Спектрометр - гэта навуковы прыбор, які выкарыстоўваецца для аналізу спектру электрамагнітнага выпраменьвання, ён можа адлюстроўваць спектр выпраменьвання ў выглядзе спектрографа, які адлюстроўвае размеркаванне інтэнсіўнасці святла ў залежнасці ад даўжыні хвалі (па восі ординат - інтэнсіўнасць, па восі х - даўжыня хвалі /частата святла).Святло па-рознаму падзяляецца на даўжыні хваль, якія ўваходзяць у яго складнік, унутры спектрометра з дапамогай раздзяляльнікаў прамяня, якія звычайна ўяўляюць сабой праламляльныя прызмы або дыфракцыйныя рашоткі (мал. 1).
Мал. 1 Спектр лямпачкі і сонечнага святла (злева), прынцып падзелу прамяня рашоткі і прызмы (справа)
Спектрометры гуляюць важную ролю ў вымярэнні шырокага дыяпазону аптычнага выпраменьвання, як шляхам непасрэднага вывучэння спектру выпраменьвання крыніцы святла, так і шляхам аналізу адлюстравання, паглынання, прапускання або рассейвання святла пасля яго ўзаемадзеяння з матэрыялам.Пасля ўзаемадзеяння святла і матэрыі спектр змяняецца ў пэўным спектральным дыяпазоне або пэўнай даўжыні хвалі, і ўласцівасці рэчыва могуць быць якасна або колькасна прааналізаваны ў адпаведнасці са зменамі ў спектры, напрыклад, біялагічны і хімічны аналіз склад і канцэнтрацыя крыві і невядомых раствораў, а таксама аналіз малекулы, атамнай структуры і элементнага складу матэрыялаў Мал. 2.
Мал. 2 Інфрачырвоныя спектры паглынання розных тыпаў алеяў
Першапачаткова вынайдзены для вывучэння фізікі, астраноміі, хіміі, спектрометр цяпер з'яўляецца адным з найважнейшых прыбораў у многіх галінах, такіх як хімічная інжынерыя, аналіз матэрыялаў, астранамічная навука, медыцынская дыягностыка і біязандзіраванне.У 17 стагоддзі Ісаак Ньютан змог падзяліць святло на бесперапынную каляровую паласу, прапусціўшы прамень белага святла праз прызму, і ўпершыню выкарыстаў слова «Спектр», каб апісаць гэтыя вынікі. Мал. 3.
Мал. 3. Ісаак Ньютан вывучае спектр сонечнага святла з дапамогай прызмы.
У пачатку XIX стагоддзя нямецкі вучоны Ёзэф фон Фраўнгофер (Франхофер) у спалучэнні з прызмамі, дыфракцыйнымі шчылінамі і тэлескопамі стварыў спектрометр з высокай дакладнасцю і дакладнасцю, які выкарыстоўваўся для аналізу спектру сонечнага выпраменьвання Мал. 4. Ён упершыню заўважыў, што спектр сямі колераў Сонца не з'яўляецца бесперапынным, а мае шэраг цёмных ліній (больш за 600 асобных ліній), вядомых як знакамітая «лінія Франкенгофера».Ён назваў самыя выразныя з гэтых ліній A, B, C…H і налічыў каля 574 ліній паміж B і H, якія адпавядаюць паглынанню розных элементаў у сонечным спектры (мал. 5). У той жа час Фраўнгофер таксама быў першым выкарыстаў дыфракцыйную рашотку для атрымання лінейчатых спектраў і вылічэння даўжыні хвалі спектральных ліній.
Мал. 4. Ранні спектрометр, агляд чалавекам
Мал. 5. Лінія Фраўн Уафэ (цёмная лінія ў стужцы)
Малюнак 6 Сонечны спектр з увагнутай часткай, якая адпавядае лініі Фраўна Вольфеля
У сярэдзіне 19-га стагоддзя нямецкія фізікі Кірхгоф і Бунзен працавалі разам у Гейдэльбергскім універсітэце і з нядаўна распрацаваным Бунзенавым інструментам полымя (гарэлкай Бунзена) і правялі першы спектральны аналіз, адзначыўшы спецыфічныя спектральныя лініі розных хімічных рэчываў. (солі) пасыпаюць у полымя гарэлкі Бунзена Мал.7. Яны ажыццявілі якаснае даследаванне элементаў шляхам назірання за спектрамі, і ў 1860 г. апублікавалі адкрыццё спектраў васьмі элементаў і вызначылі існаванне гэтых элементаў у некалькіх прыродных злучэннях.Іх высновы прывялі да стварэння важнай галіны спектраскапіі і аналітычнай хіміі: спектраскапічнага аналізу
Мал.7 Рэакцыя полымя
У 20-х гадах 20-га стагоддзя індыйскі фізік К. В. Раман з дапамогай спектрометра выявіў эфект няпругкага рассейвання святла і малекул у арганічных растворах.Ён заўважыў, што падаючае святло рассейваецца з больш высокай і меншай энергіяй пасля ўзаемадзеяння са святлом, што пазней будзе названа камбінацыйным рассейваннем (мал. 8). Змена энергіі святла характарызуе мікраструктуру малекул, таму спектраскапія камбінацыйнага рассейвання шырока выкарыстоўваецца ў матэрыялах, медыцыне, хіміі і іншых галін прамысловасці для ідэнтыфікацыі і аналізу малекулярнага тыпу і структуры рэчываў.
