Спектрографы

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3
1. Краткая история развития и становления оптических спектральных приборов 4
2. Спектрографы 7
2.1 Общие сведения 7
2.2 Фотографическая пластинка — приемник света в спектрографе 8
2.3 Характеристическая кривая фотографической пластинки 8
2.4 Спектральные характеристики пластинок 10
2.5 Химическая обработка фотопластинок 11
2.6 Основные характеристики спектрографов 12
2.7 Способы освещения щели спектрографа 13
2.8 Призменный спектрограф 15
2.9 Дифракционный спектрограф 21
3. Модели спектрографов 22
3.1 Спектрограф ИСП-30 22
3.2 Спектрограф ИСП-51 25
3.3 Спектрографы ИСП-28, ИСП-22, ДФС-8, ДФС-13, СТЭ-1 и ДФС-29 27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 30

1. Краткая история развития и становления оптических спектральных приборов
В конце восемнадцатого века Исаак Ньютон осуществил одним из первых разложение сложного излучения в спектр. Это он осуществил при помощи призмы, которая через довольно узкое отверстие была освещена пучком лучей Солнца. Волластон в начале девятнадцатого века обнаружил в спектре солнца черные полосы и линии, это случилось при замене на узкую щель круглое отверстие. Фраунгофер в двадцатых годах девятнадцатого века провел более глубокие исследования солнечного спектра. Проводил свои исследования ученый при помощи грубых дифракционных решеток. Они имели шестьдесят и триста штрихов на один миллиметр. Данные дифракционные решетки представляли собой пластину, которая была прозрачная и на одной ее стороне наносились параллельные штрихи. Ученым были проведены измерения длины волны ряда спектральных линий и была создана теория решетки.
Первый спектроскоп (Рисунок 1.
...

2.1 Общие сведения
Спектрографы работают в довольно широком диапазоне волн – от коротковолновой границы оптического диапазона и, по мере развития методов тепловидения и достижения всё более высокой фоточувствительности слоев, расширяется в инфракрасную область. Существует большое разнообразие спектрографов. Есть спектрографы для учебных целей, и они являются настольными оптическими спектральными приборами. Также применяются спектрографы для изучения спектров туманностей, планет, звезд, Солнца и других небесных тел, они являются компактными спутниковыми и ракетными бортовыми оптическими спектральными приборами. Широко применяются, работающие вместе с телескопами, астроспектрографы, а также десяти метровые вакуумные установки для изучения тонкой структуры спектров атомов, имеющих вогнутые о плоские дифракционные решетки. Линейная дисперсия изучаемых оптических спектральных приборов от 0,5 до 10-3 в светосильных приборах и в длиннофокусных спектрографах большой дисперсии еще меньше.
...

2.2 Фотографическая пластинка — приемник света в спектрографе
Приемником в спектрографе является фотографическая пластинка, сделанная из стекла. На нее нанесена фотографическая эмульсия, являющиеся светочувствительным слоем. В этой эмульсии в желатиновом слое распределены кристаллы галогенида серебра. На восстановление серебра существенно влияет свет. Он действует на фотографическую эмульсию оптического прибора. Восстановление серебра происходит довольно медленно, если освещенность небольшая. Может образовываться и в виде мелких частичек скрытое изображение, если время освещения недолгое. Для ускорения процесса химического восстановления серебра фотографической пластинки в раствор проявителя помещается на некоторый промежуток времени пластинка, после чего изображение, которое было скрытым, становится быть видимым человеческому глазу. Роль катализатора играют частицы восстановленного серебра, которые имеются на засвеченных участках. Восстановление идет быстрее благодаря таким участкам.
...

2.3 Характеристическая кривая фотографической пластинки
Плотность почернения, либо просто почернение, является для фотографической эмульсии мерой воздействия света. Данная плотность определяется количеством восстановленных частиц серебра фотографической пластинки, которые приходятся на единицу освещенности поверхности данной фотографической пластинки. Как правило, плотность почернения обозначается буквой S. За счет этого от времени действия света и освещенности пластинки зависит на участках пластинки почернение, его интенсивность и плотность.5
Экспозицией Н, либо количеством освещения называют произведение времени на освещенность:
Н = Et , (2.1)
График, называющиеся характеристической кривой, изображен на Рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Характеристическая кривая фотографической пластинки

Он отражает найденную зависимость почернения от экспозиции экспериментально. Данную кривую следует разделить на три участка, как изображено на Рисунке 2.1. Как видно на Рисунке 2.
...

