Физическая энциклопедия

СПЕКТРОМЕТРИЯ


область физики и техники, разрабатывающая теорию и методы измерении спектров. В оптич. диапазоне длин волн С. объединяет разделы прикладной спектроскопии, метрологии и теории линейных систем. С. служит для обоснования выбора принципиальных схем спектр. приборов и оптимизации методов расчёта. Подробнее (см. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1983.

СПЕКТРОМЕТРИЯ

оптическая (отспектри греч. metres - измеряю)- совокупность методов и теория измерений спектров эл.-магн. излученияи изучение спектральных свойств веществ и тел в оптич. диапазоне длин волн(~1 нм - 1 мм). Измерения в С. осуществляются с помощьюспектральныхприборов.Осн. задачи С.: теория спектральных приборов, модельное рассмотрениеусловий измерений в типовых вариантах, разработка критериев сравнения приборов, время.

Теоретические основы спектрометрии.Оптич. сигналu(t)вовремениtможет быть представлен преобразованием Фурье в виде линейнойкомбинации гармонич. сигналов с частотами v:

где

При таком рассмотрении измерение спектра сводится к нахождению амплитуди фаз комплексной ф-ции S(v), описывающей спектр сигналаu(t).Реальныевозможности измерений связаны с рядом ограничений и альтернатив. Во-первых, интенсивность излучения, а на поток, . Во-вторых, в обычной (не лазерной) и. излучение чаще всего некогерентно, Лазер, спектроскопия). Поэтомуu(t) -случайная ф-ция и, следовательно,S(v) - случайная величина. Для детерминиров. описания случайного процессаизлучения рассматривают спектр его мощности:

Именно такой спектр измеряют с помощью реальных приёмников. Обратнымпреобразованием Фурье от Ф(v) является автокорреляц. ф-ция сигналаu(t):

Ф-цииФ(v)и связаны между собой преобразованиями Фурье:

Т. о., исходный процессu(t)может быть описан любой из ф-цийФ(v) и ,несущих в разной форме одно и то же кол-во информации. В связи с этим возможныдва типа измерит. систем в С.

В приборах, измеряющих непосредственно спектр Ф(v), излучение направляетсяна устройство, обладающее свойством спектральной селективности [выделяетузкий интервал ], и приёмник регистрирует мощность выделенной спектральной составляющейизлучения. Полный спектрФ(v)получается или последоват. перестройкойчастоты - сканированием (одноканальные системы), или одновременным независимымприёмом излучения от мн. интервалов (многоканальные системы).

Во втором варианте С. в процесс распространения излучения вводится переменнаявременная задержка т и измеряется автокорреляц. ф-ция .наиб. эффективно это реализуется в двухлучевоминтерферометре Майкельсонасканированиемпоразности ходаИзменениясигнала приёмника при таком сканировании дают интерферограмму , фурье-образ к-рой представляет собой спектр ,где - волновоечисло (,- длина волны). [Подробнее см. в ст.Фурье-спектрометр.Ниже рассматриваютсяметоды измерения Ф(v).]

Инструментальный контур.Модельные описания процессов измеренийв С. основываются на представлениях теориилинейных систем.Спектральныйприбор воздействует на измеряемый спектр - входной сигнал , поэтому наблюдаемый спектр описывается в общем виде интегралом

где -аппаратная функция(АФ), или инструментальный контур, - индивидуальнаяхарактеристика измерит. прибора, зависящая от двух переменных:- физ. длины волны входящего излучения и - приборной координаты, напр. спектральной шкалы прибора, по к-рой считываетсяотклик прибора, т. е. ф-ция

Спектральные приборы чаще всего сочетают оптич. систему (формирующуюоптич. сигнал на приёмнике, преобразующем его в электрич. сигнал) с приёмно-регистрирующейсистемой, на к-рую поступает электрич. сигнал. Соответственно общая характеристикаприбораАраспадается на оптическую и электрическую АФ. Рассмотримоптич. часть АФ.