Мал. 8 Энергія зрушваецца пасля ўзаемадзеяння святла з малекуламі
У 30-х гадах 20-га стагоддзя амерыканскі вучоны доктар Бекман упершыню прапанаваў вымяраць паглынанне ультрафіялетавых спектраў на кожнай даўжыні хвалі асобна, каб скласці карту поўнага спектру паглынання, тым самым выяўляючы тып і канцэнтрацыю хімічных рэчываў у растворы.Гэты маршрут паглынання прапускання святла складаецца з крыніцы святла, спектрометра і ўзору.Большая частка бягучага выяўлення складу раствора і канцэнтрацыі заснавана на гэтым спектры паглынання прапускання.Тут крыніца святла раздзяляецца на ўзор, а прызма або рашотка скануюцца для атрымання розных даўжынь хваль (мал. 9).
Мал.9 Прынцып вызначэння паглынальнай здольнасці –
У 40-я гады 20-га стагоддзя быў вынайдзены першы спектрометр прамога выяўлення, і ўпершыню фотаэлектронныя памнажальнікі ФЭУ і электронныя прылады замянілі традыцыйнае назіранне чалавечым вокам або фатаграфічную плёнку, якая магла непасрэдна счытваць спектральную інтэнсіўнасць у залежнасці ад даўжыні хвалі Мал. 10. Такім чынам, спектрометр як навуковы прыбор быў значна палепшаны з пункту гледжання прастаты выкарыстання, колькасных вымярэнняў і адчувальнасці за перыяд часу.
Мал. 10 ФЭУ
У сярэдзіне-канцы 20-га стагоддзя развіццё тэхналогіі спектраметраў было неаддзельна ад распрацоўкі оптаэлектронных паўправадніковых матэрыялаў і прылад.У 1969 годзе Уілард Бойл і Джордж Сміт з Bell Labs вынайшлі ПЗС (прылада з зарадавай сувяззю), якая затым была ўдасканалена і распрацавана ў праграмах для апрацоўкі малюнкаў Майклам Ф. Томпсэтам у 1970-х гадах.Уілард Бойл (злева), Джордж Сміт, які атрымаў Нобелеўскую прэмію за вынаходніцтва ПЗС (2009), паказана на мал. 11. У 1980 годзе Нобуказу Тэранішы з NEC у Японіі вынайшаў фіксаваны фотадыёд, які значна палепшыў суадносіны шуму выявы і дазвол.Пазней, у 1995 годзе, Эрык Фосум з NASA вынайшаў датчык выявы CMOS (Complementary Metal-Axide Semiconductor), які спажывае ў 100 разоў менш энергіі, чым аналагічныя датчыкі выявы CCD, і мае значна меншы кошт вытворчасці.
Мал. 11 Уілард Бойл (злева), Джордж Сміт і іх CCD (1974)
У канцы 20-га стагоддзя пастаяннае ўдасканаленне тэхналогіі апрацоўкі і вытворчасці паўправадніковых оптаэлектронных чыпаў, асабліва з прымяненнем ПЗС-матрычных і КМОП-матрыц у спектрометрах (рыс. 12), стала магчымым атрымаць поўны дыяпазон спектраў пры адной экспазіцыі.З цягам часу спектрометры знайшлі шырокае прымяненне ў шырокім дыяпазоне прымянення, уключаючы, але не абмяжоўваючыся, выяўленне/вымярэнне колеру, лазерны аналіз даўжыні хвалі і флуарэсцэнтную спектраскапію, святлодыёднае сартаванне, абсталяванне для выяўлення і асвятлення, флуарэсцэнтную спектраскапію, раманаўскую спектраскапію і г.д. .
Мал. 12 Розныя мікрасхемы CCD
У 21 стагоддзі канструкцыя і тэхналогія вытворчасці розных тыпаў спектрометраў паступова саспелі і стабілізаваліся.З ростам попыту на спектрометры ва ўсіх сферах жыцця развіццё спектрометраў стала больш хуткім і спецыфічным для галіны.У дадатак да звычайных індыкатараў аптычных параметраў, розныя галіны прамысловасці наладжваюць патрабаванні да памеру аб'ёму, функцый праграмнага забеспячэння, інтэрфейсаў сувязі, хуткасці водгуку, стабільнасці і нават кошту спектрометраў, што робіць распрацоўку спектрометраў больш дыверсіфікаванай.
Час публікацыі: 28 лістапада 2023 г