Принцип работы спектрометра

Спектрометр - это что такое и для чего используют?

Cпектрометр - это устройство, с помощью которого можно определять характеристики цветовых покрытий, световых излучений и элементного состава твердотельных материалов.

Задачи спектрометрии

Задачи спектрометрии - фото 2

Общее назначение спектрометра - средство анализа, которое дает представление о различных веществах и отдельных параметрах конденсированных сред.

Существуют универсальные модели с расширенными эксплуатационными характеристиками, но для работы с такой аппаратурой требуются специальные механические манипуляции.

Для чего используют спектрометры универсального и специализированного назначения? Первые подходят для генерации параметров серийных импульсов с помощью частотной гребёнки, а вторые применяются для узких задач, связанных с однотипными замерами в определенных условиях.

Также получили распространение квантовые модели спектрометров, которые находят применение в потоковом сканировании материалов, производя контроль широкого диапазона разных веществ и сред на высокой скорости.

Оптическая щель прибора

Оптическая щель прибора - изображение 3

Основные рабочие компоненты:

- входная щель;

- дифракционная решётка.

Щель служит для пропуска и визуализации излучений, поступающих в анализатор прибора через специальную полость. Она определяет световой поток, который отправляется на оптическую область детектора.

Входной контур может иметь разную ширину, в зависимости от общего назначения спектрометра, – это диапазон от 5 до 800 мкм, в среднем. Высота щели в стандартном исполнении составляет 1 мм.

Дифракционная решетка спектрометра

Это компонент, который определяет угол блеска и частоту световых штрихов.

Существуют голографические и нарезные решетки. Разница состоит в распределении лазерных пучков на светочувствительном слое и общими спектральными характеристиками.

Виды спектрометров

Дифракционная решетка спектрометра - фото 4

  • Блескомер. Это спектрометр, ориентирующийся на измерение блеска.
  • Спектрофотометр. С помощью этого устройства анализируется спектральный состав посредством определения длины электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Выходные данные представляются в виде фотометрии и могут применяться для контроля печати.
  • Колориметр. Это прибор для измерения интенсивности и температуры оттенков с поправкой на контрольную цветовую шкалу.
  • Экспонометр. Определяет экспозицию в фотографии и кинематографии.
  • Спектрорадиометр. В его основе - оптическая система, накапливающая спектры и производящая их подсчет. 
  • Яркометр. Устройство, определяющее яркость световых источников.
  • Люксметр. Этот аппарат представляет сведения об освещенности.

Многофункциональные промышленные спектрометры способны работать со светом, красками и другими рабочими средами в контексте изучения разных параметров.

Портативные и стационарные аппараты

Виды спектрометров - фотография 5

Портативные (мобильные, карманные) устройства внешне напоминают небольшие тестеры или мультиметры. Это компактные аппараты, которыми можно контролировать цвета на поверхностях со сложной геометрией, где невозможно применение стационарного оборудования. Приборы такого типа эффективно справляются с анализом разных покрытий.

Стационарный спектрометр – это более функциональный аппарат, обеспеченный мощными оптическими элементами и средствами обработки данных. Он имеет собственный микропроцессор с системой визуального представления зарегистрированных спектров. Пользователь может работать с собственным LCD-дисплеем и клавиатурой оборудования.

Принцип действия световых спектрометров

Портативные и стационарные аппараты - фотография 6

  • На первом этапе прибор регистрирует и накапливает спектры света.
  • Переработка первичного светового потока происходит в оптическом волокне по мере прохождения сквозь узкую апертуру.
  • Рассеянный свет направляется в дифракционную решётку, которая рассеивает поток под разными углами.
  • Зафиксированные детектором фотоны преобразуются в электрический сигнал, который обрабатывается в компьютере.

Принцип действия спектрометра красок

Получение данных выполняет оптическая система. Затем производится анализ информации и ее переработка в насадках апертуры. Большинство таких аппаратов оснащается импульсными ксеноновыми лампами, которые фиксируют спектры длиной волны от 360 до 740 нм. На выходе составляется график с колориметрическими значениями.

