Измерение спектров излучения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

j_l = ; (1)

где DФ_еl - поток излучения в спектральном интервале Dl при длине волны l.

Измеряется спектральная плотность излучения в единицах - .

Обычно источники излучения характеризуются относительным спектром излучения, нормируемым относительно максимального значения спектральной плотности излучения в данном спектре (см. рис.1 - 3).

j (l) = ; (2)

где j_lmax - максимальное значение спектральной плотности излучения в спектре;

l_max - длина волны, на которую приходится максимум спектра излучения, или длина волны, соответствующая положению наиболее интенсивной линии в спектре.

Использование представления спектров излучения в относительных значениях обусловлено тем, что для решения большинства спектрометрических задач достаточно значение соотношения интенсивностей различных волн в спектре излучения. Кроме того, измерение спектров излучения в относительных единицах значительно проще, чем в абсолютных.

Спектры излучения разделяются на сплошные, линейчатые, полосатые. Под сплошным понимается спектр, мощность излучения в котором нигде не равна нулю внутри пределов спектра излучения (рис.1). Сплошной спектр характерен для теплового излучения.

Рис. 1. Сплошной спектр излучения

Линейчатым называется спектр излучения, состоящий из серии отдельных линий излучения, обычно шириной менее 10 нм (рис.2). Линейчатые спектры характерны для излучения газового разряда.

Рис. 2. Линейчатый спектр излучения

Рис. 3. Полосатый спектр излучения

В полосатом спектре имеется несколько широких полос излучения, такие спектры характерны для люминесценции твердых тел и жидкостей (рис.3).

Часто спектры излучения представляют собой комбинацию перечисленных спектров.

Для подавляющего большинства источников спектральный состав излучения не зависит от направления распространения света, поэтому о спектре излучения источника в целом можно судить по результатам измерения спектра излучения в каком-либо одном выбранном направлении.

Измерения спектров излучения выполняется с помощью установок, состоящих из монохроматоров и приемников света, предварительно отградуированных по пропусканию и спектральной чувствительности. Свет от исследуемого источника света направляется на входную щель монохроматора. Через выходную щель монохроматора выходит монохроматический поток, ослабленный, по сравнению с падающим, в соответствующее число раз согласно спектральному коэффициенту пропускания оптической системы t_l. При правильно подобранных размерах входной а_вх и выходной а_вых щелей, когда выполняется условие:

а_вых = а_вх × ; (3) где f₁ и f₂ - фокусные расстояния объективов входного и выходного коллиматоров, спектральная область Dl, выделенного монохроматором потока излучения, равна:

Dl = а_вых × ; (4)

где - обратная линейная дисперсия спектрального прибора для установленной длины волны l. Величина Dl в выражении (4) называется спектральной шириной щели.

Поток излучения DФ'_{е l}, выделенный монохроматором при длине волны l, равен:

DФ'_{е l} = DФ_{е l} × t_l; (5)

Измерения потока света, вышедшего из монохроматора осуществляется с помощью приемника света. Приемник света подбирается из следующих соображений: спектральная область чувствительности приемника должная быть шире ожидаемого (или заданной области) спектра излучения; чувствительность должна быть достаточной для измерения наименьших значений спектральных плотностей излучения в спектре; световая характеристика должна быть линейной. Величина сигнала приемника света i_l при освещении его рабочей поверхности светом узкого спектрального диапазона Dl при длине волны l равна:

i_l = K × g_l × DФ'_{е l} = K × g_l × t_l × DФ_{е l}; (6)

K - коэффициент, учитывающий долю вышедшего из монохроматора поток излучения, попавшего на рабочую поверхность приемника света, а также коэффициент усиления усилителя тока.

Тогда спектральная плотность излучения потока света, падающего на вход монохроматора, при длине волны l может быть найдена по результатам измерения тока с учетом (4) и (6) следующим образом:

j_l = = ; (7)

g (l) = ; (8) t (l) = ; (9)

где g_lmax - максимальное значение спектральной чувствительности;

t_lmax - максимальное значение спектрального коэффициента пропускания.

С учетом (8) и (9) формулу (7) можно записать следующим образом:

j_l = = ; (10) где b = K × a_вых × g_lmax × t_lmax - коэффициент, не зависящий от длины волны.

Тогда

j'(l) = b × j_l = ; (11)

Величина j'(l) прямо пропорциональна спектральной плотности излучения j (l), а зависимость j'(l) = f (l), рассчитанная по формуле (11), отражает истинное соотношение интенсивностей излучения различных длин волн, но размерность этой величины . Относительную спектральную плотность излучения j (l) можно определить по формуле:

j (l) = ; (12)

или

j (l) = ; (13)

где j¢(l)_max - наибольшее значение величины j¢(l) в спектре излучения;

l_max - длина волны, на которую приходится j¢(l)_max;

i_фlmax,, g(l)_lmax,, t(l)_lmax , , - соответственно фототок, относительная спектральная чувствительность, относительное пропускание и обратная линейная дисперсия, соответствующие l_max.

Таким образом, для измерения относительной спектральной плотности излучения, кратко называемой спектром излучения, достаточно знать спектральные значения линейной дисперсии монохроматора, если она зависит от длины волны, а также относительных спектральных характеристик чувствительности фотоприемника и пропускания оптической системы. При этом, в случае линейной световой характеристики приемника света и постоянства коэффициента усиления, а эти условия обязательны для измерительной системы, значения i_фl могут выражаться любым способом - в миллиамперах, делениях шкалы и т.п..

Для решения задачи измерения спектральной плотности излучения в абсолютных единицах -— , должна быть проведена градуировка измерительной установки по эталонному источнику излучения, для которого известно распределение спектральной плотности излучения в интересуемой области спектра в соответствующих единицах. С целью градуировки на данной установке производится измерение спектра излучения эталонного источника и определяется спектральный градуировочный коэффициент установки С_l:

С_l = ; (14)

где j_lэт - спектральная плотность излучения эталонного источника излучения;

i_фlэт - показания измерительной системы, при измерении спектра эталонного источника.

Тогда спектральная плотность излучения исследуемого источника, при соблюдении тех же условий измерения, что и для эталонного, находится из выражения:

j_l = С_l × i_фl; (15)