Соотношение (1) позволяет указать способ определения контура . Пусть входной сигнал представляет собой монохроматич. волну ,спектр к-рой бесконечно узкая спектральная линия - дельта-функция .Тогда т. е. АФ есть отклик линейного прибора на -воздействие. л, много меньшей спектральной ширины щелей монохроматора. изображается прибором в виде контура колоколообразной формы, максимум к-рогорасполагается на делении шкалы , если шкала точна, или на ином значении ,если шкала смещена по к.-л. причинам. Ширина этого инструментального контурасоответствует эффективной спектральной ширине щелей sэф(учитывающейвклады дифракции, аберраций, разъюстировок).

Форма измеренного контура может быть различной. При сужении щелей доразмеров дифракц. уширения («нормальные» щели) контурАприближаетсяк виду . В другом крайнем случае при достаточно широких щелях контурАприближаетсяк треугольному; это объясняется тем, что контурАсоответствуетизменению сигнала приёмника при сканировании изображения входной щели поперёквыходной, при этом происходит свёртка двух П-контуров, к-рая и даёт в результатетреугольный контур:. При промежуточных значениях ширин щелей треугольный контур сглаживается, А имеет ширину sэфв спектральных единицах(в шкале прибора ),но весь её контур соответствует одной физ. длине волны монохроматич. входящего излучения.

Если входящее излучение содержит ряд линий в нек-ром диапазоне длинволн и каждая из них отображается прибором в виде контуров одинаковой формы, А зависит только от разностиаргументов; обозначим её:Для такой ф-ции интеграл (1) описывает операцию свёртки:. Допущение об инвариантности является исходным в большинстве теоретич. инвариантность в рабочих режимах нередко не соблюдается, чтоприходится принимать во внимание при решении обратных задач - восстановленияистинного спектра по измеренному.

Для линейчатого спектра на входе вводится характеристика прибора, называемаяразрешением (возможность раздельного наблюдения двух близких линий равнойинтенсивности). Разрешение численно равно ширине ф-ции а, т. е. значениюsэф, т. к. при сближении двух линий до расстояния их инструментальные контурыа1иа2илисливаются в трапецеидальный контур (при треугольной формеа),илиразделяются лишь небольшим провалом (при дифракц. формеа; Рэлея критерий).Отношениедлины волны к разрешению наз.разрешающей способностью:,где .

Кроме отклика на одиночную -функциюна входе важное значение для полноты модельного описания имеет др. предельныйслучай, когда входной сигнал обладает сплошным спектром (бесконечная последовательность -функций).Тогда при фиксиров. положении всех оптич. элементов монохроматора (приостановленном сканировании) в фокальной плоскости образуется континууммонохроматич. изображений входной щели, последовательно смещённых за счётугл. дисперсии. Суперпозиция этой последовательности на выходной щели соответствуетоперации свёртки, в результате к-рой формируется выходящий поток. Контурего спектра, в отличие от АФ, наз. ф-цией пропускания (ФП). Длина волны, ,ширина контура ФП наз. выделяемым спектральным интервалом ,отношение - селективностьюС.

Зная отклики прибора на два осн. вида тестовых сигналов - -функциюи сплошной фон, можно применять интеграл (1) к описанию измерений двухосн. видов спектров - излучения и поглощения (точнее - пропускания, т. представляется суперпозицией линий или полос, описываемых произведенияминек-рой пост. величины на нормированную к единице ф-цию распределения :

Одиночная полоса в силу особенностей происхождения спектров (см.Спектрыоптические)имеет контур колоколообразной формы, аппроксимируемый в первом приближении Гаусса функцией:

где - положение максимума, 6/ - ширина на полувысоте. Воздействие прибора на описывается в соответствии с (1) выражением

Здесь - контур, наблюдаемый на выходе монохроматора в ходе сканирования,- инструментальный контур, обладающий свойством инвариантности. Важно подчеркнуть, действие прибора тем больше, чем больше кривизна измеряемогоконтура, т. е. чем больше вторая производная .Поэтому в качестве количеств. характеристики искажений принимается относит. Эта погрешность пропорциональна квадрату отношения ширин контуровfиа.В гауссовом приближении ,если ,и измерения формы контуров спектров с погрешностью возможны лишь приsэф<bf/7.

