http://www.scritub.com/medicina/ALTE-INSTRUMENTE-SI-APARATE-

OP55191166.php

4.2Aparate spectrale

Aparatele spectrale servesc pentru descompunerea radiatiei complexe în radiatii monocromatice.

Dupa natura sistemelor care produc descompunerea, aparatele spectrale se împart în:

§  parate spectrale cu prisma;

§ aparate spectrale cu retea;

§ aparate spectrale interferentiale.

4.2.1 Aparatele spectrale cu prisma se clasifica în:

§ aparate spectrale cu prisma fixa;

§                     aparate spectrale cu prisma mobila.

Din categoria aparatelor spectrale cu prisma fac parte monocromatoarele, care constituie partea principala într-o serie de aparate specrtale, printre care si spectrofotometrele destinate studiului spectrelor de emisie si de absorbtie.

Un aparat spectral dispersiv contine cel putin doua elemente optice în afara de prisma, o lentila colimatoare, în focarul careia se plaseaza fanta de intrare a aparatului si o lentila de emergenta care formeaza imaginile fantei dupa ce radiatia incidenta, policromatica a fost descompusa în componentele ei monocromatice de catre prisma.

Daca în planul focal al lentilei de emergenta avem o placa fotografica, aparatul se va numi spectrograf, iar daca în acelasi focar se afla o lupa, se va numi spectroscop. Fiecare din aceste aparate este destinat unui anumit scop. Spectograful înregistreaza, pe o emulsie fotografica, întregul spectru deodata, producând un document al unei analize.

Monocromatorul functioneaza ca un filtru optic foarte fin, mai fin decât orice filtru obisnuit, fiind utilizat pentru trasarea spectrelor de absotbtie, iar spectroscopul este destinat observatiilor vizuale directe ale unor surse de radiatii ca: flacari, arcuri electrice, tuburi de descarcare în gaze, etc.

           

Aparate spectrale cu prisma

Schema de principiu a unui spectroscop este prezentata în figura de mai jos, unde de o parte si de alta a unei prsme se asaza doua lentile.

                                               

                                                                        Fig. 4.9

Lentila L1 împreuna cu fanta F dispusa în planul focal al acesteia(pozitia fiind socotita pentru o portiune mijlocie a spectrului) formeaza colimatorul, care trimite lumina în fascicul paralel de prisma P. Lentila L2, care joaca rol de obiectiv de luneta sau de camera fotografica, proiecteaza spectrul pe o suprafata R-V, pe care poate fi observat (R-V, semnificând întinderea spectrului vizibil din rosu pâna în violet). Lentila L serveste la observarea spectrului. Spectrul obtinut reprezinta o succesiune de imagini monocromatice ale fantei, fie ca este vorba de un spectru continuu, fie ca este vorba de un spectru discret.

Pentru ca imaginile fantei sa nu apara deformate, trebuie satisfacute urmatoarele conditii:

§         lentilele L1 si L2 sa fie bine acromatizate pentru a nu introduce dispersii suplimentare fata de dispersia prismei P;

§         fanta F sa fie riguros paralela cu muchia prismei;

§         fasciculul ce strabate prisma sa fie un fascicul paralel;

§         diferitele radiatii monocromatice obtinute prin dispersie sa traverseze prisma tot în fascicul paralel si la minimum de deviatie, în vederea reducerii defectelor de astigmatism;

§         fasciculele de radiatii monocromatice sa strabata prisma prin sectiunile drepte ale acesteia(în plane perpendiculare pe michiile prismei), în vederea micsorarii defectelor de curbare a liniilor spectrale.

Exista multe tipuri de spectrometre cu prisma si la marea majoritate, atât colimatorul cât si telescopul sunt folosite mai bine cu oglinzi decât cu lentile, în special când instrumentul este destinat selectarii riguroase a lungimilor de unda, în diferite scopuri. Acest tip de aparat se numeste monocromator. Pentru domeniul vizibil se folosesc prisme si lentile transparente, pentru ultraviolet sunt necesare componente din cuart sau fluorit, iar pentru domeniul infrarosu sunt necesare componente din halogenuri alcaline (NaCl, KCl, LiF, etc.) sau trioxid de aluminiu.

