СПЕКТРА́ЛЬНЫЕ ПРИБО́РЫ

СПЕКТРА́ЛЬНЫЕ ПРИБО́РЫ, уст­рой­ст­ва для ис­сле­до­ва­ния спек­траль­но­го со­ста­ва элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. При­ме­ня­ют­ся для изу­че­ния в оп­тич. диа­па­зо­не длин волн (λ= 10^–3–10³ мкм) ха­рак­те­ри­стик разл. из­лу­ча­те­лей (на­зем­ных и кос­ми­че­ских), а так­же для ис­сле­до­вания свойств разл. фи­зич. объ­ек­тов при взаи­мо­дей­ст­вии их с оп­тич. из­лу­че­ни­ем и для про­ве­де­ния спек­траль­но­го ана­ли­за.

Оптическая схема спектрального прибора с пространственным разделением длин волн λ по углам φ: Щ – входная щель; О1 – объектив коллиматора; Д – диспергирующий элемент; О2 – объектив фокусирующей систем...

С. п. со­сто­ят из оп­тич. и ре­ги­ст­ри­рую­щей час­тей: пер­вая вы­де­ля­ет раз­ные уча­ст­ки спек­тра ис­сле­дуе­мо­го из­лу­че­ния, вто­рая из­ме­ря­ет ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния в этих уча­ст­ках. В оп­тич. час­ти С. п. для вы­де­ле­ния из­лу­че­ния в нуж­ных об­лас­тях спек­тра ис­поль­зу­ют­ся разл. при­спо­соб­ле­ния. Так, дис­пер­ги­рую­щи­ми эле­мен­та­ми, соз­даю­щи­ми про­стран­ст­вен­ное раз­де­ле­ние волн раз­ной дли­ны, во мно­гих С. п. яв­ля­ют­ся ди­фрак­ци­он­ные ре­шёт­ки, спек­траль­ные приз­мы и ин­тер­фе­ро­мет­ры Фаб­ри – Пе­ро. Све­то­фильт­ры вы­де­ля­ют уз­кую часть спек­тра па­даю­ще­го на них из­лу­че­ния (ши­ри­на спек­тра, вы­де­ляе­мо­го уз­ко­по­лос­ны­ми све­то­фильт­ра­ми, мо­жет со­став­лять до­ли на­но­мет­ра). Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны С. п. с про­стран­ст­вен­ным раз­де­ле­ни­ем длин волн (рис.). Соз­да­ны так­же С. п. с се­лек­тив­ной мо­ду­ля­ци­ей из­лу­че­ния [рас­тро­вые спек­тро­мет­ры, спек­тро­мет­ры с ин­тер­фе­рен­ци­он­ной се­лек­тив­ной ам­пли­туд­ной мо­ду­ля­ци­ей (СИСАМ) и др.], в ко­то­рых вол­ны раз­ной дли­ны мо­ду­ли­ру­ют­ся с раз­ны­ми час­то­та­ми, а раз­де­ле­ние волн про­ис­хо­дит пу­тём ана­ли­за этих час­тот в элек­трон­ной час­ти при­бо­ра.

Осн. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми С. п. слу­жат: а) ра­бо­чий диа­па­зон длин волн, в пре­де­лах ко­то­ро­го С. п. спо­со­бен ре­ги­ст­ри­ро­вать спектр из­лу­че­ния; б) ап­па­рат­ная функ­ция – фор­ма спек­траль­ной ли­нии на вы­хо­де С. п. при по­сту­п­ле­нии на его вход мо­но­хро­ма­тич. из­лу­че­ния; в) спек­траль­ное раз­ре­ше­ние δλ  – ми­ним. спек­траль­ное рас­стоя­ние ме­ж­ду дву­мя спек­траль­ны­ми ли­ния­ми, ко­то­рые С. п. спо­со­бен раз­ли­чить как два раз­ных объ­ек­та; г) спек­траль­ная раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность R=λ /δλ ; д) дис­пер­сия – для С. п. с про­стран­ствен­ным раз­де­ле­ни­ем рас­смат­ри­ва­ют уг­ло­вую дис­пер­сию Δφ /Δλ , ли­ней­ную дис­пер­сию Δx/Δλ и об­рат­ную ли­ней­ную дис­пер­сию Δλ /Δx (на прак­ти­ке чаще все­го ис­поль­зу­ют по­след­нюю); е) све­то­си­ла – от­но­ше­ние све­то­во­го по­то­ка на вы­хо­де при­бо­ра к мо­но­хро­ма­тич. яр­ко­сти вход­но­го от­вер­стия при­бо­ра; ж) по­ро­го­вая чув­ст­ви­тель­ность, ха­рак­те­ри­зуе­мая ми­ним. сиг­на­лом на вы­хо­де при­ём­ни­ка из­лу­че­ния, ко­то­рый мож­но вы­де­лить на фо­не его собств. шу­мов.

