Характеристика спектрального аппарата определяется оптической схемой и её параметрами. Невозможно сделать прибор, который по своим характеристикам удовлетворяет требованиям любой аналитической задачи. Поэтому выпускают довольно много различных типов спектральных аппаратов, что позволяет выбирать прибор с нужными данными.
1. Рабочая область спектра. Каждый спектральный аппарат рассчитан на работу в определённой области спектра:
- в видимой и УФ областях применяются и призменные, и дифракционные спектральные аппараты;
- в ИК области используют призменные приборы;
- в области вакуумного УФ применяютприборы с вогнутыми дифракционными решётками.
2. Линейная дисперсия (
) – показывает, как быстро изменяется расстояние между спектральными линиями в фокальной поверхности в зависимости от длины волны.
На рис.1 показан один и тот же спектр, полученный с помощью спектральных аппаратов, имеющих разную линейную дисперсию.
Рис.1. Один и тот же спектр, полученный с помощью спектральных аппаратов, имеющих разную линейную дисперсию.
= 
∙ 
, (1)
где f2 – фокусное расстояние объектива камеры для данной длины волны;
dβ – угол, под которым два световые пучка идут после призмы (или дифракционной решётки) по отношению друг к другу;
dλ – разность длин волн для двух световых пучков;
δ – угол наклона фокальной поверхности к оптической оси камеры.
Рис.2. О – объектив; δ – угол наклона фокальной поверхности к оптической оси камеры; Δβ – угол между линиями; Δl – расстояние между теми же линиями в фокальной поверхности.
Линейную дисперсию спектральных аппаратов принято характеризовать обратной величиной – фактором дисперсии (или обратной дисперсией), которая показывает число ангстремов или микрон, приходящихся на 1 мм длины спектра в фокальной поверхности прибора.
|
|
Зная линейную дисперсию прибора, легко определить расстояние между близкими линиями в спектре:
Δl = ∙ Δλ (2)
Наоборот, измерив расстояние в спектре между двумя линиями с известной длиной волны, вычисляют линейную дисперсию прибора для данной области.
Пользуясь формулой (2), можно найти ширину линии в фокальной поверхности спектрального аппарата, если известна её ширина в источнике света, выраженная в Å или мк.
3. Увеличение спектрального аппарата (g). Увеличение любого оптического прибора показывает отношение размера изображения к размерам объекта. В спектральном аппарате объектом служит щель, а изображением – спектральная линия.
g = 
(3)
где f1 и f2 – соответственно фокусные расстояния объектива коллиматора и камеры.
4. Спектральная ширина щели (Δλ).
Геометрическую ширину щели ( Sг ) спектральной линии в приборе можно легко вычислить:
Sг = g ∙ а,
где а – ширина щели.
Таким образом, линия имеет некоторую ширину, тем большую, чем шире щель, т.е. одна спектральная линия при работе с широко щелью занимает в фокальной поверхности участок, на котором при очень узкой щели должны были разместиться линии с длинами волн от λ1 до λ2 и спектральную ширину щели можно выражать через Δλ = λ2 - λ1.
Чем шире щель, тем больше её спектральная ширина Δλ. Если вместо длины волны применять волновые числа, то точно так же можно выражать спектральную ширину щели через Δω.
|
|
Воспользовавшись формулой (2) и принимая, что Δl = Sг, найдём зависимость спектральной ширины щели от её геометрической ширины и от параметров прибора:
Δλ = Sг ∙ 
= ga , (4)
или
Δω = 
∙ , (5)
т.к. Δω = 
- 
= 
= 
.
5. Разрешающая способность (R) – способность прибора давать раздельное изображение линий близкой длины волны.
Чем выше разрешающая способность прибора, тем более близкие по длине волны линии видны в спектре раздельно и тем боле детальное рассмотрение спектра допускает этот прибор.
R = 
(6)
где Δλ – разность длин волн двух соседних линий, которые прибор ещё способен разрешить; λ – средняя длина волны разрешаемых прибором линий: λ = 
.
