Установка для измерения спектров излучения состоит из монохроматора, регистрирующей системы и сменных газоразрядных ламп с блоком пуско-регулирующей аппаратуры (ПРА).
В качестве источников исследуемых спектров излучения в работе применяются газоразрядные лампы высокого давления с разрядом в парах ртути с добавками различных металлов. Запуск и стабильное горение ламп обеспечивается блоком ПРА. Возможно применение лампы накаливания, как источника со сплошным спектром.
Регистрирующая система (см. рис. 4) состоит из блока фотоприемника (1) и блока питания (11) с подключенным микроамперметром или цифровым вольтметром В7-22А (10).
 |
На лицевой панели корпуса блока питания имеются: тумблер "СЕТЬ " и сигнальная лампа, расположенная над этим тумблером; тумблер " НАКАЛ-НЕДОКАЛ ", обеспечивающий включение и работу накального источника излучения в 2-х режимах; гнезда для подключения микроамперметра; тумблер включения фотоэлемента.
Блок приемника излучения состоит из фотоэлемента Ф-25, усилителя и систем регулирования сигнала. На боковую стенку корпуса блока выведены: рукоятка изменения диафрагмы входного окна (12), рукоятка установки нуля темнового тока (13), переключатель диапазонов чувствительности системы (14). Положение I переключателя соответствует максимальной чувствительности системы для измерения самых слабых потоков излучений. При положении П переключателя чувствительность системы снижается в 2 раза, при положении Ш - в 7 раз, и при положении IV в 100 раз по отношению к максимальной.
Регистрация интенсивности излучения в относительных единицах осуществляется по шкале микроамперметра или цифрового вольтметра В7-22А.
Используемый в регистрирующей системе фотоэлемент Ф-25 имеет многощелочной катод с расширенной областью спектральной чувствительности и кривой относительной спектральной чувствительности типа С - 11. Значения относительной спектральной чувствительности фотоэлемента Ф-25 приведены на рис.5, а также, частично, в приложении 1.
 |
В работе используются призменный монохроматор УМ-2, предназначенный для работы в области спектра 380-1000 нм.
Собственно монохроматор (см. рис. 6) состоит из входной щели (1), объектива входного коллиматора 2, призмы постоянного угла отклонения (3), объектива выходного коллиматора (4) и выходной щели (5). Щели прибора прямые, симметричные. Объективы коллиматоров ахроматические с просветленными поверхностями и одинаковым фокусом 280 мм. Вращение призмы Аббе осуществляется барабаном, на котором по спирали нанесена шкала в градусах угла поворота барабана. Объектив выходного коллиматора может перемещаться вдоль оптической оси для фокусировки излучения различных длин волн на выходную щель (рукоятка 5 на рис. 4).
Зависимость обратной линейной дисперсии от длины волны для монохроматора УМ-2 с точностью до 15% описывается выражением вида:
= 0,8×10-8×l3,4 
; (16)
Значения обратной линейной дисперсии, вычисленные по этой формуле, приведены в Приложении 1.
Пропускание t оптического тракта монохроматора в рабочей области спектра с точностью 5% от длины волны не зависит.
Для определения длины волны l выделяемой монохроматором, шкала барабана должна быть предварительно отградуирована по известным линейчатым спектрам, обычно ртутной лампы. Результаты градуировка приведены в Приложении 1. Эта градуировка должна регулярно проверяться.
З А Д А Н И Е
1. Провести проверку градуировки шкалы барабана по длинам волн.
2. Измерить спектры излучения источников света, указанных преподавателем. Результаты измерений внести в таблицы.
3. Построить графики измеренных спектров излучения ламп.
4. Рассчитать и указать на графике спектральную ширину щели, при которой измерялись спектры.
5. Рассчитать и указать на графике погрешность определения спектральной плотности излучения.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
I. Подготовка установки к работе:
1. Подсоединить миллиамперметр к гнездами "ВОЛЬТМЕТР" блока питания и установить предел измерения 0,75 мА.
