Спектрометр

Принципиальная схема спектрометра

Спектрометр (лат. spectrum от лат. spectare — смотреть и метр от др.-греч. μέτρον — мера, измеритель) — оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для накопления спектра, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов. Анализируемый спектр получается путем регистрации флуоресценции после воздействия на исследуемое вещество каким-либо излучением (рентгеновским или лазерным излучением, искровым воздействием и др.). Обычно измеряемыми величинами являются интенсивность и энергия (длина волны, частота) излучения, но могут регистрироваться и другие характеристики, например, поляризационное состояние. Термин «спектрометр» применяется к приборам, работающим в широком диапазоне длин волн: от гамма до инфракрасного диапазона.

Методы регистрации спектров

Для регистрации спектра могут использоваться полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счётчики, либо детекторы на базе ПЗС линейки или ПЗС матрицы. Спектрометры могут различаться по спектральному диапазону, спектральной чувствительности, оптической схеме. При интерпретации спектров в большинстве случаев производится сравнение полученного спектра со спектром вещества известного состава. Ранние спектроскопы представляли собой простые призмы с градуировкой, обозначающей длины волн света, в современных приборах также используется дифракционная решётка.

Типы спектрометров

Различают следующие типы спектрометров:

• рентгенофлуоресцентный спектрометр,
• искровой оптико-эмиссионный спектрометр,
• лазерный спектрометр,
• ИК-спектрометр,
• спектрометр индуктивно-связанной плазмы,
• атомно-абсорбционный спектрометр,
• масс-спектрометр,

и другие.

История

Предком спектрометра является спектроскоп. Спектроскоп был изобретён Йозефом Фраунгофером в начале XIX века. В нём свет прошедший через щели и коллимирующие линзы превращался в тонкий пучок параллельных лучей. Затем свет проходил через призму, которая за счёт дисперсии расщепляла пучок на спектр (разные длины волн отклоняются на разные углы). Изображение наблюдалось через трубку со шкалой, накладываемой на спектральное изображение, позволяя таким образом проводить измерения.

С изобретением фотографической пленки был создан более точный прибор: спектрограф. Работая по такому же принципу, он имел фотокамеру вместо наблюдательной трубки. В середине двадцатого века камера сменилась трубкой электронного фотоумножителя, что позволило значительно увеличить точность и проводить анализ в реальном времени.

Современные спектрометры оснащены цифровыми камерами для просмотра в реальном времени, работают с компьютерами и коммутаторами, обладают встроенными охладителями и контрольными системами.

Применение

Спектроскопы часто используются в астрономии и некоторых направлениях химии. Их основные области применения:

• Научные исследования
• Контроль качества на производстве
• Экология и охрана окружающей среды: определение тяжелых металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях и др.
• Геология и минералогия: качественный и количественный анализ почв, минералов, горных пород и др.
• Металлургия и химическая индустрия: контроль качества сырья, производственного процесса и готовой продукции
• Лакокрасочная промышленность: анализ свинцовых красок
• Ювелирная промышленность: измерение концентраций ценных металлов
• Нефтяная промышленность: определение загрязнений нефти и топлива
• Пищевая промышленность: определение токсичных металлов в пищевых ингредиентах
• Сельское хозяйство: анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах
• Археология: элементный анализ, датирование археологических находок
• Искусство: изучение картин, скульптур, для проведения анализа и экспертиз

См. также

• Анализатор спектра
• Спектроскоп
• Рентгенофлуоресцентный спектрометр
• Волнодисперсионный спектрометр
• Портативный спектрометр
• Атомно-абсорбционный спектрометр

Литература

• J. F. James and R. S. Sternberg (1969), The Design of Optical Spectrometers (Chapman and Hall Ltd)
• James, John (2007), Spectrograph Design Fundamentals (Cambridge University Press) ISBN 0521864631
• Browning, John (1882), How to work with the spectroscope : a manual of practical manipulation with spectroscopes of all kinds
• Palmer, Christopher, Diffraction Grating Handbook, 6th edition, Newport Corporation (2005). [1]

Внешние ссылки

На русском языке

• Словари и энциклопедии на Академике
• X-ray spectroscopy
• Спектрометрия и приборы
• Спектрометры и неразрушающий контроль состава вещества
• методы рентгенофлуоресцентного анализа

