光谱仪(摄谱仪)的原理和构成

来源:网络  作者:网络转载   2019-10-04 阅读:721

    摄谱仪是利用观察光源的仪器,它的作用是将来自光源的复合分解成按波长顺序排列的单色光,并把它记录下来。
    根据分光元件的不同,可分为棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪。根据记录光谱的方法不同,又可分为看谱镜法、摄谱法和光电法。这三种方法基本原理都相同,都是吧激发试样获得的复合光通过如何狭缝在分光元件上,使之色散成光谱,然后通过测量谱线而检测试样中的分析元素。而区别在于看谱法用人眼去接收,摄谱法用感光板接受,而光电法则用光电倍增管接收光谱辑射。今天重点摄谱法,下面根据两类产品来做下介绍:
    1.棱镜摄谱仪
    以棱镜为分光元件,用照相方式检测谱线强度的摄谱仪就称为棱镜摄谱仪。
    1)构造:其主要包含,座机,电弧电源电机架,聚光灯,狭缝,缝宽调节鼓轮,入射光管,棱镜方位调节鼓轮。棱镜罩,出射光管,看谱目镜,摄谱暗箱等,以下是棱镜摄谱仪的光学系统展示图片。

    照明系统:指光源到摄谱仪狭缝之间的这一部分。由透镜L组成。可分为单透镜和三透镜照明系统两类。其作用是:把光源的光聚焦于狭缝上,使尽可能多的光进人狭缝;让光源不同部位发出的光均勻地照射到狭缝的各个部位;并使光源电极头所发射出来的红热白炽光连续光谱不进入狭缝。
    准光系统:由狭缝S及准光镜O1构成,又称为准光管或平行光管。其作用是使进入狭缝的光经过准光镜后成为平行光束照射到单色益上。
    色散系统:由棱镜组成。其作用是经过准光镜O1后所得的平行光束,通过棱镜而产生色散现象,使不同波长的复合光分成按一定波长顺序排列的谱像。
    投影系统:包括暗箱物镜02及感光板F。其作用是:将色散后的单色光束,经物镜O2聚集在感光版面上,形成按波长顺序排列的狭缝像-光谱。
    2)分光原理
    它是根据光的折射现象进行分光的。
    在紫外及可见光谱区域,某一棱镜材料对光的折射率与光的波长之间满足经验公式:
    n=A+B/λ2+C/λ4
    根据式中可以得知,n为折射率,A,B,C均为与棱镜材料有关的常数;λ为光的波长,由式中可见,波长越长,折射率越小,根据光的折射定率:

    

    式中,i为入射角,r为折射角
    当包含不同波长的符合光通过棱镜时,不同波长的光就会因折射率不同而以不同的折射角r射出棱镜而分开,这就是棱镜的分光原理。
    3)色散率与分辨率
    色散率就是把不同波长的分光散开的能力,它可用角色散率和线色散率两种方法来表示。色散率表示两条波长相差dλ的光线被棱镜色散后所分开角度的大小,θ是入射角光与出射光之间的夹角,称为棱镜的偏向角。

    

    式中可得知,dn为两条波长为λ1和λ2的光线的折射之差,n为λ1和λ2波长的光线的折射率的平均值,A为棱角顶角。
    如果摄谱仪中安装数个相同的棱镜,且其位置都处在最小偏向角位置,则总的角色散率等于单个棱镜的角色散率乘以所用的棱镜的数目。

    

    线色散率:表示波长相差dλ的两条谱线在焦面上的距离为dl.
    线色散率的大小可用下列公式表示:
    线色散率的大小公式
    式中,f2为物镜焦距,ε为物镜脚面与主光轴之间的夹角。
    分辨率:这个指的是光学系统能够正确分辨出紧邻两条谱线的能力。一般用两条方便开的光谱线波长的平均值λ与其波长差dλ之比值表示,如式中表示:

    

    4)集光本领
    是摄谱仪光学系统传递辐射能的能力,直接影响谱线强度大小。常用入射于狭缝的光源度B为一个单位时,在感光板上所得到的的照度E来表示,当准直镜与暗箱物镜的有效孔径相等时,即:d1=d2,集光本领L的大小可以用下列公式表示。

    

    d2和f2都是暗箱物镜的直径和焦距,rπ为入射光的辐射通量与经过一些列棱镜后透射光辐射通量之比。从上式中可以看出,集光本领除了与光源宽度,光学元件的性质有关外,暗箱物镜的相对孔径对它是影响最大的,用相对孔径简介表示摄谱仪的集光本领。比值越大,集光本领越大。
    2.光栅摄谱仪
    以光栅为分光元件,用照相方式检测谱线强度的摄谱仪,称为光栅摄潜仪。
    (1)构造
    光源摄谱仪与棱镜摄谱仪一样,也逛由照明系统、准光系统、色散系统及摄影系统四部分组成。不同的地方,只是色散系统不一样而已。光栅光谱有两个不好的地方:
    ①谱级重叠现象。
    例如一级光谱中的6000A°谱线,将与二级光谱中的3000A°,三级光谱中的2000A。互相重叠,这将给分析工作者带来困难,一定要消除,常用消除这种干扰现象的方法有:
    -利用滤光片吸收干扰波长
    -利用感光板的灵敏区不同消除干扰波段
    -利用分级器消除干扰
    ②无用的零级光谱
    当m=0,β=-α任何波长的光可满足光栅方程。为了克服无零集光谱里集中了过强的光源强度,人们对光栅制作进行了革新。制除了闪耀光栅或叫强度定向光阑。其特点是在闪耀波长处将集中75%~80%的入射光辐射能,而在才波长的三分之二及三及二分之三处,光强下降40%。闪耀光栅波长可以通过光栅滑角来加以控制,闪耀光栅的闪耀波长与闪耀角之间满足:mλθ=2bsinθ,其中式中m是光谱级数,b是光栅常数。
    以上是关于两类产品的介绍,如有疑问可以多参一些考资料~~

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