Дифракционный спектроскоп

Решетчатый спектроскоп

Спектр получается благодаря дифракционной решетке, состоящей из тонкой пластины, на которой выгравированы крошечные параллельные щели. Когда падающий свет попадает на эту пластину, она дифрагируется. Еще есть «радуга». »Дифракционная решетка помещена внутри трубки, образующей диафрагму . На одном конце находится окуляр, через который наблюдатель смотрит на спектр; на другом конце щель.

Внутри тубуса: наклонная пластина и линза.

Формируемый спектр линейный.

В принципе и при использовании обоих типов спектроскопов предпочтительно, чтобы красный цвет появлялся слева, а пурпурный — справа. В Соединенных Штатах, однако, это обычное, если не обычное, наблюдение этих цветов в обратном порядке: красный справа, фиолетовый слева (для этого нет причин, все зависит от желаемого обращения и желаемого порядка. , нет соглашения, регулирующего использование спектроскопа)

Также предпочтительно наблюдать спектры в темной комнате, используя непоглощающий белый свет (позволяющий проходить непрерывному спектру, см. Выше).

Драгоценный камень или сырье должны быть полупрозрачными или прозрачными. Непрозрачность не пропускает свет, спектр не будет виден.

Материалы можно тестировать двумя разными способами. При прямом или отраженном свете.

Примеры диагностических спектров поглощения и их причины.

Сапфир синего  : черная линия при 450 нм в синий цвет. Хромирующий элемент, отвечающий за абсорбцию: железо . Поскольку железо является примесью, камень называют аллохроматическим.

Перидот (зеленый): как правило , тонкая полоса при 493 нм, 473 нм до линии, одна линия на 453 нм, а группа из 435 до 400 нм. Хромирующий элемент, отвечающий за абсорбцию: также железо. Поскольку железо является неотъемлемой частью химического состава перидота, камень считается идиохроматическим.

Мы обнаружили, что в обоих случаях железо поглощает около 450 нанометров.

Будьте осторожны, спектроскоп определенно показывает диагностические спектры, но не всегда помогает отличить синтетические материалы от натуральных. Кроме того, не все драгоценные камни обязательно производят призрак. Иногда бывает трудно отличить перидот, например, от циркона .

Хотя в идеале циркон состоит из примерно пятидесяти или более тонких линий различной интенсивности, отчетливая линия на 653 нм должна быть хорошим индикатором спектра поглощения урана в цирконе.

Дифракционный спектрометр

Дифракционный спектрометр ДФС-12 ( рис. 278) относится к однолучевым приборам. Основой спектрометра является двойной монохроматор со сложением дисперсии.
 

Дифракционные спектрометры высокого разрешения — это уникальные приборы, разработанные и построенные в крупных научных учреждениях. В табл. 1 дан их перечень на настоящее время.
 

Жираром , представляет собой обычный дифракционный спектрометр ( схема Литтрова), в котором входная и выходная щели заменены растрами — системами прозрачных и непрозрачных полос, ограниченных равноотстоящими гиперболами. Затем пучки падают на внеосевое параболическое зеркало 6, разлагаются в спектр дифракционной решеткой 7 и фокусируются зеркалом 6 на поверхности выходного растра 8, проектируя на него поочередно два изображения растра 5 ( в проходящем и отраженном свете), являющиеся дополнительными друг к другу — светлым полосам одного изображения соответствуют темные полосы второго, и наоборот.
 

Голей предложил увеличить светосилу дифракционного спектрометра, заменив щели растрами. Сохраняя привычную и хорошо разработанную конструкцию обычных дифракционных приборов, растровые спектрометры по способу регистрации, виду аппаратной функции сходны с сисамами.
 

В последние годы наряду с усовершенствованием обычных приз-менных и дифракционных спектрометров для дальней инфракрасной области успешно развивается принципиально иной экспериментальный метод — интерферометрия. В практике химических исследований для абсорбционных измерений используют интерферометры различных типов, например интерферометр Фабри-Перо и ламеллярные решетки, однако наибольшее распространение, пожалуй, получили варианты интерферометра Майкельсона.
 