Чем ши­ре ап­па­рат­ная функ­ция при­бо­ра, тем боль­ше ис­ка­жа­ет­ся ре­ги­ст­ри­руе­мый спектр. На ап­па­рат­ную функ­цию при­бо­ров с про­странст­вен­ным раз­де­ле­ни­ем длин волн по уг­лам φ или рас­стоя­нию ме­ж­ду ли­ния­ми Δx влия­ют ши­ри­на вход­ной ще­ли, ди­фрак­ция из­лу­че­ния на эле­мен­тах оп­тич. сис­те­мы, абер­ра­ции оп­тич. сис­те­мы. Све­то­си­ла та­ко­го С. п. про­пор­цио­наль­на вход­но­му те­лес­но­му уг­лу, из­лу­че­ние в ко­то­ром про­хо­дит че­рез весь при­бор.

С. п. де­лят на од­но­ка­наль­ные и мно­го­ка­наль­ные. В пер­вых (на­зы­вае­мых так­же мо­но­хро­ма­то­ра­ми) из все­го спек­тра из­лу­че­ния, па­даю­ще­го на вход при­бо­ра, вы­де­ля­ют уз­кую по­ло­су δλ , для че­го в про­стей­ших при­бо­рах при­ме­ня­ют уз­ко­по­лос­ные све­то­фильт­ры. В од­но­ка­наль­ных С. п., по­стро­ен­ных по схе­ме, пред­став­лен­ной на ри­сун­ке, по­ло­са δλ вы­де­ля­ет­ся пу­тём рас­по­ло­же­ния в фо­каль­ной по­верх­но­сти неподвиж­ной ще­ли для вы­хо­да из­лу­че­ния. В та­ких при­бо­рах пре­ду­смат­ри­ва­ет­ся воз­мож­ность из­ме­не­ния спек­траль­ной об­лас­ти вы­хо­дя­ще­го из­лу­че­ния пу­тём сдви­га спек­тра от­но­си­тель­но вы­ход­но­го уст­рой­ст­ва при по­во­ро­те дис­пер­ги­рую­ще­го эле­мен­та. К од­но­ка­наль­ным С. п. от­но­сят­ся рас­тро­вые спек­тро­мет­ры и СИСАМ.

В мно­го­ка­наль­ных С. п. од­но­вре­мен­но ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся неск. по­то­ков из­лу­че­ния с раз­ны­ми дли­на­ми волн. Эти по­то­ки мож­но вы­де­лить на­бо­ром уз­ко­по­лос­ных све­то­фильт­ров или ря­дом вы­ход­ных ще­лей, рас­по­ло­жен­ных в фо­каль­ной по­верх­но­сти оп­тич. час­ти С. п. При­бо­ры с не­сколь­ки­ми вы­ход­ны­ми ще­ля­ми на­зы­ва­ют­ся по­ли­хро­ма­то­ра­ми. Мно­го­ка­наль­ны­ми С. п. яв­ля­ют­ся та­кие при­бо­ры с се­лек­тив­ной мо­ду­ля­ци­ей из­лу­че­ния, как фу­рье-спек­тро­мет­ры, С. п., по­стро­ен­ные на ос­но­ве ин­тер­фе­ро­мет­ра Май­кель­со­на, и ада­мар-спек­тро­мет­ры.