2. Подключить блок питания к сети 220 В. Включить тумблер "СЕТЬ". При этом должна закрепиться сигнальная лампочка расположенная над этим тумблером.
3. Переключатель чувствительности, находящейся на блоке фотоприемника, установить в положение 3.
4. Тумблер "ФОТОЭЛЕМЕНТ" на блоке питания перевести в верхнее положение.
5. Вращением ручки "УСТ.НУЛЯ" на блоке фотоприемника вывести стрелку миллиамперметра на начало шкалы.
II.Проверка градуировки шкалы барабана поворота призмы:
6. Установить на рельс перед входной щелью ртутную газоразрядную лампу. Подключить лампу к блоку ПРА. Включить блок ПРА в сеть 220 В. Нажатием кнопки запуска зажечь лампу и дождаться её разгорания (4-5 мин.).
7. Раскрыть входную и выходную щели монохроматора на величину 0,2 мм.
8. Вращением барабана поворота призмы вывести указатель на начало шкалы.
9. Медленно вращая барабан, определить по отклонению стрелки миллиамперметра при каких положениях барабана nmax наблюдаются максимумы отклонения стрелки, соответствующие линиям излучения ртутного разряда. Результаты занести в табл.1.
Таблица 1.
| № | nmax | iфmax | lmax |
| п/п | град | мА | нм |
| 1. | |||
| 2. | |||
| 3. | |||
| 4. | |||
| … |
Для более точного определения nmax барабан следует подводить к положению максимального отклонения стрелки всегда с одной стороны, вращая в сторону увеличения n, для того чтобы устранить люфт микровинта. Поэтому после обнаружения максимума iфmax по началу спада величины фототока, следует повернуть барабан назад, на участок подъёма, и повторным поворотом добиться уже известного значения iфmax, при котором делается отсчет nmax .
10. В видимой области спектра в разряде ртути среди прочих выделяются четыре самых интенсивных линии излучения с длинами волн соответственно: 405; 438,8; 546,1 и 577-579 нм. Сравнением величин iфmax установить каким nmax соответствуют эти ртутные линии. Начало шкалы барабана соответствует коротковолновой области спектра.
11. Сверить полученные результаты таблицы 1 с данными в Приложении 1.
12. Если проверка показывает незначительные несовпадения, достаточно внести соответствующие коррекции. В случае сильного несовпадения необходимо построить новый градуировочный график n = f(l).
III. Измерение спектра излучения исследуемой газоразрядной лампы:
13. Установить указанные преподавателем размеры щелей.
14. Установить перед входной щелью монохроматора исследуемую лампу. Подключить лампу к блоку ПРА и включить в сеть 220 В. Нажатием кнопки поджига зажечь лампу.
15. Измерить значения сигнала фотоприемника iфl при различных углах поворота n барабана через каждые Dn = 50¸75°. Измеренные значения iфl занести в табл.2.
Таблица 2
| n | iфl | l | g(l) | (dl/dl)l | j¢(l) | j(l) |
| град | мкА | нм | - | нм/мм | мкА мм/нм | - |
Строго говоря, для надежного поточечного измерения спектра Dn = ni+1 - ni должен быть таким, чтобы сответствующий ему шаг измерений Dl ш = li+1 - li был не более выделяемого монохроматором интервала длин волн, т.е. величины спектральной ширины щелей Dli. При этом число измерений может оказаться достаточно большим. Поэтому, при измерениях широкополосного или сплошного спектров, с целью сокращения трудоемкости шаг измерений может выбираться несколько большим, но так чтобы в промежутках между точками измерений изменения спектра являлись монотонными, а затем недостающие значения находятся методом графической интерполяции. В случае наличия в спектре узких линий излучения, например как у газоразрядных ламп, обнаруживаемых по резкому отклонению стрелки прибора при вращении барабана, излучение таких линий промеряется отдельно, независимо от основного шага измерений. Обычно для каждой линии находится положение максимума излучения nimax, величина фототока в максимуме линии iфlmax, а также полуширина линии, определяемая по отсчетам барабана n+0,5 и n-0,5 слева и справа от nimax, когда величина фототока принимает значения равные 0,5 iфlmax. Найденные параметры излучения линий также заносятся в таблицу 2.