Сфера использования

Принцип действия световых спектрометров - фото 7

Их используют в научных исследованиях, при контроле продукции на производствах, в строительстве при оценке качества конструкции, а также в сельском хозяйстве и бытовой сфере.

Анализ света, например, позволит организовать комфортное освещение как на предприятиях, так и в домашних условиях.

Работа с краской позволит автомобилисту подобрать оптимальную лакокрасочную смесь для ремонта кузова, а производителю облицовки успешно изготовить материал с заданной дизайнером фактурой.

Принцип работы и конструкция УФ-спектрометра

Спектрофотометрический метод анализа основывается на избирательном поглощении молекулами определяемого компонента видимого света или ультрафиолетового излучения. Данные представляют в виде спектров поглощения вещества.

Спектр поглощения - это распределение по длинам волн (или частотам) интенсивности электромагнитного излучения при прохождении его через исследуемое вещество.

На практике для определения спектра поглощения вещества используют приборы, называемые спектрофотометрами. Работают они следующим образом. Исследуемое вещество помещают между источником и приемником излучения. Источник с помощью специальных устройств посылает излучение с определенной или меняющейся длиной волны. Приемник измеряет интенсивность излучения, прошедшего через образец, и регистрирует его.

Спектрометр представляет собой лабораторный прибор, который включает в себя источник излучения, монохроматор, кюветное отделение, фотометрический детектор и устройство обработки сигнала. Для вывода сигнала на экран монитора спектрометр подсоединяют к компьютеру. Источниками излучения могут служить специальные галогенные вольфрамовые, дейтериевые и ксеноновые лампы. Монохроматоры обычно построены на базе дифракционной решетки. Фотодиодные детекторы или фотоэлектрические умножители используют для регистрации сигнала.

Благодаря электронной микропроцессорной базе современных спектрометров, позволяющей выполнить необходимый пересчет и преобразование сигнала, возможен вывод результата анализа вещества непосредственно в единицах концентрации.

Схема УФ-спектрометра

Устройство и принцип действия оже-спектрометра - фото 11

Рис.3

Достоинства метода:

-высокая чувствительность

-точность

-быстрота анализа

-достаточно малое количество вещества

-простота в оборудовании и техники

Недостатки метода:

-спектры имеют небольшое число полос поглощения

-наложение спектров

-недостаточная избирательность

Устройство и принцип действия оже-спектрометра

Принцип устройства ЭПР-спектрометра - фотография 12

Функциональные связи, состав и компоновка электронного оже-спектрометра приведены на рисунке 2.1.

Спектроскоп своими руками - фото 13

Рисунок 2.1 — Функциональная схема прибора

Рабочий объем для исследования образца имеет две части: предварительная и основная камеры, отсекаемые друг от друга клапаном. Такое разделение позволяет производить загрузку и первичную обработку образца в предварительной камере, и сме­ну образцов в основной камере с помощью передающего манипуля­тора без нарушения в ней вакуума.

Система для откачки предварительной камеры включает в себя форвакуумный насос типа 2НВР-6Д (до 1∙10-2 мм. рт. ст.), турбомолекулярный ТМН-450 (до 1∙10-7 мм. рт. ст.) и магниторазрядный НМД-025 (до 1∙10-8 мм. рт. ст.) насосы. Система водяно­го охлаждения служит для обеспечения рабочего режима турбомолекулярного насоса.

Для откачки основной камеры служит два цеолитовых ЦВН-1-2 (до 1∙10-2 мм. рт. ст.), магниторазрядный НМД-0,25 (до 1∙10-8 мм. рт. ст.) и испарительный (сублиматор титана, до 1∙10-10 мм. рт. ст.) насосы.

С целью достижения более высокого предельного вакуума камеры, манипуляторы и все элементы вакуумной системы в про­цессе подготовки к работе подвергаются высокотемпературному обезгаживанию путем длительного прогрева с помощью нагревательных устройств при наличии непрерывной откачки.

Система газонаполнения камер представляет из себя два баллона, газовый ре­дуктор и натекатель НРТ. Баллоны наполняются любым газом или газовой смесью (кроме химически активных) в зависимости от проводимого эксперимента. С помощью натекателя можно регулировать степень наполнения камер газом. Вакуум контролируется вакуумметрами ВМБ-8, ВМБ-11 и ВТ-3 от манометрических преобразователей ПММ-32, ПММ-46 и ПМТ-4М.

