской, в свою очередь, позволит и рядовому автомобилисту подобрать оптимальную лакокрасочную смесь для ремонта кузова, и производителю облицовки успешно изготовить материал с заданной дизайнером фактурой.

Содержание

Методы регистрации спектров

Для регистрации спектра могут использоваться полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счётчики, либо детекторы на базе ПЗС линейки или ПЗС матрицы. Спектрометры могут различаться по спектральному диапазону, спектральной чувствительности, оптической схеме. При интерпретации спектров в большинстве случаев производится сравнение полученного спектра со спектром вещества известного состава. Ранние спектроскопы представляли собой простые призмы с градуировкой, обозначающей длины волн света, в современных приборах также используется дифракционная решётка.

Типы спектрометров

Различают следующие типы спектрометров:

искровой оптико-эмиссионный спектрометр,
лазерный спектрометр, ,
спектрометр индуктивно-связанной плазмы, ,

История

Предком спектрометра является спектроскоп. Спектроскоп был изобретён Йозефом Фраунгофером в начале XIX века. В нём свет прошедший через щели и коллимирующие линзы превращался в тонкий пучок параллельных лучей. Затем свет проходил через призму, которая за счёт дисперсии расщепляла пучок на спектр (разные длины волн отклоняются на разные углы). Изображение наблюдалось через трубку со шкалой, накладываемой на спектральное изображение, позволяя таким образом проводить измерения.

С изобретением фотографической пленки был создан более точный прибор: спектрограф. Работая по такому же принципу, он имел фотокамеру вместо наблюдательной трубки. В середине двадцатого века камера сменилась трубкой электронного фотоумножителя, что позволило значительно увеличить точность и проводить анализ в реальном времени.

Современные спектрометры оснащены цифровыми камерами для просмотра в реальном времени, работают с компьютерами и коммутаторами, обладают встроенными охладителями и контрольными системами.

Применение

Спектроскопы часто используются в астрономии и некоторых направлениях химии. Их основные области применения:

Научные исследования
Контроль качества на производстве и охрана окружающей среды: определение тяжелых металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях и др. и минералогия: качественный и количественный анализ почв, минералов, горных пород и др. и химическая индустрия: контроль качества сырья, производственного процесса и готовой продукции
Лакокрасочная промышленность: анализ свинцовых красок
Ювелирная промышленность: измерение концентраций ценных металлов
Нефтяная промышленность: определение загрязнений нефти и топлива
Пищевая промышленность: определение токсичных металлов в пищевых ингредиентах
Сельское хозяйство: анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах : элементный анализ, датирование археологических находок
Искусство: изучение картин, скульптур, для проведения анализа и экспертиз

См. также

Ссылки

Измерительные приборы
Спектроскопия
Аналитическая химия
Оборудование для физических экспериментов

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Спектрометр" в других словарях:

спектрометр — спектрометр … Орфографический словарь-справочник

СПЕКТРОМЕТР — (от спектр и греч. metreo измеряю), в широком смысле устройство для измерения ф ции распределения нек рой физ. величины f по параметру х. Ф цию распределения эл нов по скоростям измеряет бета спектрометр, атомов по массам масс спектрометр, гамма… … Физическая энциклопедия

спектрометр — сущ., кол во синонимов: 16 • альфа спектрометр (1) • асцитрон (1) • гамма спектрометр … Словарь синонимов

спектрометр — а, м. spectromètre m. Спектроскоп, снабженный особыми приспособлениями для определения положений отдельных линий спектра. СИС 1954. Картина <на Марсе> будет использована для калибровки цветных телекамер и спектрометров. НИЖ 1999 10 64.… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

спектрометр — и устарелое спектрометр … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке

СПЕКТРОМЕТР — (от спектр и . метр) оптический прибор для измерения оптических спектров с помощью фотоэлектрических приемников излучения … Большой Энциклопедический словарь

СПЕКТРОМЕТР — СПЕКТРОМЕТР, разновидность СПЕКТРОСКОПА, оснащенная ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ для точного измерения длин волн и интенсивности спектральных линий. Спектрометры часто неточно называют СПЕКТРОГРАФАМИ. Поскольку сейчас спектры фиксируются устройствами на… … Научно-технический энциклопедический словарь

СПЕКТРОМЕТР — СПЕКТРОМЕТР, спектрометра, муж. (от слова спектр и греч. metreo мерю) (физ.). Спектроскоп с приспособлением для измерения положения спектральных линий по длине световых волн. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

СПЕКТРОМЕТР — оптический прибор для получения (см.) и измерения спектральных характеристик веществ с использованием фотоэлектрических приёмников излучения. С помощью С. получают спектрограмму, характеризующую зависимость интенсивности спектра от длины волны … Большая политехническая энциклопедия

Спектрометр — 41. Спектрометр Спектральный прибор, предназначенный для получения и фотоэлектрической регистрации оптических спектров путем сканирования Источник: ГОСТ 24453 80: Измерения пара … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Читайте также: