1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.1 (А)

ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ " ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР - ПЗС - ЛИНЕЙКА " В ИЗУЧЕНИИ ЭФФЕКТА ЗЕЕМАНА.

О б о р у д о в а н и е : интерферометр Фабри-Перо, газоразрядные

спектральные лампы, электромагнит, регулятор напряжения, источник постоянного тока, спектрограф ИСП-51, ПЗС – линейка, крейт-КАМАК, IBM PC 286.

Ц е л ь р а б о т ы : исследование расщепления спектральных линий в магнитном поле, определение спектроскопическим методом величины удельного заряда электрона, приобретение навыков работы с автоматизированной системой сбора и обработки информации.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Регистрация интерференционной картины в оптической области спектра

в физических практикумах традиционно осуществляется с использованием фотоматериалов. Такой способ регистрации имеет ряд существенных недостатков, к которым можно отнести нелинейную зависимость почернения от интенсивности падающего светового потока, необходимость использования химических реактивов, большие временные затраты на получение изображения на фотоматериале и дальнейшие его фотометрирование с последующей "ручной" обработкой. В связи с указанными недостатками была создана электронная система для регистрации интерференционной картины, которая базируется на использовании линейной структуры ПЗС (прибор с зарядовой связью) управляемой от персонального компьютера посредством электронного блока, выполненного в стандарте КАМАК. Эта система реализована в рамках лабораторной работы "Эффект Зеемана" в практикуме по атомной физике. В лабораторной работе изучается влияние внешнего магнитного поля на спектр излучения атомов вещества. Помещение атома в магнитное поле приводит к тому, что его энергетические уровни изменяются. Изменение энергии электронного состояния связано с взаимодействием его магнитного момента с внешним магнитным полем. В данной работе для наблюдения эффекта Зеемана выбрана красная линия кадмия (Cd) c длиной волны λ=6438 A. Эта спектральная линия соответствует атомному переходу 5 1P1 → 6 1D2. В магнитном поле она расщепляется на 3 линии, причем отношение интенсивностей смещенных линий к несмещенной должно быть равно 1/2. Величина Зеемановского расщепления не велика и на длине волны λ=6438 A в магнитном поле Н=5 кГс равна ∆λ ≈ 0.1 A. Поэтому наблюдение этого эффекта возможно только при использовании спектральных приборов с высокой разрешающей силой. В качестве такого прибора в лабораторной работе используется интерферометр Фабри-Перо. Если на интерферометр падает плоская монохроматическая волна, то в результате многократного деления на его зеркальных поверхностях она разбивается на большое число плоских когерентных волн. После прохождения объектива когерентные волны

2

интерферируют в его фокальной плоскости и образуют пространственную интерференционную картину --- систему резких концентрических колец, причем разность квадратов диаметров соседних колец пропорциональна длине волны.

Рис.1. Блок-схема регистрации интерференционной картины.

Автоматизированная система наблюдения.

Для регистрации интерференционной картины, сформированной оптической системой и интерферометром Фабри--Перо, была использована микросхема с линейной ПЗС-структурой. Основные характеристики этой микросхемы следующие:

фоточувствительная область состоит из1024 ячеек размером 15×15 мкм2, спектральная область чувствительности 5200 ÷ 9000AA, пороговая квантовая чувствительность 5000 квантов/ячейку, разброс чувствительностей фотоячеек ≤ 8 %

Блок-схема системы регистрации представлена на рис.1. Геометрическое распределение интенсивности излучения, сформированное оптической системой, преобразуется ПЗС микросхемой во временную последовательность зарядовых пакетов, которые после преобразования и усиления в управляющем блоке ПЗС Б0604 поступают в аналоговом виде на его выход. Аналого-цифровое преобразование этого сигнала осуществляется в АЦП -122S (унифицированный с АЦП -101S). Считывание информации из АЦП -122Sв компьютер IBM AT/286 производится через крейт-контроллер K0607 и

3

плату последовательной связи ППИ - 4. Программа, работающая с описанной системой регистрации, состоит из двух частей. В первой (диалоговой) части студентам предлагается ответить на контрольные вопросы по лабораторной работе и визуально ознакомиться с ее оптической схемой. На этом этапе выполнения работы они проверяют и при необходимости проводят настройку оптической схемы согласно данному тут же руководству. Во второй части программы предполагается после подбора режимов работы аппаратуры (времени накопления светового сигнала на ПЗС-линейки диапазона измеряемых напряжений АЦП) произвести сохранение интерференционных картин при различных токах в электромагните, для их дальнейшей обработки программой MCAD. Файлы для обработки интерферограмм уже созданы, и ими необходимо воспользоваться. Программа MCAD использована для обработки интерферограмм по следующим причинам: • Диалоговый режим общения с пользователем. • Формулы на экране персонального компьютера представлены в привычном

виде (как на бумаге), что облегчает понимание производимых математических операций. К тому же возможно написание дополнительных текстовых пояснений.

• Широкие графические возможности представления результата вычислений и легкость манипулирования ими. Эти возможности программы MCAD позволяют поэтапно продемонстрировать один из методов обработки интерферограмм с Фабри--Перо. Такое представление обработки экспериментальных данных позволяет студенту активно участвовать в получении конечного результата, что безусловно улучшает понимание предложенного метода обработки.

Поскольку данная программа широко используется в практике научных исследований, то студентам полезно познакомиться с ней, и использование файлов по обработке интерферограмм можно рассматривать как первый урок по освоению данного программного продукта.

Рис.2 Зависимость величины расщепления ∆λ(A), от тока в обмотке электромагнита I (A). Прямолинейная зависимость, построенная

методом наименьших квадратов, имеет вид: ∆λ(A) = 0.103 I(A) + 0.004.

4

Пример конечного результата, получаемого студентами после проведения набора экспериментальных данных и последующей их обработке, представлен на рис.2. Здесь приведена зависимость величины Зеемановского расщепления от тока в электромагните, значению которого пропорционально магнитное поле. На рис.3 представлены интерферограммы, полученные при разных магнитных полях.

Заключение.

Использование в лабораторной работе автоматизированной системы

регистрации интерференционной картины позволило существенно сократить время, требующиеся на получение и обработку экспериментальных данных. Появилась возможность накапливать и обрабатывать большее количество интерферограмм при разных значения внешнего магнитного поля и к концу учебного занятия иметь готовый результат. Кроме того, стало возможным применять цифровую обработку полученных интерферограмм. Так использование простого вычитания двух сигналов, один из которых получен при нулевом, а другой при некотором ненулевом поле, дает возможность увидеть расщепление спектральной линии при меньших величинах поля, чем это имело место в случае с фотопленкой. Поскольку выходной сигнал с ПЗС-линейки пропорционален мощности падающего излучения, это позволяет измерять относительную интенсивность спектральных линий (см. рис.3).

Рис. 3 Интерферограммы: а – Н=0 Э.; б – Н=4400 Э.

5

М.Г. Федотов, С.А. Тиунов Устройства на основе ПЗ для регистрации оптических и рентгеновских изображений VII Всесоюзный симпозиум "Модульные информационно--вычислительные системы", Новосибирск 1989, стр. 70 А.М. Батраков, В.Р. Козак, Препринт 85-9 ИЯФ, Новосибирск 1985