ljiljana_zumbulovic_-_diplomski_rad_(d-324).pdf

UNIVERZITET U NOVOM SADUPRIRODNO - MATEM ATICKI FAKULTET

c A ,q

5

Opr. jefl. Bpoj 8WHHT

LjUjana Zumbulovic

MERENJE SPEKTRALNIH KARAKTERISTIKA SISTEMAZA SNIMANJE SPEKTRALNIH LEVIJA EMITOVANffl IZ

PLAZME

- Diplomski Rad -

Novi Sad 1994.

o

Iskreno se zahva{/tf/gm svom tnentoru, doc. dr R. Kabtiaravu,kao i doc. dr 5. Duromcn, van, prof, dr B, ViyiSicu i mr Z.

na ij.l>ara, temt diplitmskog ratla ipomott koju su mipruZHi tokomrea/izactfe.

LjiljanaZUMBULOVIC Diplomski Rad

SADR&VJ

Glaval1. Spektioskopija kao metod istraXivanja 1

1.1 Uvod : 1

1.2. Tehnika spektroskopije 11.2.1. Emisiona spektroskopija 11:2.2. Kvalitativna spektroskopij'a 21.2.3. Kvantitativna spektroskopija 3

1.3. Primena spektroskopije 3

Glavall2. Spektroskopski instrument! 5

2.1. Instnunenti saprizmom 52.2. Instrument sa difrakcionom regetkom 7

2.2.1. Instrumrnti sa ravnom difrakcionom reSetkom 72.3. Oblik spektralnih linija 15

Glavalll3. Registracija svetlosnih signnln 21

3.1. FotoelektriCnaregistracija- fotomultiplikator 213.2. Fotokatoda. 22

3.2.1. Kvantniprinos katode 233.2.2. Osetljivostfotkatode 243.2.3. Tamna struja fotkatode 24

3.2.4. KonstJiikcija fatomultiplikatora 253.2.5. Pojatanje elektronskogfotomultiplikatora ...,25

GlavalV4. Monohromator " Me Pherson 2061 " 27

4.1. Opgte kat-akteristike 274.1.1. OptiSki sistem 274.1.2. Karakteristikemonohromatom "Me Pherson 28

6

Glava y5. Merenje instrumentalne polu?irine i spektralne karakteristike 30

5.1.0pis aparahire 305.1.1. Referentni izvori 305.1.2. Cevi zapraJSnjenje 325.1.3. Geisslerovacev 32

5.2. Sema aparahire 335.2.1. Gasna i elektridna Sema 34

5.3. Opts merenja. 355.3.1. Podefavanjefokusiranostiogledala 35

5.4. Merenje spektraJne karakteristike 395.4.1. Opis merenja 39

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad

5.4.2. Sema aparature za mer&nje spektmlne osetljivosti...4Q

Glava W6. Rezidtati .- 41

Glava ^7/7. Zakljufak 49

LjiljanaZUMBULOVl6 Diplomski Rad

U V O D

Zbog mnogobrojnih znaCajnihrezultata, postignutih na polju naiikeprimenom spektroskopa, ovaj aparat senesumnjivo ubraja medju najmo6nije dodanas poznate uredjaje za ispitivanje pri-rode. Speldroskopija kao nauka ne nalaziprimenu samo u nauCnim istrativanjiraa,vec se javlja u tehnoloSkim, proizvodnimi privrednim granama, Tako sespektroskopski aparati pojavljuju ufabrikama, nuinicima, uredima zakrtminalistikn., ainbulantama, bolnicama,muzejima itd.

Razvoj ove naiike pofteo je jog u17 veku, taCnije 1666. godine, radovimaIsaaca Ne\vtona, koji je prvi uspeo dasundevii svetlost razlozi u spektar. 1802.godine W. H. Wollastbn a 1814. JosephFraunhofer prvi dobijaju spektralne linije.Za konstrukciju prvog pravogspetroskopa koji se praktitno koristiozasluzni su G. R. Kirchhoff i P.. Bunsen185 9 godine.

AnaJizom emitovanog zraCenjamogu se dobiti razne informacije oparametrima sredine iz koje se zrafte telinije. Tako na primer u plazmi mozemoodrediti koncentraciju naelelctrisanih inenaelektrisanih Cestica i njihovutemperatum, kao i podatke o pojedinimatom skim procesima.

Kako je monohromator uredjajpomo<5u koga se mogu analizirati i meritiparametri spektralnih linija, neophodno jepoznavati instrumentalnu poluSirinu.Nakon togaje moguce za snimljeni profilspektralne linije odredjenim metodamaizdvojiti instnmientalni profil, kako bi sedalje mogli analizirati odredjeni efektikoji utidu na Sirenje spektralnih linija.

Ovaj rad <5e se koncentrisati naodredjivanje instnimentalne poluSirine ispektralne osetljivosti monohromatora" Me Pherson " model 2061.

Ljiljana ZUMBULOVlC Diplomski Rad Stranal

1. SPEKTROSKOPIJA KAO METODISTRAZIVANJA

1.1 UVOD

Raspodela tntenziteta zraCenjakoje (?e emifuje iz neke sredine potalasnim duzinama naziva sespektar. Potpuni elektromagnetnispektar obuhvafa zrafienje taJasnihduzina ti intervalu od hiljade kilometarado bilionitog dela milimetra. IzpraktiCnili razloga spektarelektromagnetnog 23'aCenja delimo naoblasti. Razlog ovome je §to nijedaninstrument ntje sposoban da razloJtspektar koji sadiii sve taJasne duiine.U ovom radu nas konkretno interesujesrafienje iz vidljivog dela spektra. Zarazlaganje zi-aCenja ovih taJasnih duzinakoristimo instruments u Ciji sastavulaze prizme ili difrakcione reSetke kaoosnovni elementi.