Оценим эту величину, когда сканирующий прибор — щелевой дифракционный спектрометр.
 

Преимущество в светосиле интерферометра Ф — П перед дифракционным спектрометром связано с тем.
 

Расположение электродов в рентгеновской трубке для получения пучка под скользящим углом.

Экспериментальная установка для наблюдения рентгеновской дифракции по существу аналогична оптическому дифракционному спектрометру, но, так как для рентгеновских лучей нельзя использовать линзы и зеркала, внешне она сильно отличается от оптического прибора.
 

За нормали I класса принимают такие точно измеренные на дифракционном спектрометре линии испускания или отдельные полосы поглощения, которые являются одиночными, симметричными и достаточно узкими. Первому требованию удовлетворяют те линии и полосы, структура которых не может быть выявлена призменным прибором из-за его ограниченной разрешающей способности. Последнее требование означает, что максимум линии или полосы должен быть настолько острым, чтобы определение его положения не вносило дополнительной ошибки.
 

Запись интерферограммы с помощью вспомогательного источника. I, — источник света. L, — коллиматорная линза. Mt, Мг — зеркала интерферометра. М3 — светоделительное зеркало. L, — линза. S, — диафрагма. Р — при-емьик излучения. 12 — вспомогательный управляемый источник света. S2 — щель. F — фотопластинка.

Суть метода состоит в том, что в фокальной плоскости обычного дифракционного спектрометра помещается многощелевая диафрагма, ширина которой равна удвоенному спектральному интервалу ДА, ограниченному выходным отверстием прибора. Иначе говоря, отдельные прозрачные и непрозрачные элементы диафрагмы перекрывают спектральные интервалы, меняющиеся в пределах от б А, до / сбА, где k — небольшое целое число.
 

Аппаратура спектральной регистрации свечения удаленной лазерной искры включает фокусирующую линзу, дифракционный спектрометр, многоканальное координатное устройство с коллекторным световодом и блоком ФЭУ с усилителями.
 

В связи с этим приведенный пример может служить образцом рационального совместного использования классического дифракционного спектрометра и перестраиваемого диодного лазера для получения прецизионной количественной спектральной информации.
 

Майкельсона и Фабри — Перо в несколько сот раз больше, чем светосила дифракционного спектрометра равной разрешающей силы.
 

Виды спектрометров

• Блескомер. Это спектрометр, ориентирующийся на измерение блеска.
• Спектрофотометр. С помощью этого устройства анализируется спектральный состав посредством определения длины электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Выходные данные представляются в виде фотометрии и могут применяться для контроля печати.
• Колориметр. Это прибор для измерения интенсивности и температуры оттенков с поправкой на контрольную цветовую шкалу.
• Экспонометр. Определяет экспозицию в фотографии и кинематографии.
• Спектрорадиометр. В его основе — оптическая система, накапливающая спектры и производящая их подсчет. 
• Яркометр. Устройство, определяющее яркость световых источников.
• Люксметр. Этот аппарат представляет сведения об освещенности.

Многофункциональные промышленные спектрометры способны работать со светом, красками и другими рабочими средами в контексте изучения разных параметров.

Принцип действия прибора «Спектроскан»

Принцип действия приборов «Спектроскан» фактически описан в его развернутом названии, приведенном в начале этой страницы.

Портативный

Существующие в России и в мире приборы для рентгенофлуоресцентного анализа весят сотни килограмм, а то и тонны, потребляют многие киловатты электроэнергии, требуют для своего размещения отдельного помещения, представляют радиационную опасность для персонала. В отличие от них, «Спектроскан» построен по оригинальной светосильной рентгенооптической схеме, в тысячи раз превышающей по своей чувствительности и эффективности традиционные. Благодаря этому, «Спектроскан» сохраняет высокие аналитические параметры, несмотря на примененный в нем маломощный источник питания рентгеновской трубки, в тысячи раз менее мощный, чем в традиционных приборах. В результате этого рентгеновское излучение прибора «Спектроскан» в тысячи раз меньше, что сняло требования к радиационной защите персонала, позволило уменьшить габариты и массу прибора и привело в итоге к новому качеству – созданию небольшого настольного высокочувствительного прибора «Спектроскан».