В реальных приборах всегда имеет место расстояние излучения на оптич. Для каждой на входе рассматривается контур АФ, записанный во всём рабочем диапазонесканирования от начальной до конечной .В этом контуре, кроме осн. части спектральной линии шириной sэфв окрестности ,учитываются и протяжённые крылья от фона рассеянного излучения и дополнит. ,т= 1, 2, 3... Совокупность таких АФ для всех элементарных компонент исследуемого сплошного спектра даёт полную картину свойств прибора в егорабочем диапазоне:.Графически эта картина представляется трёхмерной поверхностью и наз. полной аппаратной функцией (инвариантность в общем случае не предполагается).

Аналогичным образом рассматриваются ф-ции пропускания ФП для каждойдлины волны настройки Гл. части контуров ФП в окрестности определяют полезный поток на выходе:. Здесь - спектральное распределение спектральной плотности яркости источника,- ширина ФП на . Интеграл по области крыльев ФП определяет поток мешающего излучения.постороннихдлин волн. Подчеркнём, что спектр мешающего излучения определяется спектромвходящего потока и может быть существенно шире диапазона , предусмотренного конструкцией прибора. Отношение потока к полезному потокуназ. уровнем мешающего излучения: w = Р/ФмаксЭта величина являетсяважнейшей характеристикой спектральных приборов, нередко лимитирующей точностьизмерений.

Полный набор всех АФ и полный набор всех ФП несут одну и ту же информациюо приборе. В графич. представлении совокупность всех АФ и ФП образует континуумывзаимно перпендикулярных сечений одной и той же трёхмерной полной АФ.

Модельное описание с помощью ф-ций АФ и ФП, изложенное на примере монохроматоровс решётками, применяется также и к др. приборам и методам С. со спектрально-селективнойфильтрацией или модуляцией - как одноканальным, так и многоканальным (см. Спектральные приборы).

При достаточно полном устранении мешающего излучения, пренебрежимыхразмерах искажений монохроматич. изображений щели и отсутствии погрешностейв механизме сканирования можно полагать, что контуры АФ и ФП практическисовпадают, и тогда иR = С.В дальнейшем будем полагать, что эти равенства выполняются.

Приёмно-регистрирующие системы и энергетические ограничения. В рамкахоптич. С. обычно предполагается, что источники шумов не столь велики, чтобыневозможно было корректно ставить задачу измерений формы контуров полосатыхспектров (или хотя бы интегральных интенсивностей в линейчатых спектрах).Условия измерений характеризуются значениями отношения сигнала к шумуМ=Ф/Фш[Ф - полезный поток, Фш- поток, эквивалентныйшуму приёмно-регистрирующих систем (ПРС)], причём в С. значенияМ1,а методами с меньшим значениемМрешают задачи выделения сигналана фоне шумов в общей теории оптико-электронных приборов. Используемыев С. ПРС разнообразны. Применяются и фотоэлектронные приёмники с уровнемшума, зависящим от сигнала (фотонный шум), и тепловые приёмники с уровнемшума, не зависящим от потока и имеющим равномерный частотный спектр (белыйшум); и те и другие могут работать в сочетании с ЭВМ. Универсальных моделейдля всех видов ПРС нет. Рассмотрим, напр., линейную модель типа (2):

гдеF(t') -регистрируемый сигнал,J(t) -сигнал приёмника, h(t- t')- импульсный отклик ПРС (реакция на -импульсна входе), фурье-образ к-рого в пространстве частот,, наз. передаточной ф-цией. Если в ПРС колебания сигнала невелики и превалируетинерционное звено (напр., ДС-фильтр шумов с постоянной времени ),то имеет место простая связь сохватываемой ф-цией полосой частот , Значениями определяютсяинерционные искажения контура входного сигналаJ, а значениями - уровень шумов на выходе.

Искажения контураJхарактеризуются инерционной погрешностью (имеющей аналогично смысл относит. снижения максимума контура). При умеренных скоростях сканирования( , гдеbJ-ширинаJв единицах спектральной шкалы) имеет место приближённоевыражение Напр., измерения формыJконтуров с погрешностью возможны лишь за времяbJ/v,превышающее в 17 раз постояннуювремени .

Инерционные погрешности могут быть уменьшены построением более сложныхПРС высших порядков или переходом к шаговому сканированию с отсчётом иусреднением сигнала на каждом шаге.