2.4 Спектральные характеристики пластинок
Неразложенным по длинам волн светом пользуются при оценки чувствительности. Стоит заметить, что для различных длин волн чувствительность фотоэмульсии к свету разная (см. Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Спектральная чувствительность фотоматериалов
а — простая эмульсия; б — ортохроматическая (пунктиром — изоортохроматическая); в — панхроматическая (пунктиром — изопанхроматическая); г — инфрахром; д — сенсибилизированная к коротким длинам волн (Я<230 нм)

Самую большую чувствительность фотоэмульсии имеют к длинам волн около четырехсот нанометров. Пластинки спектрографа практически не регистрируют волны длиной от двухсот тридцати до пятисот пятидесяти нанометров, так как в эмульсии находятся желатин и галогенид серебра. Поглощением света желатиновой пленкой в коротковолновой области объясняется спад чувствительности и снижением энергии фотонов объясняется снижение в длинноволновой области.
...

2.5 Химическая обработка фотопластинок
В значительной мере зависят от условий проявления и состава проявителя зависят контрастность изображения в фотографической пластинке, размер зерен серебра, которое восстановлено, и вуаль. В лабораториях спектрального анализа применяются разные проявители. В зависимости от типа применяемых пластинок экспериментально осуществляется выбор состава проявителя и оптимальных условий проявления.9
Органические восстановители являются главными компонентами любого проявителя. Восстановители почти не действуют на галогениды серебра незасвеченных участков при правильно выбранном времени проявлении и восстанавливают незасвеченных участках эмульсии серебро. Гидрохинон и метол, как правило, используются как восстановители, но иногда применяются и другие органические вещества, такие как глицин, амидол и другие. В проявитель входят вещества, которые способствуют регулированию данного вещества и его ускоренному восстановлению.
...

2.6 Основные характеристики спектрографов
Практическая разрешающая способность
Разрешающую способность фотографической эмульсии определяют размеры светочувствительных зерен галогенида серебра. Разрешающая способность влияет на разрешающую способность оптического спектрального прибора. Так как зерна фотографических пластинок выходят за пределы изображения щели, немного размывается на этой фотографической пластинке изображений линий спектра (см. Рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Уширение линий на фото-пластинке с мелкозернистой (а) и с крупнозернистой эмульсией (б)

Изображения линий сливаются в одну широкую линию, если свет от двух соседних линий падает одновременно на одно и то же зерно. Можно получить менее размытые щели и увеличить практическую разрешающую способность оптического спектрального прибора взяв пластинку с мелкими зернами. Размер зерен должен быть меньше расстояния между центрами линий, это необходимо для раздельной регистрации двух линий близких длин волн.
...

2.7 Способы освещения щели спектрографа
От способа установки источника света относительно входной щели оптического спектрального прибора зависит освещенность фона и спектральных линий. Несмотря на это, установка источника должна произвестись так, чтобы на оптической оси объектива коллиматора спектрографа находилась излучающая зона источника. Если не выполнять данные условия, то это приведет к ухудшению качества спектра и уменьшению освещенности линий.
К освещению щели спектрографа предъявляются различные требования. Они зависят от поставленной аналитической задачи. Достижение наилучшего разрешения линий и максимально возможной их освещенности необходимо, к примеру, для качественного эмиссионного анализа. Если будет максимально использована разрешающая способность спектрографа и его светосила по освещенности, только тогда вышеуказанная задача может быть выполнена.
Источник света помещают на таком расстоянии от щели спектрографа, чтобы объектив коллиматора был заполнен светом (см.
...

2.8 Призменный спектрограф
На Рисунке 2.5 изображена принципиальная схема призменного спектрографа.

