Р ис.1.10. Призменный монохроматор

Однако в современных приборах чаще вмонтированы призмы Литтрова, представляющие собой половину правильной призмы, одна из сторон которой посеребрена. Излучение входит в призму и выходит через одну и ту же грань (рис.1.11).

Рис.1.11. Призма Литтрова

Разложение света дифракционными решетками основано на явлениях дифракции и интерференции. Дифракционные решётки бывают пропускающими и отражательными. Пропускающая решётка представляет собой пластинку из прозрачного материала, например стекла, на которую вручную или специальной машиной наносят параллельные штрихи. Излучение проходит через прозрачные полосы и разлагается на интерферирующие между собой лучи разной длины волны (рис.1.12).

Отражательную решётку изготавливают из металлической пластинки, на которую нарезают канавки определенного профиля (рис.1.13). Лучи, попадая на выступы решетки, отражаются и интерферируют. В результате происходит разложение света на дифракционной решетки – очень скурпулезная работа. Ее выполняют при помощи точного и чувствительного прибора, называемого делительной машиной, которая прочерчивает точечным алмазом тонкие параллельные линии. В спектрографах и спектрофотометрах обычно используют реплики. их изготавливают, заливая оригинальную решетку пластичным материалом; после затвердевания отливку снимают и укрепляют ее на твердой основе. Искусство изготовления реплик достигло такого совершенства, что эти решетки почти не отличаются от оригинальных. Решетки высшего качества изготавливают при помощи лазера способом голографии. Стеклянную пластинку покрывают фотоэмульсией и освещают одновременно двумя потоками от одного и того

Рис.1.12.Пропускающая дифракционная решетка: d-период решетки

же лазера, в результате чего на эмульсии получается интерференционная картина из параллельных полос. После проявления на пластинке появляется ряд параллельных линий, которые составляют прекрасную дифракционную решетку.

Р ис.1.13. Отражательная дифракционная решетка: d-период решетки; -угол отражения

Монохроматор включает в себя входной коллиматор, диспергирующую систему и выходной коллиматор или камеру (рис.1.14) Входной коллиматор состоит из входной щели 1 и фокусирующего элемента 2 (линзы или вогнутого зеркала), преобразующего расходящийся от щели пучок излучения в параллельный. Диспергирующая система 3 разлагает параллельный пучок света на его монохроматические составляющие, которые характеризуются определенными углами отклонения . Объектив 4 выходного коллиматора (камеры) фокусируют эти монохроматические пучки в фокальной плоскости, образуя совокупность монохроматических изображений входной щели – спектр. М онохроматический спектр проходит через выходную щель 5 и попадает на приемник излучения.

Рис.1.14. Принципиальная схема монохроматораэ

Н а рисунке 1.15 представлена одна из наиболее распространенных оптических систем монохроматора – автоколлимационная. Лучистый поток сложного спектрального состава проходит через входную щель 1 и попадает на параболическое зеркало 4; отразившись от него, параллельный пучок проходит через диспергирующую призму 5, а затем, разложенный призмой спектр отражается от плоского зеркала 6, проходит через призму 5 в обратном направлении (при этом увеличивается разделение монохроматических пучков и фокусируется зеркалом 4 с помощью поворотного зеркала 3 на выходную щель 2. Перемещение спектра относительно выходной щели 2 (сканирование) осуществляется посредством совместного вращения призмы 5 и плоского зеркала 6 (или только зеркала).

Рис.1.15. Схема автоколлимационного монохроматора

Приемники излучения (детекторы)

Визуальный детектор (глаз). Приборы с визуальной регистрацией излучений, в которых детектором служит глаз, пригодны для работы только в видимой области спектра: глаз человека чувствителен к излучениям с длинами от 400 до700нм с максимумом чувствительности в зеленой области (=550нм). В прецизионных приборах используются объективный способ оценки интенсивности потоков излучений, основанный на применении светочувствительных датчиков или фотографических пластинок (для получения зависимости поглощения от длины волны необходимо измерять на фотоэлектрическом микрофотометре интенсивность почернений на фотопластинке при соответствующих длинах волн).

Приемники лучистой энергии подразделяются на две группы: к одной из них относятся тепловые приемники, а к другой – фотоэлектрические. Тепловые приемники обладают сравнительно высокой инерционностью, фотоэлектрические – практически безинерционны. При измерениях в ультрафиолетовой и видимой областях спектра в качестве приемников излучения обычно используются фотоэлементы с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные) и фотоумножители. В качестве приемников инфракрасного излучения широко применяются фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления) и ряд тепловых приемников (болометры, термоэлементы и оптико-акустические приемники.

