Большая Советская Энциклопедия (СП)

Большая Советская Энциклопедия

Квантометры — фотоэлектрические установки для промышленного спектрального анализа (рис. 7). Они строятся на основе полихроматоров; выходные щели полихроматора выделяют из спектра излучения исследуемого вещества аналитические линии и линии сравнения, соответствующие потоки посылаются на приёмники (фотоумножители), установленные у каждой щели. Фототоки приёмников заряжают накопительные конденсаторы; величины их зарядов, накопленные за время экспозиции, служат мерой интенсивностей линий, которые пропорциональны концентрациям элементов в пробе. Существующие модели квантометров различаются рабочими диапазонами спектра (внутри области 0,17—1 мкм), числом одновременно работающих каналов (от 2 до 80), степенью автоматизации, способами возбуждения спектров (дуга, искра, лазер). Они применяются для экспрессного

анализа химического состава сталей и сплавов в чёрной и цветной металлургии, металлических примесей в отработанных смазочных маслах машин и двигателей для определения степени их износа и в др. задачах.

Спектрографы одновременно регистрируют протяжённые участки спектра, развёрнутого в фокальной плоскости Ф (рис. 3) на фотопластинках или фотоплёнках (фотографические спектрографы), а также на экранах передающих телевизионных трубок, электронно-оптических преобразователей с «запоминанием» изображений и т. п. При хорошей оптике число каналов ограничивается лишь разрешающей способностью (зернистостью) фотоматериалов или числом строк телевизионной развёртки. В видимой области спектра для визуальных методов спектрального анализа широко используются простые спектроскопы и стилоскопы, в которых приёмником является глаз.

Диапазон длин волн, в котором работают спектрографы, простирается от коротковолновой границы оптического диапазона и постепенно расширяется в ИК-область по мере достижения всё более высокой фоточувствительности слоев и развития методов тепловидения. Типы спектрографов отличаются большим разнообразием — от простейших приборов настольного типа для учебных целей и компактных ракетных и спутниковых бортовых приборов для исследования спектров Солнца, звёзд, планет, туманностей до крупных астроспектрографов, работающих в сочетании с телескопами, и лабораторных 10-метровых вакуумных установок с большими плоскими и вогнутыми дифракционными решётками для исследований тонкой структуры спектров атомов. Линейная дисперсия спектрографов (участок фокальной плоскости Dх, занимаемый интервалом длин волн Dl) может лежать в пределах от 10² до 10⁵мм/мкм, светосила по освещённости (отношение освещённости в изображении входной щели к яркости источника, освещающего входную щель) — от » 0,5 в светосильных спектрографах до 10^{– 3} и менее в длиннофокусных приборах большой дисперсии.

Скоростные многоканальные С. п. для исследований спектров быстропротекающих процессов конструируются путём сочетания спектрографа со скоростной кинокамерой (киноспектрографы), введения в схему прибора многогранных вращающихся зеркал для развёртки спектров перпендикулярно направлению дисперсии, применения многоканальной регистрации с многоэлементными приёмниками и т. п. В этой области ещё нет установившейся терминологии; такие С. п. называются хроноспектрографами, спектрохронографами, спектровизорами, скоростными спектрометрами.

3. Одноканальные С. п. с селективной модуляцией

В приборах групп 3 и 4 на рис. 2 вместо пространственного разделения длин волн применяют селективную модуляцию (кодирование) l, разделение l в этих приборах переносится из оптической части в электрическую.

Растровые спектрометры создаются по общей для одноканальных С. п. блок-схеме (рис. 4), но в сканирующем монохроматоре щели заменяются растрами специальной формы (например, гиперболическими; рис. 8). При работе входного растра попеременно в проходящем и отражённом свете возникает амплитудная модуляция излучения той l , для которой изображение входного растра совпадает с выходным растром. В излучении других l в результате угловой дисперсии изображения смещаются и амплитуда модуляции уменынается. Т. о., ширина АФ dl соответствует полупериоду растра. Растровые спектрометры дают по сравнению с щелевыми спектрометрами выигрыш в потоке (примерно в 100 раз при R » 30000), однако их применение ограничено засветкой приёмника потоком немодулированного излучения, а также сложностью изготовления растров и оптической части системы.