Если в системе применён приёмник с плотностью среднеквадратичного белогошума в единичной полосе частот ФП1[Вт*Гц-1/2] и этаплотность не зависит от сигнала, то приведённый ко входу уровень шумовв системе с полосой будет Общее выражение для потока, проходящего через оптич. систему, имеет вид (q-коэф. потерь,G - геометрический факторсистемы). Отсюда получаетсявыражение для отношения сигнала к шуму, М=Ф/ФШ, и находятсяобщие энергетич. условия, определяющие диапазоны возможностей измерит.

(G' - вертикальная составляющая геом. фактора приёмника); для случаяизмерений линейчатых спектров излучения

Левая часть равенства (3) соответствует определению энергетическогофактораQкак отношения сигнал/шум при единичной полосе частот и единичном выделяемом спектральном интервале Наряду сQпользуются также фактором качестваК,значенияк-рого не зависят от выбора спектральной шкалы. Он получается изQзаменой на :

ВеличиныQ, Кхарактеризуют качество прибора. Чем больше.иК,тем больше могут быть возможности измерений по разрешающей способностиft,отношению сигнал/шумМи быстродействию (т. к. чем больше , тем меньше постоянная времени фильтра ,меньше инерционность и больше может быть скорость измерений). Правые частив соотношениях (3) и (4) показывают, от каких конструктивных параметровзависит качество прибора. Здесь видно, что вклад оптич. части прибора определяетсятолько двумя величинами (если она согласована с источником и приёмникомно геом. фактору) - коэф. потерьqи дифракц. пределом Rдиф=mNL (т -порядок спектра;N, L -частота штрихов и ширинарешётки), а вклады источника и приёмника - яркостью, плотностью шума ивеличиной G', согласованной с параметрами монохроматора:G' = hH/L,гдеh, Н -высоты щели и эшелотта.

Системы равного качества (в смыслеQ, К)могут быть реализованыв трёх основных конструктивных направлениях:

1. МаксимумR -построение приборов высокой разрешающей способности(до 106) с большими решётками, работающих медленно (Гц, постоянная времени -до десятков секунд) при небольших значенияхМ.

2. Максимум - построение приборов скоростной С. с устройствами быстрого сканированияи регистрации (до Гц,с)при сниженииRдо 30-100.

3. МаксимумМ(до 105при соответствующем диапазонелинейности) - построение приборов для прецизионных измерений контуров спектровпри умеренныхRи (см.Спектрофотометрия).

С помощью критериевQилиКоцениваются в С. возможностии др. типов систем. При этом могут изменяться показатели степени у илиR(напр., R3вфурье-спектрометрах)либо может оказаться нерегулируемой константой, тогда параметр переходит в правую часть соотношений (3) и (4) и т. д. Вводятся также дополнит.Оптимальные режимы, редукция.Общим свойством спектрометрич. sэфсистематич. погрешности убывают пропорц. , но одновременно с такой же скоростью падает поток (сигнал) и возрастает относит. уровень шумов - случайная погрешность . При увеличенииsэф, напротив, растут систематич.,но убывают случайные погрешности В благоприятных ситуациях (гладкие спектры, «мощный» прибор в смыслеQ)можетсуществовать диапазон значенийsэф, где обе погрешностипренебрежимы, но нередко такой диапазон отсутствует и возникает задачапоиска оптим. значения по подходящему критерию. Выбор критерия зависит от того, будет ли применятьсяредукция данных (методы решения обратных задач С.- нахождение истинногоконтура спектра по наблюдаемому).

Редукция прежде всего требует хорошего знания полной АФ прибора. Напр.,если измерения описываются свёрткой типа (2): J = f *а,то дляфурье-образов имеет место равенство , и если а известна точно, а J не содержит шумов, то редукция эффективноосуществляется делением фурье-обраяов:.Наложение шумов или неполнота знания а резко ограничивают возможности редукции.