При­ём­ни­ка­ми из­лу­че­ния и в мо­но­хро­ма­то­рах, и в по­ли­хро­ма­то­рах слу­жат, как пра­ви­ло, фо­то­элек­трон­ные ум­но­жи­те­ли, ка­ж­дый из ко­то­рых ре­ги­ст­ри­ру­ет свой спек­траль­ный ка­нал. Наи­боль­шая мно­го­ка­наль­ность дос­ти­га­ет­ся в С. п., в ко­то­рых ис­поль­зу­ют­ся мно­го­эле­мент­ные фо­то­элек­трич. при­ём­ни­ки из­лу­че­ния (ти­па ПЗС), элек­трон­но-оп­тич. пре­об­ра­зо­ва­те­ли и фо­то­ма­те­риа­лы. Та­кие С. п. (на­зы­вае­мые спек­тро­гра­фа­ми) од­но­вре­мен­но ре­ги­ст­ри­ру­ют весь спектр в ши­ро­ком диа­па­зо­не длин волн.

Пер­вые С. п. (спек­тро­ско­пы) бы­ли соз­да­ны в нач. 19 в. по схе­ме, пред­став­лен­ной на ри­сун­ке, с приз­мой в ка­че­ст­ве дис­пер­ги­рую­ще­го эле­мен­та. При­ём­ни­ком в этих уст­рой­ст­вах слу­жил глаз че­ло­ве­ка. Позд­нее в ка­че­ст­ве при­ём­ни­ков из­лу­че­ния ста­ли ис­поль­зо­вать фо­то­ма­те­риа­лы, а с сер. 20 в. – фо­то­элек­трич. при­ём­ни­ки, по­зво­лив­шие про­во­дить ана­лиз из­лу­че­ния в ре­аль­ном вре­ме­ни. Во 2-й пол. 20 в. в С. п. ста­ли вклю­чать го­ло­гра­фич. ди­фрак­ци­он­ные ре­шёт­ки и мно­го­эле­мент­ные фо­то­при­ём­ни­ки. В это же вре­мя бы­ли пред­ло­же­ны схе­мы разл. уст­ройств, пред­на­зна­чен­ных для се­лек­тив­ной мо­ду­ля­ции из­лу­че­ния. Боль­шой про­гресс в раз­ви­тии С. п. свя­зан с при­ме­не­ни­ем вы­чис­лит. тех­ни­ки, со­гла­со­ван­ной с при­ём­ни­ка­ми из­лу­че­ния. Это от­кры­ло ши­ро­кие воз­мож­но­сти для об­ра­бот­ки по­лу­чае­мых спек­тров.

С. п. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в нау­ке и пром-сти. Для про­ве­де­ния атом­но-эмис­си­он­но­го спек­траль­но­го ана­ли­за ис­поль­зу­ют­ся в осн. спек­тро­гра­фы и кван­то­мет­ры, вы­пол­нен­ные на ба­зе спек­тромет­ров-по­ли­хро­ма­то­ров. В этих при­бо­рах в ис­точ­ни­ке из­лу­че­ния (пла­ме­ни, ду­го­вом или ис­кро­вом раз­ря­де, ин­дук­тив­но-свя­зан­ной плаз­ме, плаз­мо­тро­не, ла­зер­ной ис­кре и др.) при­сут­ст­ву­ют ато­мы и ио­ны ис­сле­дуе­мо­го об­раз­ца. Для атом­но-аб­сорб­ци­он­но­го ана­ли­за при­ме­ня­ют­ся од­но- и двух­лу­че­вые спек­тро­фо­то­мет­ры, из­ме­ряю­щие ин­тен­сив­но­сти ли­ний по­гло­ще­ния ато­мов хи­мич. эле­мен­тов в ис­сле­дуе­мом объ­ё­ме. Для на­уч. ис­сле­до­ва­ний, тре­бую­щих вы­со­кой спек­траль­ной раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти, соз­да­ют­ся ла­бо­ра­тор­ные ус­та­нов­ки с длин­но­фо­кус­ны­ми (до не­сколь­ких мет­ров) объ­ек­ти­ва­ми. Для изу­че­ния очень сла­бых спек­тров ис­поль­зу­ют­ся спек­траль­ные ус­та­нов­ки с при­ём­ни­ка­ми из­лу­че­ния, ох­ла­ж­дае­мы­ми до низ­ких тем­пе­ра­тур, что зна­чи­тель­но умень­ша­ет их собств. шу­мы.