Разрешающая способность прибора тем больше, чем уже линии и чем шире расстояния между их центрами можно получить на этом приборе.
Ширина линии зависит от ширины щели спектрального прибора. Казалось бы, уменьшением ширины щели можно добиться сколь угодно малой ширины спектральной линии. Однако практически геометрическое изображение щели можно получить только при достаточно широких щелях.
Т.е. даже если бы мы могли установить бесконечно узкую щель, монохроматические линии всё же имели бы некоторую конечную ширину. Основной причиной уширения спектральных линий при узких щелях является дифракция света на оптических деталях прибора. Поэтому минимальная ширина спектральной линии, которой можно достичь на данном приборе, называется дифракционной шириной линии S д.
SД = 
∙ f2, (7)
где d – действующее отверстие, равное сечению призмы (см. рис.3).
|
|
 | |||
 | |||
Рис.3. Действующее отверстие призмы d.
Известно, что дифракция проявляется тем заметнее, чем меньше размеры препятствия. В спектральном приборе световой поток, идущий от щели, ограничен размерами оптических деталей (объективов, диспергирующего элемента). Причём наименьшие размеры имеет диспергирующий элемент.
Теоретическаяразрешающая способность (RТ) характеризует прибор по разрешению, которое ограничено только дифракцией света на диспергирующем элементе. При расчёте Rт (по формуле (6)) все другие причины уширения линий не учитываются.
Практическая разрешающая способность (Rпр). кроме дифракции есть ещё ряд причин, приводящих к тому, что монохроматические пучки света, идущие от одной точки щели, оказываются непараллельными, и вследствие этого линии оказываются уширенными. К таким причинам относятся различного вида аберрации оптических деталей, немонохроматичность спектральных линий, ограниченная разрешающая способность приёмников света. Поэтому практическая разрешающая способностьспектральных приборов всегда несколько ниже теоретической.
Например, может оказаться, что при неисправленных на сферическую аберрацию объективах аберрационное уширение линий больше, чем дифракционное. В этом случае выгодно использовать диафрагмы, ограничивающие свет, проходящий через объективы. Несмотря на уменьшение действующего отверстия, которое в данном случае определяется размером диафрагмы, разрешение линий улучшится.
6. Нормальная ширина щели (ан) – это ширина щели, при которой геометрическая и дифракционная ширина линии равны между собой.
ан = λ ∙ 
(8)
При ширине щели большей, чем нормальная, общая ширина линии определяется в основном шириной щели. При ширине щели меньше нормальной основной вклад в ширину линии вносит дифракция. Поэтому как бы мы не уменьшали ширину щели, ширина линии в данном спектральном приборе не будет меньше значения дифракционной шириной линии Sд.
Т.к. спектральную линию нельзя сделать сколь угодно тонкой, то оказывается невозможным добиться разрешения любых близких спектральных линий.
Для того, чтобы линии оказались разделёнными, расстояние между их центрами (Δl) должно быть больше, чем дифракционная ширина каждой линии:
- когда Δl ≥ Sд, линии разрешены;
- при Δl < Sд, линии сливаются.
Нормальная ширина щели является одной из характеристик спектрального аппарата. Например, у кварцевого спектрографа ИСП-30 она равна 0,01 мм. При нормальной ширине щели достигается максимум использования теоретической разрешающей способности прибора.
7. Светосила прибора определяет эффективность использования энергии излучения, падающей на спектральный прибор.
Прибор с большей светосилой позволяет получить больше информации о составе пробы, а также уменьшить время анализа и количество исследуемого материала.
Светосила дисперсионных приборов, которыми пользуются в спектральном анализе, может различаться более, чем в 10 раз.
При выборе спектрального прибора для решения какой-либо аналитической задачи, необходимо учитывать все его характеристики. Чем сложнее спектр пробы, тем больше должны быть разрешающая способность и линейная дисперсия прибора, а чем меньше интенсивность линий и чем меньше проба, тем больше должна быть светосила прибора.