Если результаты измерений предполагается использовать непосредственно(без редукции), то подходящим критерием оптимума является общее требованиеминимума погрешностей, что формально сводится к отысканию таких значенийрегулируемых параметров (ширин оптической и электрической АФ), при к-рыхсумма систематических (щелевой и инерционной) и случайной погрешностейминимальна. Характер взаимосвязей в оптим. режиме можно выразить следующимобразом:

Здесь точностью названа величина, обратная суммарной погрешности, аскоростью - величина , где - времярегистрации полосы ширинойЬ.Существенно, что точность и скоростьнаходятся в альтернативном соотношении, показатель степени точности (4)определяет, насколько она критична, а показатели степени у параметров.иQ,от к-рых зависит константа справа, показывают, что структурностьизмеряемого спектра влияет на точность и производительность измерений сильнее,Лит.:Толмачев Ю. А., Новые спектральные приборы, Л., 1976; МирошниковМ. М., Теоретические основы оптико-электронных приборов, 2 изд., Л., 1983;М и б е р н Д ж., Обнаружение и спектрометрия слабых источников света, В. А. Никитин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.


  1. спектрометрия—англ. spectrographic analysis нахождение спектра сигнала. С. может выполняться либо математически если колебательный процесс задан в виде функции или графика либо с помо...Большая психологическая энциклопедия
  2. спектрометрия—СПЕКТРОМЕТРИЯ от спектр iи.метрия iнаучная дисциплина разрабатывающая теорию и методы измерений спектров. В оптическом диапазоне длин волн С. объединяет разделы прикладно...Большая советская энциклопедия
  3. спектрометрия—от Спектр и .метрия См. метрия научная дисциплина разрабатывающая теорию и методы измерений спектров. В оптическом диапазоне длин волн С. объединяет разделы прикладной сп...Большая Советская энциклопедия II
  4. спектрометрия—СПЕКТРОМЕТРИЯ англ. spectrographic analysis нахождение спектра сигнала. С. может выполняться либо математически если колебательный процесс задан в виде функции или графи...Большой психологический словарь
  5. спектрометрия—spectrometry...Большой русско-английский словарь биологических терминов
  6. спектрометрия—ж. физ.espectrometra f...Большой русско-испанский словарь
  7. спектрометрия—сущ. жен. рода мат. физ....Большой русско-украинский словарь
  8. спектрометрия—в узком смысле измерение длин волн и интенсивности спектральных линийi с помощью спектрометров микрофотометров и др. приборов. Обычно термин С. трактуется шире как общее...Геологическая энциклопедия
  9. спектрометрия—и ж.em Научная дисциплина разрабатывающая теорию и методы измерений спектров....Малый академический словарь
  10. спектрометрия—корень СПЕКТР соединительная гласная О корень МЕТР окончание ИЯ Основа слова СПЕКТРОМЕТРВычисленный способ образования слова Сложение основ СПЕКТР соединительная гла...Морфемный разбор слова по составу
  11. спектрометрия—Начальная форма Спектрометрия слово обычно не имеет множественного числа единственное число женский род именительный падеж неодушевленное...Морфологический разбор существительных
  12. спектрометрия—спектрометрия ж. Раздел спектроскопии разрабатывающий теорию и методы измерения спектров. Измерение длины световых волн при помощи особых оптических приборов....Новый толково-словообразовательный словарь русского языка
  13. спектрометрия—спектрометрия спектрометрия и...Орфографический словарь
  14. спектрометрия—u жu Р.u Д.u Пр.u спектрометрии...Орфографический словарь русского языка
  15. спектрометрия—spectromtrie...Политехнический русско-французский словарь
  16. спектрометрия—спектрометрия спектрометрии спектрометрии спектрометрий спектрометрии спектрометриям спектрометрию спектрометрии спектрометрией спектрометриею спектрометриями спектрометр...Полная акцентуированная парадигма по Зализняку
  17. спектрометрия—Орфографическая запись слова спектрометрия Ударение в слове спектрометрия Деление слова на слоги перенос слова спектрометрия Фонетическая транскрипция слова спектрометрия...Полный фонетический разбор слов