Рисунок 2.5 - Оптическая схема призменного спектрографа
1 - входная щель, 2 - коллиматорный объектив, 3 - призма, 4 - камерный объектив, 5 - фотопластинка, d - действующее отверстие прибора, b - длина основания призмы, j - угол отклонения луча призмой

Призменный спектрограф включает три основные части: камеру, которая состоит из фотопластинки 5, которая расположена в фокальной плоскости объектива и объектива 4 с фокусным расстоянием f2; диспергирующую систему 3, которая состоит из одной, либо нескольких преломляющих призм; коллиматор, который состоит из щели 1, установленной в фокусе объектива и объектива 2 с фокусным расстоянием f1 и. Для различных длин волн n=n(l) показатель преломления материала призмы спектрографа разный.
...

2.9 Дифракционный спектрограф
На отражающую дифракционную решетку прибора от коллиматора направляется пучок лучей в дифракционном спектрографе. Обычно поверхность дифракционной решетки делают из зеркала, включающее в себя алюминий. С помощью алмазного резца на поверхности решетки нанесено большое количество штрихов, которые являются параллельными и удалено друг от друга на равном расстоянии. Примерно можно считать, что на один миллиметр этих штрихов находится от двухсот до шестисот штук. Так как угол отклонения луча дифракционной решеткой дифракционного спектрографа связан с длиной волны падающего света на него, то пучок света, который отражается, разлагается в спектр. В дифракционном спектрографе дисперсия решетки пропорциональна количеству штрихов на единицу длины оптического спектрального прибора, но потеря света увеличивается при увеличении дисперсии.
Постоянная дисперсия вдоль спектра является важным фактором оптического прибора.
...

3.1 Спектрограф ИСП-30
Отличие оптического спектрального прибора ИСП-30 от других спектрографов заключается в том, что он имеет установку перемещения кассеты, экспозиции и времени обжига (см. Рисунки 3.1, 3.2 и 3.3).

Рисунок 3.1 – Спектрограф ИСП-30

У спектрографа ИСП-30 рабочая область спектра находится в интервале от двухсот до шестисот нанометров. Каждый из спектрографов имеет шестидесятиградусную кварцевую призму с высотой тридцать миллиметров и основанием сорок два миллиметра в качестве диспергирующей системы. При длине волны 257,3 нанометров увеличение оптической системы равно 1,2Спектральные линии в данной области разрешаются. Они различаются не менее, чем на три сотых нанометра. В части искрового спектра железа, имеющей короткие волны, триплет в триста десять нанометров при ширине щели в спектрографе в 0,005 нанометров и дуплет 234,83 и 234,81 нанометров.
На Рисунке 3.2 ниже изображена оптическая схема аппарата ИСП-30.
...

3.2 Спектрограф ИСП-51
Оптический спектральный прибор ИСП-51 является стеклянным спектрографом, имеющим три призмы. Данный прибор оснащен фотоэлектрической системой регистрации спектров и применяется для работы в видимой области спектра. Ниже на Рисунке 3.4 изображена оптическая схема спектрального прибора.

Рисунок 3.4 - Оптическая схема установки
1 - источник излучения; 2 - осветительная система; 3 - входная щель; 4 - объектив коллиматора; 5 - призменная диспергирующая система; 6 - камерный объектив; 7 - фотоприемная плоскость ФДЛ

В Таблице 1.1 ниже приведены главные оптические параметры спектрального прибора ИСП-51.17

Таблица 1.1 - Основные параметры спектрографа ИСП-51

На Рисунке 3.5 изображен внешний вид спектрографа ИСП-51.

