Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

жающеп поверхности как выпуклой, так п вогнутой стороной. Менисковые системы Айаксутова явллются светосильными оптиче­ скими системами с большим полем зрения и хорошим качеством

изображения. Изготовление менисков проще, чем изготовление корректирующих пластинок в системе Шмидта.

В некоторых инфракрасных приборах роль корректирующего мениска может выполнять обтекатель прибора. Зеркально-лпнзо-

Рнс. 6.32. Зеркально-линзовая оптиче­

вая система на рис. 6.32 состоит из обтекателя, изготовленного из плавленого кварца, сферического первичного зеркала, вторич­ ного отражателя из трехсернистого мышьяковистого стекла (AS0S3 ), на заднюю поверхность которого нанесен слой серебра, и корректирующей линзы из того же стекла.

Вторичный отражатель, представляющий собой тонкую линзу с нанесенным на заднюю поверхность отражающим слоем, слу­ жит для устранения остаточной сферической аберрации и умень­ шения размеров системы. Корректирующая линза уменьшает внеосевые аберрации (кому). Разрешающая способность такой системы лучше 4 мрад.

В оптической системе, приведенной на рис. 6.33, подбором ме­ ста расположения линзы, выбором оптической силы линзы п сте­

188

пени ее кривизны кома, астигматизм и кривизна поля зрения могут быть доведены до ничтожно малых значений. Линзу при этом располагают на расстоянии, составляющем примерно 1/5 от эквивалентного фокусного расстояния. Сферическая аберра­ ция компенсируется обтекателем. Качество изображения спсте-

Рнс. 6.33. Зеркально-линзовая опти­ ческая система с высоким качеством изображения (а). Относительное от­

верстие I : 1.2:

а)

мы получается очень высоким. Если входное отверстие 1, кото­ рое определяется первичным зеркалом, переместить в положение 2, то разрешающая способность даже при отклонении пучка лучей от осп на 12° получится лучше, чем 2,5 мрад. Плоское зер­ кало, расположенное между сферическим зеркалом п обтекате­ лем, служит для уменьшения размеров системы.

Вопросы для повторения

1. Какие требования предъявляют к материалам для оптиче­ ских систем ИК-областп спектра? Назовите материалы, прозрач­ ные в коротковолновой, средневолновой и длинноволновой обла­ стях ИК-спектра.

2.Как можно изготовить селективно-отражающее покрытие? Что такое темное зеркало?

3.Для каких целей применяют ИК-фильтры, какие типы И1\- фильтров вы знаете?

4.Какую роль выполняет оптическая система в приборе ПКтехники? Что такое коэффициент оптического усиления?

5.От чего зависит облученность ИК-изображения, получае­ мого с помощью оптической системы?

6. Для чего применяют конденсоры в ПК-прнборах? Что та­

кое иммерсионный конденсор?

7. Что называется фотометрическим расстоянием зеркального отражателя?

8 . Какие преимущества имеет асферическая оптика?

9.Какая разница между оптическими системами Максутова

иШмидта? В каких ПК-приборах можно использовать эти си­ стемы?

189

Ч а с т ь II

ПРИМЕНЕНИЕ

ИНФРАКРАСНОЙ

ТЕХНИКИ

Гл а в а VII. СПЕКТРОСКОПИЯ

§7.1. ИК-СПЕКТРОСКОПИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Спектроскопией обычно называют различные методы иссле­ дования излучении, лежащих в различных областях спектра. Спектроскопию применяют для изучения поглощения и испуска­ ния излучении веществом в различных состояниях (твердом, жидком и газообразном), для качественного и количественного анализа веществ, для изучения различных свойств небесных тел в астрономии путем исследования их спектров излучения и т. д. Спектроскопические методы применяют для решения многих во­ просов в ряде областей науки и техники.

Инфракрасная спектроскопия в первую очередь нашла широ­ кое применение в аналитической химии. Инфракрасный спектр для любого химического соединения имеет совершенно опреде­ ленный характер и является такой же характеристикой соеди­ нения, как, например, температура плавления, показатель пре­ ломления и другие физические константы. Поэтому при сравне­ нии двух соединений идентичность их инфракрасных спектров поглощения почти всегда указывает на идентичность соединений. При этом могут сравниваться спектры, получаемые при прохож­ дении инфракрасного излучения как через раствор вещества, так и через вещество в твердом состоянии. Таким образом, по виду полученных спектров можно определить химическое соединение, т. е. произвести качественный анализ.

Методы спектроскопии позволяют проводить также и количе­ ственный химический анализ, т. е. определять количество ве­ ществ, входящих в то или иное соединение. Для количественного анализа необходимо определить относительные или абсолютные значения интенсивности полос поглощения спектра. При этом считают, что интенсивность поглощения падающего монохрома­ тического излучения веществом зависит от его концентрации в данном соединении. Для количественного анализа получают

191

спектр поглощения вещества, т. е. кривую, характеризующую степень поглощения различных длим воли при прохождении из­ лучения через слон данного вещества (рпс. 7.1). Если для дан­ ного вещества известно поглощение для всех длин волн, то ре­ зультирующая кривая позволяет найти истинное количество по­

глощающего вещества.