            Spectroscopul de buzunar

Cel mai simplu model de aparat spectral pentru vizibil este aparatul de dimensiuni reduse, care permite mânuirea simpla si chiar transportarea în buzunar. Acesta se compune dintr-un colimato C si o prisma Amici(A) ca sistem dispersiv:

                          Fig. 4.10

Prisma Amici este facuta din sisteme de prisme lipite la contact optic, crown si flint, cu unghiurile de refrigenta orientate invers, astfel încât devierile razelor sunt compensate pe un domeniu spectral

determinat (vizibil) la strabaterea sistemului.

Acest aparat nu dispune de telescop, ochiul putând focaliza singur spectru pe retina. Uneori, odata cu spectrul se proiecteaza si o scala gradata, cu ajutorul unui sistem lateral de proiectie. Aceasta se rveste ca sistem de referinta pentru interpretarea spectrului.

            Aparat spectral triprismatic cu deviatie la 900

În figura de mai jos se poate urmari schita de principiu a unui aparat spectral cu trei prisme. Dispozitivul este constituit din doua prisme identice dispuse în pozitii extreme (P1) si (P3), iar între ele se afla o prisma compusa de tip Abbe[1]. Toate prismele se dispun la minimum de deviatie.

Sistemul se caracterizeaza printr-un unghi de deviatie constant, de 900. Radiatiile proiectate cu lentila L2 pot fi înregistrate pe o placa fotografica (PF) sau se pot baleia prin dreptul fantei F2 (reprezentata punctat în figura ce urmeaza), prin rotirea sistemului de prisme. Sistemul permite înlaturarea lentilei L2, reflectarea spectrului pe oglinda O2, desenata simbolic în partea de jos a desenului si trimiterea din nou a radiatiilor pentru o noua dispersie.

                                   

                                                            Fig. 4.11

Astfel, se obtine efectul de rezolutie echivalent unui sistem de sase prisme cu unghi de refrigenta de 600.

            Aparate spectrale pentru ultraviolet

Aparatele spectrale folosite în domeniul ultraviolet al spectrului sunt prezentate în figura 4.12:

                                   

                                                             Fig. 4.12

Ele sunt construite din materiale transparente în ultraviolet, cu calitati dispersive bune, de regula din cuart. În acest caz, tinând seama de activitatea optica a cuartului si de faptul ca liniile spectrale pot fi dedublate prin brirefrigenta rotatorie, drept sisteme dispersive se folosesc prisme Cornu (PC).

Pentru marirea luminozitatii si înlaturarea defectelor de acromatizare a lentilelor colimatoare, an loc de

lentile se folosesc oglinzi colimatoare, ca in figura de mai jos:

                                                                        Fig. 4.13

Domeniul spectral ultraviolet poate fi explorat cu aparatele cu optica de cuart pâna la 2150A, unde cuartul devine absorbant. Pentru explorarea spectrului la lungimi de unda si mai mici este nevoie de materiale cu o transparenta si mai buna, de receptori de radiatii sensibili în acest domeniu si chiar de aparate spectrale bazate pe alte principii de constructie. La lungimi de unda mai mici decât 2150A însusi mediul gazos prin care se propaga lumina devine absorbant, începând asazisul domeniu de vacuum al spectrului[2].

            Aparat spectral cu autocolimatie. Montaj Littrow

Spectrograful Littrow permite cresterea dispersiei pentru aceleasi dimensiuni ale prismei si elimina efectele activitatii optice. Schema montajului Littrow este prezentata în figura urmatoare:

                                   

                                                            Fig. 4.14

Distanta focala a lentilei camerei colimatoare este de aprox. 1700mm, iar gama spectrala de radiatii ce pot fi studiate se întinde de la 1850A la 8500A. Acest domeniu se fotografiaza pe placa fotografica în 10 etape. Faptul ca aceeasi lentila are functie dubla (determina paralelismul fascicolului incident paralel si focalizeaza spectrul obtinut) confera aparatului denumirea de aparat cu autocolimatie.

Singurul defect al unui astfel de montaj consta în aparitia pe placa fotografica a unui voal, cauzat de reflexia si împrastierea luminii pe fata dinspre fanta de intrare a lentilei colimatoare.