Фотоэлементы превращают световую энергию в электрическую. В фотоелементах используется явление фотоэффекта (открытое А.Г. Столетовым в 1888г.) заключающееся в том, что под действием света с поверхности различных тел вырываются электроны, вследствие чего данное тело приобретает заряд. Причем это явление наблюдается только при условии, если энергия наблюдается только при условии, если энергия светового кванта больше работы, необходимой для отрыва электрона с поверхности данного вещества, и сообщения ему некоторой кинетической энергии.

По принципу действия фотоэлементы подразделяются:

-фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные);

-фотоэлементы с внешним фотоэффектом;

-фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления).

Фотоэлемент с запирающим слоем (рис.1.16) состоит из железной пластинки, покрытой слоем полупроводника, например селена, на слой селена нанесена тонкая полупрозрачная пленка золота или платины. На границе соприкосновения полупроводника с металлом образуется тонкий слой, обладающий односторонней проводимостью, так называемый запирающий слой. Этот слой пропускает электроны от полупроводника к металлу, но не пропускает их обратно. При освещении фотоэлемента электроны выбиваются фотонами из атомов селена: Se⁰ + h  Se⁺ + e .

Рис.1.16. Схема фотоэлемента с запирающим слоем

1-железная пластинка; 2-полупроводник; 3-запирающий слой; 4-полупрозрачная пленка золота или платины; 5-гальванометр

Из слоя селена электроны попадают в слой золота (или платины) и заряжают его отрицательно. В обратном направлении электроны проходить не могут из-за наличия запирающего слоя. В результате на границе полупроводника и проводника (золота или платины) возникает разность потенциалов, и во внешней цепи появляется электрический ток, который измеряют гальванометром. Возникающий фототок I прямопропорционален интенсивности подающего светового потока I: I=kI. Для различных фотоэлементов существует спектральная область, в которой наблюдается фотоэффект, т.е. фотоэлементы имеют определенную спектральную характеристику. Например, для селенового фотоэлемента область спектральной чувствительности находится в диапазоне 300-800нм, при этом максимум чувствительности в диапазоне 500-600нм.

Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы представляют собой сходные по конструкции устройства (рис.1.17): внутри кварцевого или стеклянного баллона 1 находятся электроды - анод 2 и фотокатод 3, между которыми создается разность потенциалов за счет внешнего источника питания 5; последовательно с фотоэлементом и источником питания, как правило, вводится защитное сопротивление 6 и электроизмерительный прибор 4. Давление внутри баллона вакуумного фотоэлемента составляет 10^-8 мм рт. ст., в баллоне газонаполненного фотоэлемента 0,2 мм рт. ст. (для заполнения фотоэлементов обычно применяют аргон). Фотокатод покрыт слоем соединения щелочного металла Cs₂O, Cs₃Sb, K₂CsSb и др.), испускающего электроны при попадании на него фотонов. Если к катоду и аноду приложить внешнее напряжение 90В, то возникает электрический ток, который измеряют гальванометром. Из фотоэлементов с внешним фотоэффектом наиболее распространены сурьмяноцезиевый (185-6507нм) для УФ- и видимой областей спектра и кислородноцезиевый (650-1000нм) для ближней ИК-области.

Рис.1.17. Принципиальная схема вакуумного фотоэлемента.

Фотоумножителями (рис.1.18) принято называть вакуумные фотоэлементы, в которых для усиления фототока используется явление вторичной эмиссии. Внутри кварцевого или стеклянного баллона 1 находится фотокатод 4, несколько электродов-эмиттеров (динодов), соединенных между собой, и анод 2. На каждый динод подается напряжение на 90В больше, чем на предыдущий. Электрон, выбитый из фотокатода под действием фотона, попадает на первый динод и вызывает испускание n электронов, которые устремляются ко второму диноду и снова вызывают эмиссию n электронов и т. д. Электроны, испускаемые динодами называют вторичными. Общее количество электронов равно n^m, где m - число динодов. Пусть n=4 и число динодов 12, тогда общее число электронов, получающихся при попадании на фотокатод одного-единственного фотона, равно 1710⁶, что составляет ток 0,5 мА. Спектральная чувствительность ФЭУ определяется материалом катода, которые чаще всего бывают цезиевыми или сурьмяно-цезиевыми.

При небольших световых потоках, попадающих на детектор (например, если раствор сильно поглощает свет и через него проходит лишь небольшая доля исходного потока), используют счетчики фотонов, которые в сочетании с электронным устройством позволяют фиксировать импульсы от отдельных фотонов.