Юстировка образца в основной камере обеспечивается манипулятором сверхвысоковакуумным Ду 100. Для визуальной юстировки образцов в основной и предва­рительной камерах предусмотрены смотровые окна.

Для получения чистой поверхности исследуемого образца (свободной от адсорбированных веществ) в оже-спектрометре пре­дусмотрены обработка путем прямонакального прогрева, электрон­ной бомбардировки и травление поверхности образца ионами инерт­ных газов. Ионное травление также можно использовать для опреде­ления состава образца не только по поверхности, но и по толщи­не слоя (химические профили).

Для электронной бомбардировки в предварительной камере служит электронная пушка.

В режиме ионного травления в обе камеры, в которых находятся две одинаковые ионные пушки, поступает инертный газ, который ионизируется в ионизаторе работающей пушки. Электрон­ный ток эмиссии ионизатора стабилизирован и регулируется в ши­роких пределах.

Перемещение ионного пучка осуществляется при помощи ручной регулировки напряжения отклоняющих пластин пушки на бло­ке питания ионной пушки. Для быстрой визуализации юстировки об­разца относительно ионного пучка предусмотрена возможность пита­ния отклоняющих пластин пушки от растрового устройства. Растро­вое устройство работает на телевизионном стандарте и конструк­тивно выполнено в виде отдельных блоков ТВ-позиционера и ТВ-мо­нитора. Яркость регистрирующей электронно-лучевой трубки ТВ-монитора в режиме управления ионным пучком модулируется сигналом поглощенных образцом ионов. Для этого в основной камере объектодержатель образца изолирован от корпуса камеры, а образец устанавливается таким образом, чтобы электрический потенциал объектодержателя и образца был одинаковым. В предварительной камере вывод сигнала поглощенных ионов на вход ТB-позиционера осуществляется через ввод поступательного перемещения, который обеспечивает электрический контакт с изолированным от корпуса образцом. Обеспечивая сканирование ионного пучка, можно получить изображение поверхности образца в поглощенных ионах.

Для формирования возбуждающего электронного пучка в режиме снятия оже-спектрометра в основной камере могут работать: электронная пушка, встроенная в анализатор, с нормальным падением пучка, или пушка с косым падением. Обе пушки одинаковые, имеют электростатические фокусировки и отклоняющую систему.

Перемещение электронного пучка обеспечивается с помощью ручной регулировки напряжения отклоняющих пластин пушки на блоке питания оже-пушки. Для быстрой визуальной юстировки образца относительно электронного пучка и фокуса анализатора, питание отклоняющих пластин пушки осуществляется от ТВ-позиционера. Яркость электронно-лучевой трубки в этом режиме модулируется сигналом поглощенных электронов.

Развертка отклоняющего потенциала для вторичных электронов в анализаторе формируется подачей на электроды анализатора линейной развертки напряжения с блока развертки, промодулированного синусоидальным напряжением с блока регистрации.

Для решения ряда сложных исследовательских задач (например, анализа состояния поверхности при изменении условий эксперимента), когда предъявляются повышенные требования к быстродействию системы регистрации, в блоке развертки предусмотрена возможность формирования развертки на различных, заранее выбранных участках диапазона выходного напряжения (энергетические окна). Такой режим блока также позволяет сократить время воздействия электронного зонда на образец.

Обработка регистрируемого сигнала, поступающего с коллектора анализатора, происходит с помощью блока регистрации. Запись спектра производится на графопостроителе зависимостей Н306. Для оперативной расшифровки спектра в блоках регистрация и развертки предусмотрены выходы для сопряжения с ЭВМ.

Прибор предназначен для определения распределения химического элемента на поверхности твердого тела методом электронной оже-спектроскопии (ЭОС) с растровой разверткой электронного пучка.

Основные технические данные и характеристики

Предельное остаточное давление в основной камере не более 1,33∙10-7 Па (1∙10-9 мм.рт.ст).

Предельное остаточное давление в камере предварительного разрежения 1,33∙10-5 Па (1∙10-7 мм.рт.ст).