Рисунок 3.5 - Внешний вид спектрографа ИСП-51

Оптический спектральный прибор ИСП-51 включает в себя камерную и коллиматорную трубу, призменную часть. Установлена щель в фокальной плоскости объектива коллиматора оптического спектрального прибора.
...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проделанной работы выполнены все задачи для достижения поставленной цели: рассмотрены краткая история развития и становления оптических спектральных приборов, общие сведения о спектрографах, фотографическая пластинка в спектрографе, характеристическая кривая фотографической пластинки, спектральные характеристики пластинок, химическая обработка фотопластинок, основные характеристики спектрографов, способы освещения щелей спектрографа, призменный и дифракционный спектрографы, а также спектрографы ИСП-30, ИСП-51, ИСП-28, ИСП-22, ДФС-8, ДФС-13, СТЭ-1, ДФС-29 и другие моменты.
Из вышеизложенного материала необходимо сделать несколько выводов: во-первых, спектральные приборы служат для разложения по частотам (или по длинам волн) электромагнитного излучения, имеющего оптический диапазон.
...

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барсуков, В.И. Атомный спектральный анализ/В.И. Бурсуков, М.: «Издательство Машиностроение-1», 2005. - 132 с.
2. Гильмутдинов, А.Х Методические указания к выполнению лабораторных работ общего физического практикума по курсу ОПТИКА (разделы: Спектрофотометрия)/ А.Х. Гильмутдинов, Ю.А. Захаров, К.Ю. Нагулин. - Казань 2001. - 60 с.
3. Горда, С. Ю. Современные астрономические спектрометры и методы обработки спектрограмм : [учеб. пособие] / С. Ю. Горда ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. - Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2015. — 91 с.
4. Гончаров, А.В. Физические основы электромагнетизма. Часть 2. Магнитное поле и электромагнитная индукция: электронное издание/ Владим. гос. ун-т имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых ; сост.: А.В. Гончаров. – Владимир : Изд-во ВлГУ, 2013. – 59 с.
5. Есман, А.К. Общая физика : электричество и магнетизм : пособие для студентов специальностей 1-70 02 01 «Промышленное и гражданское строительство», 1-70 04 02 «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна», 1-70 04 03 «Водоснабжение, водоотведение и охрана водных ресурсов», 1-70 03 02 «Мосты, транспортные тоннели и метрополитены» / А. К. Есман [и др.]. – Минск : БНТУ, 2017. – 299 с.
6. Загрубский А.А., Цыганенко Н.М., Чернова А.П. Спектральные приборы. - СПб.: СПГУ, 2007. — 76 с.
7. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. Оптические материалы. Источникик, приемники, фильтрация оптического излучения. Спектральные приборы. - Четвертое издание. М.: Физический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова, 2005. - 282 с.
8. Соломонов, В.И. Импульсная катодолюминесценция ее применение/В.И. Соломонов, А.В. Спирина. - Монография. — LAP Lambert Academic Publishing, 2017. — 182 c.
9. Актуальные проблемы физической и функциональной электроники 2017. - Материалы 20-й Всероссийской молодежной научной школы-семинара (г. Ульяновск, 5-7 декабря 2017 года). — Ульяновск: УлГТУ, 2017. — 254 с.
10. Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты: сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. - Тамбов: Консалтинговая компания Юком, 2014. — 163 с.
11. Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте. - Материалы второй всероссийской научно-технической конференции с международным участием. — Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2016. — 368 с.
12. Релавэкспо-2019. Сборник тезисов докладов. - Сборник докладов научно-технической конференции молодых специалистов. — Чебоксары: Чувашский университет, 2019. — 310 с.
13. Рычков В.Н. Физика. Технологии. Инновации. Выпуск 1. - Сборник научных трудов. — Екатеринбург: УРФУ, 2015. — 358 с.
14. Селезнев Е.П. (отв.ред.) Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика. Тезисы докладов IX всероссийской конференции молодых ученых. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2014. — 244 с.
15. Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем. Выпуск 11. - Сборник научных трудов. — Ульяновск: УлГТУ, 2018. — 274 с.
16. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Том 1. - VIII Международная научная конференция, 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск. — Новосибирск : СГГА, 2012. — 253 с.
17. Физико-химические методы изучения минеральных агрегатов, минералоидов и синтетических материалов: проблемы и перспективы. - Сборник материалов докладов научно-практического семинара. — Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2018. — 88 с.
18. Шульгин Б.В. и др. (ред.). Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Выпуск 29. Вузовско-академический сборник научных трудов. — Екатеринбург: УрФУ, 2011. — 140 с.