Рентгенофлуоресцентный

Аппарат «Спектроскан» относится к приборам для рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Это означает, что в нем используется источник первичного рентгеновского излучения – рентгеновская трубка – для облучения анализируемого образца, в результате чего сам образец начинает излучать (флуоресцировать) в рентгеновском диапазоне длин волн электромагнитного излучения. Излучаемый спектр является характеристическим и однозначно соответствует элементному составу анализируемого образца. Атомы каждого химического элемента имеют свой набор спектральных линий в указанном диапазоне, который характерен только для данного элемента. Поэтому по наличию или отсутствию во вторичном спектре излучения образца конкретных линий (так называемых характеристических линий того или иного элемента) можно судить о наличии или отсутствии данного элемента в составе образца, а по амплитуде (то есть «яркости») соответствующих линий – о количественном содержании (концентрации) данного элемента.

Кристалл-дифракционный

В аппарате «Спектроскан» реализован один из нескольких известных способов выделения характеристических линий того или иного элемента из вторичного спектра флуоресцентного излучения, а именно кристалл-дифракционный. «Спектроскан» использует волновые свойства электромагнитного излучения, а именно его способность преломляться (дифрагировать) на прозрачных или непрозрачных для него препятствиях (призмах, дифракционных решетках). Поскольку рентгеновское излучение имеет длины волн, измеряемые ангстремами, что сравнимо с межатомноми расстояниями в кристаллах, в качестве преломляющих (дифракционных) решеток для него возможно использовать некоторые монокристаллы. Дифракция рентгеновского излучения происходит на узлах кристаллической решетки такого монокристалла.

Сканирующий

В аппарате используется способ последовательной развертки спектра – линия за линией, то есть «прохождение спектра», называемое в физике электромагнитного излучения сканированием. С учетом высокой светосилы прибора «Спектроскан» и высокой степени автоматизации это не приводит к серьезному увеличению времени анализа по сравнению, скажем, со способом параллельной регистрации линий спектра, зато позволяет обозревать весь спектр без пропусков, что повышает надежность анализа.

«Спектроскан» – лучшее решение задач по элементному химическому анализу разнообразных объектов в различных отраслях человеческой деятельности – в промышленности и сельском хозяйстве, на транспорте, в науке и искусстве, медицине и криминалистике.

Портативные и стационарные аппараты

Портативные (мобильные, карманные) устройства внешне напоминают небольшие тестеры или мультиметры. Это компактные аппараты, которыми можно контролировать цвета на поверхностях со сложной геометрией, где невозможно применение стационарного оборудования. Приборы такого типа эффективно справляются с анализом разных покрытий.

Стационарный спектрометр – это более функциональный аппарат, обеспеченный мощными оптическими элементами и средствами обработки данных. Он имеет собственный микропроцессор с системой визуального представления зарегистрированных спектров. Пользователь может работать с собственным LCD-дисплеем и клавиатурой оборудования.

Что такое масс-спектрометры и в каких отраслях они применяются

Принцип работы этих приборов основан на измерении отношения массы атома к его заряду. На нейтральный атом не действуют ни магнитные, ни электрические поля. Но если добавить или отнять один или несколько электронов, он станет ионом. То, как он движется, определяет его масса и заряд. Если заряд известен, вычисляется его масса.

Функционируют масс-спектрометры следующим образом:

• Сначала исследуемый материал ионизируется выбиванием электронов из атома.
• Полученные ионы ускоряются так, чтобы каждый имел одинаковую кинетическую энергию.
• Производится отклонение ионов от траектории (чем меньше его масса, тем сильнее он отклоняется).
• Завершающий этап – детектирование пучка ионов, прошедших через прибор.