Натекание в вакуумную систему прибора не более 6,55∙10-10 Вт (5∙10-9 л.мм.рт.ст/с).

Манипулятор в основной камере обеспечивает:

- 4 степени подвижности объекта;

- количество объектов, устанавливаемых в держатель, от 1 до 5.

Передающий манипулятор обеспечивает передвижение объекта из основной камеры в предкамеру и обратно.

Прибор обеспечивает прямонакальный прогрев объекта, максимальной мощностью накала 75 Вт, при максимальном токе объекта 25 А.

Прибор обеспечивает обработку объекта методом электронной бомбардировки. Максимальный ток объекта 20 мА при максимальном ускоряющем напряжении электронов 1300 В.

Прибор обеспечивает обработку объекта методом ионной бомбардировки. Минимальный диаметр ионного пучка не более 4 мм и максимальный ток пучка не менее 2∙10-6 А при ускоряющем напряжении 5 кВ и давлении по аргону 1,33∙10-3 Па (1∙10-5 мм.рт.ст). Прибор обеспечивает получение изображений объектов в поглощенных электронах.

Прибор обеспечивает регистрацию оже-электронов с энергиями до 2000 эВ с разрешением по энергии не хуже 1%.

Максимальная площадь исследования не менее 200×200 мкм.

Время непрерывной работы в режиме откачки не менее 120 часов.

Спектроскоп своими руками

Принцип работы спектрометра - фотография 23

Все комментарии Автора +15Mimin24 года назад Если ты скажешь, что на этой конференции ты не занял первое место, то значит кто-то там собрал коллайдер. раскрыть ветку 18 +9 4 года назад Я занял 3 место,дело в том что я плохо умею рассказывать,а это минус баллы раскрыть ветку 17 +33 4 года назад Я вот тоже решил, что ты рассказывать не умеешь. Прочитал твой пост и нифига не понял. Ну труба, ну кусочек диска засунут туда.. Дальше что? Теорию дай, я не понял как эта конструкция работает и каким образом ты спектр записал на веб камеру..Т.е. заинтересовать меня у тебя получилось, а удовлетворить моё любопытство нет раскрыть ветку 16 +8 4 года назад Респект. Прослезился. Завтра соберу и сниму спектр моего сгорающего в ведре диплома физика. +1 4 года назад Молодец парень! Обожаю спектральный анализ, порадовала знакомая тема:) +1 4 года назад А вот как мне в таком случае,например,получить спектр образца металла,чтобы изучить его качественный состав...Вот,у меня есть метеорит,хочется узнать из чего он 0 4 года назад Да я с этим на конференцию пойду XDD 0 4 года назад изящно, просто и красиво! 0 4 года назад а я сначала подумал фазик для ас.. 0 4 года назад Солнечный свет 0 3 года назад

Буду собирать!

0 3 года назад

Автор, прием! Срочно! Какой диаметр трубы?

Принцип работы масс-спектрометров

Принцип работы спектрометра - изображение 24

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Введение

Методы масс-спектрометрии являются методами получения спектров масс ионов.

Теоретические и экспериментальные основы масс-спектрометрии были заложены Д.Д.Томсоном, который впервые в 1912 г. создал прибор для получения спектра масс положительных ионов.

Схема масс-спектрометров относительно проста и включает три главных элемента – ионный источник, анализатор и детектор. При использовании различных методов ионизации в ионном источнике создаются пучки ионов как положительных, так и отрицательных, в зависимости от поставленной задачи, а иногда те и другие одновременно. Эти пучки ионов, содержащие ионы различных масс, направляются далее в анализатор, где под влиянием полей различной природы формируются пучки ионов определенной массы. Регистрация пучка ионов в коллекторе позволяет получить спектр масс ионов.