На английском языке

• Grating Monochromator and Spectrographs
• Optical systems using plane gratings
• Optical systems using concave gratings
• The Optics of Spectroscopy Tutorial
• How to design a spectroscope
• A CD spectrometer Build from CD and cereal box - Spectrographs of common light sources
• Supplement: Build Yourself a Simple Hand-Held Spectrograph Sample spectra
• SPECTROSCOPY FOR THE SCHOOL Build a simple spectroscope from a CD
• CD spectrometer CD + cardboard tube or cereal box
• Building a simple spectroscope. Construction photos, razor-blade slit
• MiniSpectroscopy displays a visual representation (a "spectroscope view") of a sample spectrum simultaneously with a graphical (intensity vs. wavelength) representation.

|caption = |acronym = |other_names = Spectrograph |uses = |related = Mass spectrograph }}

Comparison of different diffraction based spectrometers: Reflection optics, refraction optics, fiber optics

Spectroscopes are often used in astronomy and some branches of chemistry. Early spectroscopes were simply prisms with graduations marking wavelengths of light. Modern spectroscopes generally use a diffraction grating, a movable slit, and some kind of photodetector, all automated and controlled by a computer. The spectroscope was invented by Joseph von Fraunhofer.

When a material is heated to incandescence it emits light that is characteristic of the atomic makeup of the material. Particular light frequencies give rise to sharply defined bands on the scale which can be thought of as fingerprints. For example, the element sodium has a very characteristic double yellow band known as the Sodium D-lines at 588.9950 and 589.5924 nanometers, the color of which will be familiar to anyone who has seen a low pressure sodium vapor lamp.

In the original spectroscope design in the early 19th century, light entered a slit and a collimating lens transformed the light into a thin beam of parallel rays. The light then passed through a prism (in hand-held spectroscopes, usually an Amici prism) that refracted the beam into a spectrum because different wavelengths were refracted different amounts due to dispersion. This image was then viewed through a tube with a scale that was transposed upon the spectral image, enabling its direct measurement.

With the development of photographic film, the more accurate spectrograph was created. It was based on the same principle as the spectroscope, but it had a camera in place of the viewing tube. In recent years the electronic circuits built around the photomultiplier tube have replaced the camera, allowing real-time spectrographic analysis with far greater accuracy. Arrays of photosensors are also used in place of film in spectrographic systems. Such spectral analysis, or spectroscopy, has become an important scientific tool for analyzing the composition of unknown material and for studying astronomical phenomena and testing astronomical theories.

In modern spectrographs in the UV, visible, and near-IR spectral ranges, the spectrum is generally given in the form of photon number per unit wavelength (nm or μm), wavenumber (μm⁻¹, cm⁻¹), frequency (THz), or energy (eV), with the units indicated by the abscissa. In the mid- to far-IR, spectra are typically expressed in units of Watts per unit wavelength (μm) or wavenumber (cm⁻¹). In many cases, the spectrum is displayed with the units left implied (such as "digital counts" per spectral channel).

A comparison of the four abscissa types typically used for visible spectrometers.

A comparison of the four abscissa types typically used for infrared spectrometers.

Spectrographs

A very simple spectroscope based on a prism

A spectrograph is an instrument that separates an incoming wave into a frequency spectrum. There are several kinds of machines referred to as spectrographs, depending on the precise nature of the waves. The first spectrographs used photographic paper as the detector. The star spectral classification and discovery of the main sequence, Hubble's law and the Hubble sequence were all made with spectrographs that used photographic paper. The plant pigment phytochrome was discovered using a spectrograph that used living plants as the detector. More recent spectrographs use electronic detectors, such as CCDs which can be used for both visible and UV light. The exact choice of detector depends on the wavelengths of light to be recorded.

An echelle spectrograph uses two diffraction gratings, rotated 90 degrees with respect to each other and placed close to one another. Therefore an entrance point and not a slit is used and a 2d CCD-chip records the spectrum. Usually one would guess to retrieve a spectrum on the diagonal, but when both gratings have a wide spacing and one is blazed so that only the first order is visible and the other is blazed that a lot of higher orders are visible, one gets a very fine spectrum nicely folded onto a small common CCD-chip. The small chip also means that the collimating optics need not to be optimized for coma or astigmatism, but the spherical aberration can be set to zero.

A spectrograph is sometimes called polychromator, as an analogy to monochromator.

See also

• List of light sources
• Photometry (optics) Main Photometry/Radiometry article - explains technical terms
• Spectroscopy
• Circular Dichroism
• Mass spectrometer
• Monochromator
• Czerny-Turner monochromator
• Scanning Mobility Particle Sizer

-->