16. Определить и внести в таблицу 2 следующие значения: а) длин волн li, соответствующих углу поворота барабана ni; б) относительной спектральной чувствительности измерительной системы g(l); в) величины обратной линейной дисперсии монохроматора УМ-2 (dl/dl)l.
17. Рассчитать спектр излучения исследуемой лампы.
18. Построить на одном рисунке графики зависимостей iфl= f(l) и j(l) = f(l).
19. Используя формулу (4) рассчитать для нескольких длин волн в разных областях спектра спектральную ширину щели Dli.
20. Для тех же l рассчитать погрешность определения j(l)i , взяв за основу формулу (13). Принять, что точность задания величины спектральной чувствительности в Приложении 1 равна 5%, точность значений линейной дисперсии в Приложении 1 - 15%, t(l) по всему спектру принять равной (0,9 ± 0,05).
21. Обозначить на графике φ(l) = f(l) полученные значения Dli и Dj(l)i в масштабе рисунка, как показано на рис.7. Вертикальный размер перекрестья соответствует погрешности измерения φ(l), а горизонтальный - величине спектральной ширины щелей Dl при измерениях на длине волны li.
 |
22. По указанию преподавателя измерить спектр другой лампы или той же лампы, но с другими значениями ширины щелей.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется спектром излучения?
2. Что подразумевается под понятием "спектральная плотность излучения"?
3. Чем отличаются различные спектры излучения?
4. Как определить интервал выделяемых монохроматором длин волн?
5. Что такое обратная линейная дисперсия спектрального прибора?
6. Как можно измерить спектральную плотность излучения?
7. Какое значение при измерении спектров излучения имеют характеристики и конструктивные особенности монохроматора?
8. Какое значение при измерении спектров излучения имеют характеристики и конструктивные особенности регистрирующей системы?
9. В чем заключаются различия при измерениях спектров излучения в абсолютных и относительных единицах?
10. Как провести проверку градуировки монохроматора по длинам волн?
11. Как правильно выбрать шаг поточечного измерения спектра?
12. Как измерить излучение узкой линии?
13. В чем заключается и от чего зависит погрешность результатов измерения спектров излучения?
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Таблица 3
Данные о градуировке монохроматора УМ-2 по длинам волн,
обратной линейной дисперсии монохроматора dl/dl
и относительной спектральной чувствительности фотоэлемента Ф-25 g(l).
| n° | l, нм | g(l) | dl/dl | n° | l, нм | g(l) | dl/dl | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 0,65 | 4,24 | 0,95 | 9,05 | |||||
| 0,70 | 4,52 | 0,94 | 9,40 | |||||
| 0,75 | 4,72 | 0,92 | 9,60 | |||||
| 0,78 | 5,16 | 0,90 | 9,70 | |||||