  18. спектрометрия—от лат. spectrum видимое видение и metreo измеряю нахождение спектра сигнала. С. может выполняться либо математически если колебательный процесс задан в виде функции и...Психология труда, управления, инженерная психология и эргономика
  19. спектрометрия—спектрометрия и...Русский орфографический словарь
  20. спектрометрия—Ж мн. нет. fiz. spektrometriya iq dalalar uzunluunun spektrometr vasitsil llmsi....Русско-азербайджанский словарь
  21. спектрометрия—spectrometry спектрометрия ж.uspectrometry...Русско-английский политехнический словарь
  22. спектрометрия—спектрометрия ж. физ.ispectrometry...Русско-английский словарь
  23. спектрометрия—ж. абсорбционная спектрометрия атомноабсорбционная спектрометрия атомнофлуоресцентная спектрометрия атомноэмиссионная спектрометрия времяпролтная спектрометрия инфракрасн...Русско-английский словарь по физике
  24. спектрометрия—spectrometry...Русско-английский словарь по электронике
  25. спектрометрия—spectrometry...Русско-английский технический словарь
  26. спектрометрия—spectrometry...Русско-английский химический словарь
  27. спектрометрия—Спектраметрыя...Русско-белорусский словарь
  28. спектрометрия—физ.i спектраметрыя жен.i...Русско-белорусский словарь II
  29. спектрометрия—спектраметрыuя рыu спектрометрия электронная...Русско-белорусский словарь математических, физических и технических терминов
  30. спектрометрия—спектраметрыя ры...Русско-белорусский физико-математический словарь
  31. спектрометрия—spettrometria...Русско-итальянский медицинский словарь
  32. спектрометрия—ж. spettrometria f абсорбционная спектрометрия спектрометрия альфаизлучения спектрометрия бетаизлучения спектрометрия гаммаизлучения корреляционная спектрометрия рентген...Русско-итальянский политехнический словарь
  33. спектрометрия—спектрометрия...Русско-казахский терминологический словарь «Горное дело и металлургия»
  34. спектрометрия—...Русско-китайский словарь
  35. спектрометрия—Spektrometrie...Русско-немецкий политехнический словарь
  36. спектрометрия—Spektrometrie...Русско-немецкий словарь по химии и химической технологии
  37. спектрометрия—Spektrometrie...Русско-немецкий химический словарь
  38. спектрометрия—ж физu espectrometria f...Русско-португальский словарь
  39. спектрометрия—физ. спектрометря массспектрометрия рентгеновская спектрометрия...Русско-украинский политехнический словарь
  40. спектрометрия—spectromtrie...Русско-французский медицинский словарь
  41. спектрометрия—spectrographie...Русско-французский словарь по химии
  42. спектрометрия—spektrometrie...Русско-чешский словарь
  43. спектрометрия—Spektromeetria...Русско-эстонский словарь
  44. спектрометрия—спектрометрия и...Русское словесное ударение
  45. спектрометрия—спектрометрия и...Слитно. Раздельно. Через дефис. Словарь-справочник
  46. спектрометрия—спектрометрия сущ. колво синонимов спектроскопия Словарь синонимов ASIS.В.Н. Тришин. ....Словарь синонимов II
  47. спектрометрия—СПЕКТРОМЕТРИЯ спектрометрии мн. нет ж. физ. Измерение длины световых волн при помощи спектрометра....Толковый словарь русского языка II
  48. спектрометрия—СПЕКТРОМЕТРИЯ ж. Раздел спектроскопии разрабатывающий теорию и методы измерения спектров. Измерение длины световых волн при помощи особых оптических приборов....Толковый словарь русского языка
  49. спектрометрия—Ударение в слове спектрометрияУдарение падает на буквы еиБезударные гласные в слове спектрометрия...Ударение и правописание
  50. спектрометрия—Rzeczownik спектрометрия f Fizyczny spektrometria f...Универсальный русско-польский словарь
  51. спектрометрия—спектрометрия спектрометрии спектрометрии спектрометрий спектрометрии спектрометриям спектрометрию спектрометрии спектрометрией спектрометриею спектрометриями спектрометр...Формы слова
  52. спектрометрия—Пик Пиетет Пие Петя Петрик Петр Петит Петиметр Петер Песя Пестряк Пестро Пестик Пест Песок Песо Пескомет Песик Пес Перт Перст Персия Персик Перси Перс Перри Перо Пермяк П...Электронный словарь анаграмм русского языка