Так выглядит лабораторный масс-спектрометр

Масс-спектрометры применяются для определения относительного количественного состава атомов элемента (-ов) в смеси. Метод используется в:

• Химической промышленности.
• Металлургии.
• Пищевой отрасли и сельском хозяйстве.
• Медицине.

Нередко приборы попадают на вооружение к экологическим службам и отделам криминалистической экспертизы.

Принцип работы и конструкция УФ-спектрометра

Спектрофотометрический метод анализа основывается на избирательном поглощении молекулами определяемого компонента видимого света или ультрафиолетового излучения. Данные представляют в виде спектров поглощения вещества.

Спектр поглощения — это распределение по длинам волн (или частотам) интенсивности электромагнитного излучения при прохождении его через исследуемое вещество.

На практике для определения спектра поглощения вещества используют приборы, называемые спектрофотометрами. Работают они следующим образом. Исследуемое вещество помещают между источником и приемником излучения. Источник с помощью специальных устройств посылает излучение с определенной или меняющейся длиной волны. Приемник измеряет интенсивность излучения, прошедшего через образец, и регистрирует его.

Спектрометр представляет собой лабораторный прибор, который включает в себя источник излучения, монохроматор, кюветное отделение, фотометрический детектор и устройство обработки сигнала. Для вывода сигнала на экран монитора спектрометр подсоединяют к компьютеру. Источниками излучения могут служить специальные галогенные вольфрамовые, дейтериевые и ксеноновые лампы. Монохроматоры обычно построены на базе дифракционной решетки. Фотодиодные детекторы или фотоэлектрические умножители используют для регистрации сигнала.

Благодаря электронной микропроцессорной базе современных спектрометров, позволяющей выполнить необходимый пересчет и преобразование сигнала, возможен вывод результата анализа вещества непосредственно в единицах концентрации.

Схема УФ-спектрометра

Рис.3

Достоинства метода:

-высокая чувствительность

-точность

-быстрота анализа

-достаточно малое количество вещества

-простота в оборудовании и техники

Недостатки метода:

-спектры имеют небольшое число полос поглощения

-наложение спектров

-недостаточная избирательность

Призменный спектроскоп

Спектр преломления и рассеяния света создается серией призм. Наблюдаем « радугу ». (см. число Аббе , упругость)

Спектроскоп состоит из трубки. На одном конце трубки находится фокусное расстояние, через которое наблюдатель смотрит, на другом конце — щель.

Внутри трубки находится линза, а также ряд из трех или пяти призм, расположенных бок о бок и сделанных из двух разных типов стекла, которые чередуются, чтобы луч света, проходящий через структуру, был как можно более прямым.

Призмы не должны поглощать свет ни при каких обстоятельствах и не должны быть двулучепреломляющими .

Призменный спектроскоп показывает нелинейный спектр .

Задачи спектрометрии

Общее назначение спектрометра — средство анализа, которое дает представление о различных веществах и отдельных параметрах конденсированных сред.

Существуют универсальные модели с расширенными эксплуатационными характеристиками, но для работы с такой аппаратурой требуются специальные механические манипуляции.

Для чего используют спектрометры универсального и специализированного назначения? Первые подходят для генерации параметров серийных импульсов с помощью частотной гребёнки, а вторые применяются для узких задач, связанных с однотипными замерами в определенных условиях.

Также получили распространение квантовые модели спектрометров, которые находят применение в потоковом сканировании материалов, производя контроль широкого диапазона разных веществ и сред на высокой скорости.

Спектрографы

Очень простой спектроскоп на основе призмы

KMOS спектрограф.

Горизонтальный солнечный спектрограф в Чешском астрономическом институте в Ондржейове, Чешская Республика

Спектрограф — это инструмент, который разделяет свет по длинам волн и записывает эти данные. Спектрограф обычно имеет многоканальную детекторную систему или камеру, которая обнаруживает и записывает спектр света.

Этот термин был впервые использован в 1876 году доктором Генри Дрейпером, когда он изобрел самую раннюю версию этого устройства, и которое он использовал, чтобы сделать несколько фотографий спектра Веги . Эта самая ранняя версия спектрографа была громоздкой в ​​использовании и сложной в управлении.