Количественный и качественный анализ можно проводить не только по спектрам поглощения, но н по спектрам излучения (эмиссионный метод). В этом случае небольшой кусочек анали-

Рис. /.!. Спектр поглощения вещества, полученным на спектрофотометре

зируемого вещества сжигается в электрической дуге пли искре и фотографируется его спектр излучения. По виду спектра произ­ водят анализ данного вещества.

С помощью спектроскопии получены данные о составе небес­ ных тел. Для этих целей излучение от небесного тела концент­ рировалось телескопом, а затем разлагалось в спектр и фотогра­ фировалось. Так было доказано, что в состав Солнца, планет н звезд входят в основном те же химические элементы, которые имеются на Земле. Исследование поверхности планет в ИК-об- ластн спектра сыграло большую роль в астрофизике п астробо­ танике. Смещение линий в спектре вследствие эффекта Доплера * позволило определить скорость приближения и удаления туман­ ностей и звезд.

Инфракрасные спектральные приборы широко используются не только в химии и астрономии, но и в физике (для исследова­ ния состояний атомов и изучения структуры энергетических уров­ ней в твердых телах), биологии, медицине, различных отраслях промышленности и при проведении исследовательских работ. Спектральные приборы используют для получения данных о спектральном составе ЕЩ-излучения спутников и космических

* Эффект Доплера заключается е изменении воспринимаемом частоты (длины волны) излучения источника при движении этого источника относи­ тельно точки приема излучения.

192

объектов; эти данные необходимы для систем обнаружения и на­ блюдения этих объектов.

В технике инфракрасного приборостроения спектроскопия дает возможность изучить поглощение ИК-излучения различны­ ми средами: атмосферой, фильтрами, материалами, оптическими системами. Только точное знание спектральных характеристик поглощения оптических материалов, входящих в прибор, и ра­ бочей среды позволит правильно оценить технические возмож­ ности данного прибора. При помощи ИК-спектроскоппи могут

Рис. 7.2. Схема оптической системы простейшего спектроскопа:

/—входная щель: 2*—линза коллиматора; 3—диспергиру­ ющая призма; -/—фокусирующая линза; .*1В — кривая, вдоль которой сфокусирован спектр

быть смяты спектральные характеристики чувствительности при- е.мииков ИК-излучения и спектральное распределение излучения различных источников. Эти параметры также имеют первостепен­ ное значение при разработке и эксплуатации приборов ИКтехникп.

Спектроскопом называют спектральный прибор для наблюде­ ния спектров. В зависимости от способа регистрации спектра различают спектрографы и спектрометры. Спектрографом назы­ вают прибор, предназначенный для фотографирования спектров различных излучений. Спектрометром называют спектральный прибор, предназначенный для получения спектров и измерений спектральных характеристик. Спектральный прибор с фотомет­ рической насадкой, предназначенный для измерения коэффици­ ентов пропускания различных веществ, называют спектрофото­ метром.

Спектроскоп обычно состоит из следующих основных частей: входной щели, приспособления для разложения излучения по длинам волн (диспергирующего элемента) и оптической системы для получения спектральных линий, которые являются монохро­ матическими изображениями входной щели (рис. 7.2).

Спектральные линии располагаются вдоль фокальной кривой АВ. Если в этой плоскости поместить фотопленку, спектр может быть сфотографирован. Расположив в фокальной плоскости АВ

узкую щель, можно выделить узкую полосу из спектра излуче­ ния, которое пройдет через эту щель. Перемещая щель вдоль плоскости АВ, можно выделить узкие монохроматические обла­ сти на любом участке инфракрасного спектра. Такой спектро­ скоп с выходной шелыо, позволяющий получать на выходе мо­ нохроматическое излучение, называют монохроматором. Моно­ хроматическое излучение с различными длинами воли получают и при неподвижной выходной щели, в этом случае разворачива­ ют диспергирующую призму. Каждому фиксированному углу по­ ворота призмы соответствует на выходе монохроматора излуче­ ние с определенной длиной волны.

Прибор для спектральных исследований характеризуется сле­ дующими параметрами:

1)рабочим диапазоном длин волн;

2)дисперсией;

3)зависимостью дисперсии от длины волны;

4)разрешающей сплои в рабочем диапазоне спектра. Дополнительными требованиями являются: удовлетворитель­

ная резкость спектральных линий, несложность юстировки и об­ ращения с прибором. Кроме того, не должно быть рассеянного света и ложных линий.

Дисперсия прибора характеризуется пространственным рас­ пределением излучения по длинам воли. Линейная дисперсия

зывает линейную ширину единичного спектрального интервала в фокальной плоскости.

Для практического применения оказывается более удобной величина, обратная линейной дисперсии dkjdl, которая показы­ вает, какой спектральный интервал имеет ширину, равную ли­ нейной единице. Так, например, в приборе с обратной дисперсией 1 А/мм на 1 мм в фокальной плоскости приходится участок длин волн dk= 1 А; этот прибор имеет более высокую дисперсию, чем прибор, имеющий 50 А/мм.

Разрешающая сила спектрального прибора k/dk определяется как отношение длины волны к к разности длин волн двух самых близких линий одинаковой интенсивности, которые еще могут быть разрешены прибором при этой длине волны.*

(. Диспергирующие элементы ИК-спектральных приборов

Диспергирующий элемент* в спектральном приборе служит для выделения из широкого спектра излучений узких монохрома­

* Длина волны X берется как среднее арифметическое длин волн, огра­

ничивающих спектральный интервал.

194