            Spectrometru cu deviatie constanta

Unele combinatii, constând din prisme si oglinzi, care, în conditiile unei devieri foarte mici, se caracterizeaza prin acelasi unghi de deviere, pentru orice lungime de unda a radiatiei. Astfel de montaje au fost propuse si studiate de catre Wodsworth. El a aratat ca o combinatie solidara formata dintr-o prisma si o oglindp asigura un unghi constant de deviere (urmatoarea figura).

                                   

                                                            Fig. 4.15

Într-un astfel de sistem prin rotire, raza care se refracta se deplaseaza în general paralel cu ea însasi. Pentru a evita acest lucru, axa de rotire a sistemului se fixeaza la intersectia ( C ) a prelungirii planului oglinzii ( O ) cu planul bisector al unghiului refrigent al prismei ( P ). Acest montaj se foloseste la spectrofotometrul universal Zeiss, spectrofotometrul Jobin Yvon, etc.

În figura de mai jos se poate urmari scita  de principiu a unui spectrofometru universal Zeiss. Fanta de intarre F1 împreuna cu oglinda O1 formeaza sistemul colimator ce trimite fasciculul paralel de lumina pe prisma P. Oglinda O3 proiecteaza diferitele radiatii monocromatice pe fanta de iesire F2.

Spectrometru cu infrarosu

Daca radiatiile care trebuiesc studiate au o lungime de unda mai mare decât 2 mm, aparatele cu optica de sticla numai pot fi folosite. Cuartul devine si el absorbant la lungimi de unda mai mari decât 3 mm. De la 2,5 mm la 8 mm se folosesc în general prisme cu fluorina, iar de la 7 la 14 mm prisme de sare gema. Prismele de silvina permit sa se atinga 18 mm, cu un unghi de 600 si aproximativ 23 mm, cu un unghi de la 120 la 200. Rareori se gasesc cristale de sare sau de silvina suficient de mari si de pure, pentru a se putea taia prisme de spectrograf.

Lipsa de acromatizare a lentilelor care s-ar putea confectiona din astfel de cristale a facut sa se renunte complet la folosirea lentilelor în infrarosu. Lentilele se înlocuiesc cu oglinzi concave, din metal sau din sticla argintata, care sunt perfect acromatice si au totdeauna coeficient de reflexie apropiat de unitate.

În figura de mai jos este reprezentata schema unui spectrometru cu derivatie constanta, înzestrat cu oglinzi concave.

                                   

                                                            Fig. 4.16

Izvorul ( I ), condensorul ( O1 ), fanta de intrare ( F1 ), oglinda colimatoare ( O2 ), oglinda focalizatoare ( O4 ), fanta de iesire ( F2 ) si receptorul ( R ) sunt fixe, iar baleiajul radiatiilor monocromatice prin dreptul fantei de iesire se realizeaza rotind prisma în montaj Wodsworth.

            Spectrografele

Spectrografele sunt destinate înregistrarii fotografice a spectrelor, schema unui spectrograf fiind prezentata în figura ce urmeaza:

                       

                                                          Fig. 4.17

Elementele principale ale unui spectrograf sunt: fanta"S", sistemul de dispersie"D", piesele optice de focalizare L1 si L2 si caseta cu pelicula fotografica "P", care se suprapune peste suprafata focala determinata de optica aparatului. De obicei fanta este plasata în focarul obiectivului L1, denumit colimator. Obiectivul L2 -obiectiv de aparat fotografic- formeaza imagini monocromatice ale fantei pe suprafata focala a aparatului. Pentru a se obtine o buna focalizare se utilizeaza atât lentile cât si oglinzi.

Larg raspândite sunt aparatele cu autocolimatie în care unul si acelasi obiectiv este concomitent si colimator si aparat fotografic:

                                   

                                                            Fig. 4.18

Spectografele precum si alte aparate spectrale se clasifica în functie de domeniul spectral caruia îi sunt destinate. Aparatele cu prisma sunt denumite adesea si aparate cu sticla sau cuart, dupa materialul de baza din care este confectionata prisma continuta.

Pentru domeniul vizual acesta este sticla, iar pentru domeniul ultraviolet este cuartul.

[1] Prisma compusa din doua prisme cu unghiul refrigent de 300 (1 si 3), o prisma cu reflexie totala cu unghiul refrigent de 450 (2), care la deviatie minima da devieri de 900.

[2] Domeniul în care pentru a mai putea obtine spectre întregul sistem, aparatul spectral si receptorul, trebuie introdus într-o incinta vidata.