Есть несколько видов машин, называемых спектрографами , в зависимости от точной природы волн. В первых спектрографах в качестве детектора использовалась фотобумага . Фитохром пигмента растений был обнаружен с помощью спектрографа, который использовал живые растения в качестве детектора. В более поздних спектрографах используются электронные детекторы, такие как ПЗС-матрицы, которые можно использовать как для видимого, так и для УФ- света. Точный выбор детектора зависит от длины волны регистрируемого света.

Спектрограф иногда называют полихроматором по аналогии с монохроматором .

Звездный и солнечный спектрограф

Звезда спектральная классификация и открытие главной последовательности , закона Хаббла и последовательности Хаббла были все сделаны с спектрографа , которые использовали фотобумаги. Предстоящий космический телескоп Джеймса Уэбба будет содержать спектрограф в ближнем инфракрасном диапазоне ( NIRSpec ) и спектрограф в среднем инфракрасном диапазоне ( MIRI ).

Спектрограф Echelle

В спектрографе Echelle используются две дифракционные решетки , повернутые друг относительно друга на 90 градусов и расположенные близко друг к другу. Следовательно, используется точка входа, а не щель, и 2d CCD-чип записывает спектр. Обычно можно догадаться получить спектр по диагонали, но когда обе решетки имеют широкий интервал и одна светится так, что виден только первый порядок, а другой светится, что видно много более высоких порядков, получается очень Прекрасный спектр красиво уложен на небольшую обычную CCD-микросхему. Небольшой чип также означает, что коллимирующую оптику не нужно оптимизировать для комы или астигматизма, но сферическую аберрацию можно установить на ноль.

Назначение и возможности комплекса «Спектроскан»

Назначение комплекса «Спектроскан» — качественное и количественное определение ряда химических таблицы Менделеева в различных по агрегатному состоянию средах – твердых (как компактных, так и сыпучих), жидких и газообразных. Круг определяемых элементов различен для разных модификаций прибора «Спектроскан»: от одного элемента – серы S для спектрометра «Спектроскан S» до группы элементов от натрия Na до урана U для спектрометра «Спектроскан Макс GV»

«Спектроскан» – сложный по устройству, но простой в обращении, надежный, удобный и высокопроизводительный прибор, не имеющий аналогов в мире.

«Спектроскан» способен обеспечить решение очень широкого круга аналитических задач в различных областях:
Металлургия, горная промышленность и золотодобыча, нефтехимия, стекольная и цементная промышленность, экология, сельское хозяйство, пищевая промышленность, энергетика, машиностроение, транспорт авиационный, железнодорожный, морской и трубопроводный, переработка редких и драгоценных металлов, ювелирная промышленность, экспертиза и другие.

«Спектроскан» прост и надежен в работе. Для удобства пользователя приборов «Спектроскан» разработаны и аттестованы специализированные методики анализа различных объектов. Методики анализа позволяют получить наилучшие результаты по части пределов обнаружения, воспроизводимости и точности результатов анализа и не требуют высокой квалификации оператора.

Однако понимание устройства спектрометра «Спектроскан» и принципа его действия позволит Вам более эффективно его использовать и избежать многих ошибок при работе со спектрометром «Спектроскан».

Линейчатый спектр и его виды

Картина резко меняется, когда мы наблюдаем свечение, излучаемое разреженными газами. Спектр перестает быть непрерывным: в нём появляются разрывы, которые увеличиваются по мере разрежения газа. В предельном случае чрезвычайно разреженного атомарного газа спектр становится линейчатым.

Линейчатый спектр — спектр, который состоит из отдельных достаточно тонких линий.

Линейчатый спектр бывает двух видов:

• спектр испускания;
• спектр поглощения.

Спектр испускания

Предположим, что газ состоит из атомов некоторого химического элемента и разрежен настолько, что атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Раскладывая в спектр излучение такого газа (нагретого до очень высокой температуры), мы сможем наблюдать такую картину, как на картинке ниже.