Сисам — спектрометр интерференционный с селективной амплитудной модуляцией — строится на основе двухлучевого интерферометра, в котором концевые зеркала заменены синхронно поворачивающимися дифракционными

решётками и введён модулятор по оптической разности хода. В этом случае амплитудная модуляция накладывается только на интервал dl_диф, соответствующий дифракционному пределу в окрестности l, которая удовлетворяет условию максимума дифракции для обеих решёток. Сисам всегда работает на дифракционном пределе: R = R_диф= l / dl_диф, при этом за счёт увеличения входного отверстия поток в ~ 100 раз больше, чем в классических приборах 1 группы, но оптико-механическая часть весьма сложна в изготовлении и настройке.

4. Многоканальные С. п. с селективной модуляцией

Для данной группы С. п. характерна одновременная селективная модуляция (кодирование) дискретного или непрерывного ряда длин волн, воспринимаемых одним фотоэлектрическим приёмником, и последующее декодирование электрических сигналов. Наибольшее распространение получили два типа приборов этой группы.

В адамар-спектрометрах осуществляется кодирование дискретного ряда l; общая схема подобна приведённой на рис. 4, но сканирование здесь не применяется, щели в монохроматоре заменены на циклически сменяемые многощелевые растры специальной конструкции (маски-матрицы Адамара). Сигналы приёмника декодируются специальным устройством, дающим на выходе дискретный спектр исследуемого излучения, состоящий из ~ 100 точек-отсчётов. Адамар-спектрометры дают выигрыш в потоке и быстродействии и эффективно применяются, например, для экспресс-анализа выхлопных газов двигателей по их ИК-спектрам.

В фурье-спектрометрах осуществляется непрерывное кодирование длин волн с помощью интерференционной модуляции, возникающей в двухлучевом интерферометре при изменении (сканировании) оптической разности хода. Приёмник излучения на выходе интерферометра даёт во времени сигнал — интерферограмму, которая для получения искомого спектра подвергается Фурье-преобразованию на ЭВМ. Фурье-спектрометры наиболее эффективны для исследований протяжённых спектров слабых излучений в ИК-области, а также для решения задач сверхвысокого разрешения. Конструкции и характеристики приборов этого типа очень разнообразны: от больших уникальных лабораторных установок с оптической разностью хода 2 м (R » 10⁶) до компактных ракетных и спутниковых спектрометров, предназначенных для метеорологических и геофизических исследований, изучения спектров планет и т. д. Для фурье-спектрометров соотношение (1) имеет вид:

.

Отметим ещё раз принципиальное различие рассмотренных групп приборов: в одноканальных приборах 1 и 3 групп время эксперимента затрачивается на накопление информации о новых участках спектра; в приборах 2 группы — на накопление отношения сигнала к шуму, а в приборах 4 группы — на накопление структурных деталей в данном спектральном диапазоне (рис. 9).

Лит.: Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, Л., 1970; Тарасов К. И., Спектральные приборы, Л., 1968; Заидель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И., Техника и практика спектроскопии, М., 1972; Оптико-механические приборы, М., 1965; Якушенков Ю. Г. , Основы теории и расчета оптико-электронных приборов, М., 1971; Мерц Л., Интегральные преобразования в оптике, пер. с англ., М., 1969; Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения. Сб., М., 1972; Кардона М., Модуляционная спектроскопия, пер. с англ., М., 1972.

В. А. Никитин.

Рис. 7. Вакуумный 24-канальный квантометр (заводское название — фотоэлектрическая установка) ДФС-41 для экспрессного и маркировочного анализа чугунов, простых и среднелегированных сталей на легирующие элементы, металлоиды и вредные примеси, аналитические линии которых расположены в вакуумной УФ-области: 1 — вакуумный полихроматор с вогнутой дифракционной решёткой с фокусным расстоянием, равным 1 м, рабочий диапазон 0,175—0,38 мкм; 2 — генератор искры ИВС-1 для возбуждения эмиссионных линий атомов в пробе; 3 — электронно-регистрирующее устройство ЭРУ-1; 4 — блок цифрового отсчёта. Время анализа 10 элементов около 2 мин.