Выбор материала корпуса спектрометра

Традиционным материалом при изготовлении спектрометра является чугун. Это связано с его малым коэффициентом температурного расширения ( ), то есть корпус длиной 1 метр изменяет свою длину на 1 мкм при изменении температуры на 1 градус. Алюминий и его сплавы имеют в 20 раз больший коэффициент температурного расширения ( ). Значит ли это, что сплав алюминия не подходит для корпуса спектрометра, так как тепловые расширения спектрометра будут очень большими и это приведёт к сдвигу спектральных линий?

Отличительной чертой нового спектрометра является использование в качестве системы регистрации многоэлементных ТДИ.

Спектрометр с ФЭУ имеет несколько аналитических спектральных линий, регистрация интенсивности которых осуществляется с помощью нескольких ФЭУ, установленных на окружности Роуланда. При ширине входной щели 15 мкм, выходная щель для каждой линии имеет ширину 100 мкм. Это было сделано именно для того, чтобы при изменении температуры окружающего воздух спектральные линии после сдвига всё ещё регистрировались ФЭУ. Ясно, что для ”густого” спектра, могли регистрироваться и соседние линии. Требования к температурной стабильности окружающего воздуха были ±1°.

ФЭУ закреплялись к корпусу спектрометра, каждый на своём расстоянии от оптической оси спектрометра. Корпус ФЭУ и сами ФЭУ изменяли свою температуру вместе с температурой корпуса спектрометра. В новом спектрометре многоэлементные ТДИ имеют термостабилизацию с помощью эффекта Пельте, и кроме того, они имеют одну точку крепления к корпусу спектрометра. Как выясниться в дальнейшем, именно это и будет ключевым моментом при выборе материала корпуса спектрометра. Рассмотрим более подробно причины, влияющие на изменение положения спектра в спектрометре.

Изменение положения спектральных линий возможно за счёт теплового расширения корпуса спектрометра, за счёт изменения показателя преломления воздуха при изменении температуры и за счёт теплового расширения стеклянного образца, на который нанесена дифракционная решётка. Кроме того, изменение положения спектральной линии возможно за счёт изменения давления окружающего воздуха.

Будем считать, что корпус спектрометра будет изготовлен из сплава алюминия АЛ321. Корпус находящегося в спектрометре многоэлементного ТДИ изготовлен из сплава Д16Т. Два этих сплава имеют практически равные коэффициенты теплового расширения . Это даёт изменение метрового образца на 20мкм при изменении температуры на 1 градус. Именно по этой причине нас не будет интересовать изменение размеров спектрометра по оси y-это приведёт лишь к очень слабой расфокусировке (см.рис. 5.1). Гораздо интереснее наблюдать за смещениями вдоль оси x. Дифракционная решётка расположена в точке О, щель - на прямой OS.

Будем считать, что кристаллы ТДИ имеет одну точку крепления к корпусу ТДИ (или, что эквивалентно - к корпусу спектрометра) -

точка A. Так как ТДИ термостабилизирован, то он будет сдвигаться только за счёт теплового расширения участка AS. Позже рассмотрим влияние расположения точки A на размер смещения спектра.

Основное уравнение для дифракционной решётки с учётом показателя преломления воздуха

Здесь -показатель преломления воздуха. Дифференцируя по T при =const и =const, получаем

,

откуда

где - температурный коэффициент расширения материала подложки дифракционной решётки.

Для воздуха

 и, следовательно,

Выразим линейное изменение длины через угловое. Нужно найти FF' из треугольника OFF', зная . Из треугольника O'FF' имеем  или, учитывая малость угла , .

Для стеклянной подложки дифракционной решётки:

 и

Для показателя преломления воздуха:

 и

Линейное расширение корпуса спектрометра

Изменение атмосферного давления также сказывается на положении линии. Её смещении

где - нормальное атмосферное давление. Зная обратную линейную дисперсию можем найти линейное смещение спектральной линии

Рассмотрим знаки смещения спектра более подробно. Предположим, происходит нагревание. Стеклянная подложка дифракционной решётки расширяется, то есть - количество штрихов на единицу длины уменьшается.

Тогда из общей формулы для дифракционной решётки

следует, что угол  уменьшается.

При нагревании расширяется и корпус спектрометра, то есть смещения спектра за счёт расширения стекла и за счёт расширения алюминия происходят в одну сторону, но относительное смещение спектральных линий будет их разностью.

Общая зависимость изменения положения спектра от длины волны для диапазона длин волн 200-350 нм приведена на рис.5.2. Изменение температуры равно 1 градус, изменение давления 1/300. Видно, что величина сдвига спектра за счёт расширения материала спектрометра зависит от точки крепления ТДИ к корпусу: чем меньше длина волны, то есть, чем дальше точка крепления кристалла от оптической оси, тем больше сдвиг спектра за счёт корпуса.

Будем рассматривать только температурные сдвиги спектра. Просуммируем сдвиг спектра за счёт стекла и за счёт изменения показателя преломления и построим графики, соответствующие разным точкам крепления ТДИ к корпусу спектрометра (см. рис.5.3 ). Как было показано ранее, данный сдвиг спектра происходит в одну сторону со сдвигом самого ТДИ из-за расширения корпуса спектрометра и общий сдвиг спектра будет их разностью. Происходит как - бы взаимная компенсация сдвигов спектра. Очевидно, что изменяя точку крепления кристалла к корпусу спектрометра (расстояние AS), может изменяться сдвиг спектра относительно ТДИ. Можно заметить, что алюминий обладает большей способностью к компенсации относительного сдвига, чем чугун!

Итак, оказалось, при использовании в качестве системы регистрации многоэлементных ТДИ возможно в качестве материала корпуса спектрометра использовать алюминий и его сплавы.