| 0,80 | 5,39 | 0,88 | 10,31 | |||||
| 0,83 | 5,63 | 0,86 | 10,45 | |||||
| 0,83 | 5,72 | 0,84 | 10,83 | |||||
| 0,84 | 5,77 | 0,83 | 11,21 | |||||
| 0,84 | 5,82 | 0,82 | 11,61 | |||||
| 0,85 | 5,87 | 0,80 | 12,01 | |||||
| 0,86 | 5,92 | 0,79 | 12,85 | |||||
| 0,87 | 6,12 | 0,78 | 13,30 | |||||
| 0,88 | 6,22 | 0,76 | 13,73 | |||||
| 0,89 | 6,27 | 0,75 | 14,20 | |||||
| 0,90 | 6,38 | 0,74 | 14,36 | |||||
| 0,91 | 6,64 | 0,70 | 14,46 | |||||
| 0,92 | 6,69 | 0,68 | 16,10 | |||||
| 0,93 | 6,91 | 0,62 | 17,13 | |||||
| 0,94 | 7,10 | 0,60 | 17,66 | |||||
| 0,95 | 7,20 | 0,59 | 17,87 | |||||
| 0,95 | 7,31 | 0,58 | 18,10 | |||||
| 0,95 | 7,36 | 0,57 | 18,31 | |||||
| 0,96 | 7,60 | 0,56 | 18,53 | |||||
| 0,96 | 7,66 | 0,56 | 19,88 | |||||
| 0,97 | 7,68 | 0,52 | 21,80 | |||||
| 0,98 | 8,10 | 0,50 | 22,33 | |||||
| 8,40 | 0,45 | 24,30 | ||||||
| 0,98 | 8,72 | |||||||
| 0,96 | 8,91 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Таблица 4
Пример расчета спектра излучения газоразрядной лампы высокого давления № 3
при ширине щели а=0,1 мм
| n° | l, нм | g(l) | dl/dl | iф | j(l) |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 0,65 | 4,24 | 0,24 | |||
| 0,70 | 4,52 | 0,26 | |||
| 0,75 | 4,72 | 0,27 | |||
| 0,78 | 5,16 | 0,32 | |||
| 0,80 | 5,39 | 0,38 | |||
| 0,83 | 5,63 | 0,62 | |||
| 0,83 | 5,72 | 1,17 | |||
| 0,84 | 5,77 | 5,01 | |||
| 0,84 | 5,82 | 3,30 | |||
| 0,85 | 5,87 | 1,46 | |||
| 0,86 | 5,92 | 1,11 | |||
| 0,87 | 6,12 | 0,91 | |||
| 0,88 | 6,22 | 0,47 | |||
| 0,89 | 6,27 | 0,32 | |||
| 0,90 | 6,38 | 0,51 | |||
| 0,91 | 6,64 | 0,67 | |||
| 0,92 | 6,69 | 0,40 | |||
| 0,93 | 6,91 | 0,50 | |||
| 0,94 | 7,10 | 0,73 | |||
| 0,95 | 7,20 | 1,18 | |||
| 0,95 | 7,31 | 1,85 | |||
| 0,95 | 7,36 | 3,47 | |||
| 0,96 | 7,60 | 2,66 | |||
| 0,96 | 7,66 | 1,54 | |||
| 0,97 | 7,68 | 1,10 | |||
| 0,98 | 8,10 | 0,57 | |||
| 8,40 | 0,40 | ||||
| 0,98 | 8,72 | 0,66 | |||
| 0,96 | 8,91 | 0,38 | |||
| 0,95 | 9,05 | 0,45 | |||
| 0,94 | 9,40 | 0,33 | |||
| 0,92 | 9,60 | 0,30 | |||
| 0,90 | 9,70 | 0,33 | |||
| 0,88 | 10,31 | 0,32 | |||
| 0,86 | 10,45 | 0,36 | |||
| 0,84 | 10,83 | 0,36 | |||
| 0,83 | 11,21 | 0,60 | |||
| 0,82 | 11,61 | 0,43 | |||
| 0,80 | 12,01 | 0,30 | |||
| 0,79 | 12,85 | 0,32 | |||
| 0,78 | 13,30 | 0,47 | |||
| 0,76 | 13,73 | 0,70 | |||
| 0,75 | 14,20 | 0,76 | |||
| 0,74 | 14,36 | 1,10 | |||
| 0,70 | 14,46 | 2,40 | |||
| 0,68 | 16,10 | 2,21 | |||
| 0,62 | 17,13 | 0,07 | |||
| 0,60 | 17,66 | 0,84 | |||
| 0,59 | 17,87 | 1,90 | |||
| 0,58 | 18,10 | 1,00 | |||
| 0,57 | 18,31 | 1,24 | |||
| 0,56 | 18,53 | 1,70 | |||
| 0,56 | 19,88 | 1,45 | |||
| 0,52 | 21,80 | 0,80 | |||
| 0,50 | 22,33 | 0,43 | |||
| 0,45 | 24,30 | 0,37 |