Ученик Томсона Ф. Астон существенно повысил разрешение масс-спектрографа за счет лучшей фокусировки ионного пучка и на своем масс-спектрографе впервые открыл изотопы элементов. Масс-спектрографы используют для точного определения атомных масс. Одновременно с Астоном в Чикаго А. Демпстер сконструировал первый масс-спектрометр, в котором анализатором служило поперечное магнитное поле и ионные токи измерялись электрическими методами. Именно этот тип масс-спектрометров имеет широкое применение. Существенное улучшение разрешения масс-спектра было получено в 50-х годах в приборах с двойной фокусировкой, т.е. с использованием в анализаторе электрического и магнитного статических полей. Наряду со статическими полями для получения масс-спектров используют переменное электрическое поле в динамических масс-спектрометрах. Это позволяет исключить из конструкции масс-спектрометров громоздкие масс-спектрометры.

Принцип работы масс-спектрометров

В методах масс-спектрометрии используют ионизацию вещества, так как существуют эффективные методы управления пучками заряженных частиц с помощью магнитных и электрических полей. Большая часть исследований ведется с пучками положительных ионов.

Схематически процесс ионизации с образованием положительных ионов можно представить следующим образом:

Принцип работы спектрометра - фотография 25 Принцип работы спектрометра - изображение 26 ,

где Нм, Нх, Н1 и Н2 – число частиц в единице объема; Ем, Ех, Е1, Е2 – энергия соответствующих частиц; q – степень ионизации, в большинстве случаев равная единице и поэтому Н1 = Н2.

Образование положительных ионов является результатом взаимодействия молекул, атома или радикала в газовой фазе (М) с электроном, фотоном, ионом или быстрой молекулой (х), а также макроскопическим телом, обладающим электрическим полем с высоким градиентом.

Ех должна быть больше потенциала ионизации (М). Избыток энергии Ех над потенциалом ионизации после ионизации распределяется между ионом Мq+ с энергией Е1 и эмиттированным электроном с энергией Е2.

Методы спектроскопии и спектрометрия для измерения спектров

Принцип работы спектрометра - фото 27

Спектроскопия относится к разделу физики изучающей данные о строении и свойствах материи полученные путем анализа спектров электромагнитного излучения. Данные используются для решения задач широкого применения.

Термин является производным от латинского слова “spectron”, что означает дух или призрак, и греческое слово “skopein”, что означает смотреть на мир.

Спектроскопия занимается измерением и интерпретацией спектров, которые возникают в результате взаимодействия электромагнитного излучения (в виде энергии распространяемой путем электромагнитных волн) с веществом. Это касается поглощения, излучения или рассеяния электромагнитного излучения атомами или молекулами.

 Еще Джеймс Кларк Максвелл в 1864 году рассказал миру, что свет состоит из электрических и магнитных полей.

Следовательно, большинство инженеров и ученых прямо или косвенно в какой-то момент в своей карьере включали области электромагнитного спектра в свои работы.

Спектрометрия как область физической науки разрабатывает приборы и устройства для измерении спектров. Одним из сложных вопров являются методы измерения спектров.

Основные ограничения методов спектроскопии связаны с трудностями приготовления эталонных растворов с учетом влияния третьих компонентов. Поэтому для получения достоверных результатов должны применяться растворы для спектрометрического анализа особой чистоты. Данные измерения широко используется для количественного анализа в различных областях (например, химия, физика, биология, биохимия, материалы и химическая инженерия, клинические применения, промышленный комплекс).

  Основные методы спектроскопии

Спектроскопия представляет собой общий методологический подход. Методы могут варьироваться в отношении проанализированных (например, атомной или молекулярной спектроскопии), в области электромагнитного спектра, и типа контролируемого взаимодействия излучения с веществом (например, эмиссии, поглощения или дифракции).

Принцип работы спектрометра - изображение 28

Тем не менее, основным принципом, общим для всех различных методов является луч электромагнитного излучения на желаемый образец для того, чтобы наблюдать, как он реагирует на определенные воздействия. Ответ обычно записывается как функция длины волны излучения и уровня представляющего собой спектр. Любая энергия света от низкочастотных радиоволн до высокочастотных гамма-лучей может показать определенный спектр.

Общая цель спектроскопии представляет изучение спектров различных видов излучения для понимания того, как именно свет взаимодействует с материей, и как эта информация может использоваться, чтобы количественно понять образцы материи.

Область физики, должна также быть оценена как набор инструментов, который может быть использован, чтобы понять различные системы и решать сложные физические и химические проблемные задачи.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 1230)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты