II. 7. Диспергирующие элементы

В основной массе приборов, используемых в настоящее время для спектрального анализа, принцип действия диспергирующих элементов основывается на двух явлениях - дисперсии показателя преломления, т. е. зависимости показателя преломления от длины волны (реализуется с помощью призмы) и дифракции света при прохождении или отражении (реализуется с помощью дифракционной решетки). При фотометрии пламени и колориметрии широко используются светофильтры. Рассмотрим более подробно принципы работы этих устройств.

II.7.1. С ветофильтры

Светофильтр - устройство, меняющее спектральный состав и энергию падающего на него оптического излучения. Основной его характеристикой является спектральная зависимость коэффициента пропускания t (или абсорбционности А =-lgt) от длины волны падающего излучения. Селективные светофильтры предназначены для отрезания (поглощения) или выделения каких-либо участков спектра. Основными характеристиками светофильтров являются длина волны максимума полосы пропускания, полуширина полосы пропускания и коэффициент пропускания в максимуме полосы пропускания.

Действие светофильтра может быть основано на любом оптическом явлении, обладающем спектральной избирательностью - на поглощении света (абсорбционные светофильтры), отражении (отражательные светофильтры), интерференции (интерференционные светофильтры), дисперсии (дисперсионные светофильтры) и других. В практике атомно-эмиссионного спектрального анализа чаще всего используются абсорбционные и интерференционные светофильтры.

Стеклянные абсорбционные светофильтры отличаются постоянством спектральных характеристик, устойчивостью к воздействию света и температуры, высокой оптической однородностью, простотой изготовления. К основным недостаткам таких светофильтров относятся достаточно большая ширина полосы пропускания (20 - 30 нм) и довольно высокие потери света.

Интерференционные светофильтры состоят из двух полупрозрачных зеркал (например, слоев серебра) и помещенного между ними слоя диэлектрика оптической толщины. Для защиты от повреждения и удобства в обращении светофильтр заключают между двумя стеклянными пластинками. В проходящем свете интерферируют лучи, непосредственно прошедшие через светофильтр и отраженные два, четыре, шесть и более раз от полупрозрачных слоев. В результате в проходящем свете остаются лучи с длиной волны, равной удвоенной толщине слоя диэлектрика. Интерференционные светофильтры выделяют узкие области спектра (5 - 10 нм) с меньшей потерей света, чем абсорбционные.

Кривая пропускания интерференционного светофильтра имеет довольно длинную область, простирающуюся в обе стороны от максимума, где прозрачность сравнительна невелика. По этой причине помехи фона при работе с интерференционными светофильтрами гораздо меньше, чем с абсорбционными, но яркая линия мешающего элемента даже на сравнительно далеком расстоянии от максимума может оказать значительное влияние на результат измерения. Другой особенностью интерференционных светофильтров является зависимость положения максимума полосы пропускания от угла падения лучей света.

Комбинируя абсорбционные и интерференционные светофильтры, можно получить симметричную полосу пропускания с полушириной 1 - 2 нм. 

II.7.2 С пектральные призмы

Спектральная призма - пространственный многогранник, изготовленный из прозрачного для данного спектрального диапазона материала с достаточно высокой дисперсией.

На рис. II.8 изображена схема пространственного разделения луча света, состоящего из двух монохроматических лучей (l₁ и l₂), на два луча при его прохождении через треуголь-ную призму. Можно выделить следующие основные параметры призмы как диспергирующего элемента:

Показатель преломления n =sin i ₁ / sin i ₂. Для всех веществ, используемых для изготовления диспергирующих элементов, наблюдается уменьшение показателя преломления с увеличением длины волны. Это приводит к уменьшению угловой дисперсии призмы - спектральные линии при одинаковых интервалах Dl будут расположены ближе друг к другу - т.е. хуже разрешены, что затрудняет работу со спектром.

Угловая дисперсия призмы

    D _j=2sin(A /2)/(1- n ²sin²(A/2))^1/2 dn / d l=(T / b) dn / d l                  (II.12)

пропорциональна дисперсии показателя преломления. Из формулы (II.12) следует, что угловая дисперсия тем больше, чем больше показатель преломления и чем больше угол в вершине призмы. Однако угол при вершине призмы нельзя увеличивать больше определенного значения. Это связано с тем, что при больших значениях этого угла луч света после преломления не выходит из призмы - наблюдается полное поглощение света. Обычно максимальный угол находится в пределах 64 - 84^°.

Теоретическая разрешающая способность R ₀= TD _j. На разрешающую способность призмы влияют ее геометрические размеры. Практически размеры призм ограничиваются изотропностью материала, из которого они изготовлены.

Материал для изготовления призмы должен обладать достаточно высокой дисперсией показателя преломления, быть прозрачным в рабочей области спектра, прочным и легко поддаваться обработке, устойчивым к внешним воздействиям и при всем этом быть достаточно дешевым. Всем этим требованиям одновременно не удовлетворяет ни одно вещество. Поэтому материал для изготовления призм подбирают в первую очередь по оптическим характеристикам. Например, для видимой части спектра достаточно прозрачны кварц и оптическое стекло, но показатель преломления кварца для этой области значительно ниже, чем у стекла. Поэтому для работы с видимым спектром применяют призмы из специальных оптических стекол с большим показателем преломления (тяжелые стекла, содержащие свинец), например из флинта или крона.

Оптические стекла практически непрозрачны для лучей с длиной волны менее 390 нм. Поэтому для получения спектров в ультрафиолетовой части спектра применяются призмы, изготовленные из кристаллического или плавленого кварца.