Спектр испускания — линейчатый спектр, который состоит из тонких изолированных разноцветных линий, соответствующих тем длинам волн света, который излучается атомами.

Любой атомарный разреженный газ излучает свет с линейчатым спектром

Но наибольшую важность имеет то, что для любого химического элемента спектр испускания является уникальным. Поэтому по нему можно устанавливать, какой химический элемент находится перед нами

Он является своего рода идентификатором.

Поскольку газ разрежен и атомы мало взаимодействуют друг с другом, мы можем сделать следующий вывод:

Свет излучают атомы сами по себе. Следовательно, каждый атом характеризуется дискретным, строго определённым набором длин волн излучаемого света. У каждого химического элемента этот набор свой.

Спектр поглощения

Атомы излучают свет в процессе перехода из возбуждённого состояния в основное. Но вещество может не только излучать, но и поглощать свет. При поглощении света атом совершает обратный процесс — он переходит из основного состояния в возбуждённое.

Снова рассмотрим разреженный атомарный газ, но теперь в охлажденном состоянии (при довольно низкой температуре). Свечения газа в этом случае мы не увидим. В не нагретом состоянии газ не излучает свечение, так как атомов в возбуждённом состоянии оказывается для этого слишком мало.

Если сквозь охлажденный газ пропустить свет с непрерывным спектром, мы увидим следующую картину (см. рисунок ниже).

Спектр поглощения — темные линии на фоне непрерывного спектра, соответствующие тем длинам волн света, которые поглощаются атомами и излучаются впоследствии при сильном нагревании.

Объясним, откуда берутся темные линии. Под действием падающего света газовые атомы переходят в возбуждённое состояние. При этом оказывается, что для возбуждения атомов нужны не любые длины волн, а лишь некоторые, строго определённые для данного вида газа. Именно эти длины волн газ поглощает из падающего на него света.

Внимание! Газ поглощает те длины волн, которые излучает сам. Поэтому, цветные линии на спектре испускания соответствуют темным линиям на спектре поглощения

Если их сложить, можно получить непрерывный спектр.

На рисунке ниже сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия.

Глядя на спектры испускания и поглощения, ученые XIX века пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей и обладает некоторой внутренней структурой. Ведь что-то внутри атома должно обеспечивать процессы излучения и поглощения света.

Кроме того, уникальность атомных спектров говорит о том, что этот механизм различен у атомов разных химических элементов. Поэтому атомы разных химических элементов должны отличаться по своему внутреннему устройству.

Спектроскоп своими руками

Все комментарии Автора +15Mimin24 года назад Если ты скажешь, что на этой конференции ты не занял первое место, то значит кто-то там собрал коллайдер. раскрыть ветку 18 +9 4 года назад Я занял 3 место,дело в том что я плохо умею рассказывать,а это минус баллы раскрыть ветку 17 +33 4 года назад Я вот тоже решил, что ты рассказывать не умеешь. Прочитал твой пост и нифига не понял. Ну труба, ну кусочек диска засунут туда.. Дальше что? Теорию дай, я не понял как эта конструкция работает и каким образом ты спектр записал на веб камеру..Т.е. заинтересовать меня у тебя получилось, а удовлетворить моё любопытство нет раскрыть ветку 16 +8 4 года назад Респект. Прослезился. Завтра соберу и сниму спектр моего сгорающего в ведре диплома физика. +1 4 года назад Молодец парень! Обожаю спектральный анализ, порадовала знакомая тема:) +1 4 года назад А вот как мне в таком случае,например,получить спектр образца металла,чтобы изучить его качественный состав…Вот,у меня есть метеорит,хочется узнать из чего он 0 4 года назад Да я с этим на конференцию пойду XDD 0 4 года назад изящно, просто и красиво! 0 4 года назад а я сначала подумал фазик для ас.. 0 4 года назад Солнечный свет 0 3 года назад

Буду собирать!

0 3 года назад

Автор, прием! Срочно! Какой диаметр трубы?