Prvo ipitivanje spektraobavljeno je od strane Isaac Newtonajog 1666. On je postavio prizmu na putsuntevogzrakakoji je ulazio u mraCnukomoni kroz mali otvor i na zidukomore opazio fraku koja se sastojalaiz niza boja Da bi dobio jasnijiBpektar boja morao je prizmu dakombinuje sa soCivom. Za razliku odNewtona koji je zrak propuStao krozokrugli otvor, 1802. god. Woflaston iFraunhofer propuStaju zrak kroz uzanirazrez i kao rezultat su dobilispektraJne linije od kojih je svaka bilaobojena drugom bojom. Konshaikcijupn/og praktifcnog spektroskopa isu Kirclilioflfi Bunsen 1859. godine.

1.2 TEHNIKA SPEKTROSKOPIJE

Spektroskopija kao metodaistrazivanja primenjuje se zaispitivanje talasnih duzina i intenzitetazraCenja koji mogu biti emitovani odstrane jona, atoma i molekula i tada semetoda zove emisona spektroskopija.Sa dmge strane ova metodaomogu<5ava proufiavanje apsorpcije

zra^enja koje prolazi kroz materiju urazliCitim oblicima i pod raznimuslovima. Kao §to i samo ime kaze uovom slufaju govorimo o apsorpcionojspektroskopiji.

1.2.1. EMISIONA SPEKTROSKOPIJA

Spektre koje emituju joni, atomiili molelojli pod razlifitim uslovima

mozemo podeliti u tri gnipe: linijske,trakaste i kontinualne.

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad S(rana2

Slikal.Tipicni emisioni spektri snimljeni pomocu spektrografamale disperzije

( a, kontinualni speldar uzarenog vlakna, b, linijski spektar elektriSnog liikagvo?,dja, c.trakasti spektar inolekula azota ).

Linijske spektre emituju atom!ili atom ski joni koji se nalaze natak\'im rastojanjima da izmedju dvasudara mogii da zraCe kao pojedinci.Prema tome, linijske spektre 6eemitovati usijani gasovi, jer samo oniobezbedjuju nslove koji su potrebni dabi se atomi nalazili na dovoljnovelikom rastojanju. Trakaste spektreemihiju vigeatomski molekiiliusijanih gasova Cija temperatura ipaknije dovoljno visoka da bi se svimolekiili disocirali na atome, odnosnojone. Znafti, zracenjem jonizovanih ilinejonizovanih molekula, koji su

sastavljeni od dvaili vi§e atoma i akosu ovi molekuli dovoljno udaljeni odsvojih guseda tako da su potpunonezavisni, nastaje trakasti spektar.Kontinualan spektar emituju usijanac\Tsta tela ili usijane tefinosti. Podspecijalnim uslovima kontinualanemisioni spektar mo2e nastati izrafenjem pojedinih atoma, molekula inaelektrisanih Cestica, na primerzakoCno zraCenje.

Sa dnige strane emisionaspektroskopija moie da se podeli na:kvalitativnu \

1.2.2 KVALITATIVNA SPEKTROSKOPIJA

Kao §to smo napomenuliatomi i molekuli pod odredjenimuslovima mogu da emihijukarakteristican niz spektralnih linija itraka. Ove linije i frake predstavljajuneposredan dokaz o prisustvu atomaili molekula u izvoru zraCenja. Samulini ju karakteriSe njena talasnaduiina, kao i girina na polovini visine- polugirina Kako se talasne duzinedanas mogu meriti sa izuzemomta£nos5cu i kako je broj spekh-alnih

linija za koje je utvrdjeno od kojihatoma potiCu veoma velik, to znafii dasa minirnalnom gre§kom mo^emoodrediti atom od koga pojedina linijapotiCe. Samolekulima situacija je ne^tokomplikovanija. Razlog tome je Stovedina molekula disocira u elektriCnojvaraici ili luku. Sama tehnikaizA'odjenja kvalitativnespektrohemijske analize relativno jejednostavna. Uzorak materijala koji2elimo da ispitamo stavlja se u

Ljiljana ZUMBULOVlC_ Diplomski Rad Strana3

elektriCni Ink, varnicu, ili neki tlnigiizvor ekscifacije. Ako u uzorkii imamomolekule oni disocijacijom prelaze uatome, koji se pobudjuju i pofcinju daemituju zrafenje. Na put zraCenjapostavlja se spektrograf koji razlaiesvetlost narazliftite taJasne du2ine i nafotoplofr dobijamo odvojenespektralne linije. Ako odredimo talasnedtiZine ovih linija, tj. odredimo taCanpoloZaj linije u spektru, lako mo2emoizvrSiti identifikaciju linije i emitera.Jedan od uaCina da se izvrSi

identifikacija linije, je da se vrSiuporedjivanje talasne du?ine dobijenelinije i njenog intenziteta, sa talasnimduiinama i intenzitetima linijaregistrovanih u tal)licama. Tablicesadrle linije slo2ene po talasnimdu2inama i intenzitetima i gnipisane uzodredjeni element.

Ova metoda je naroCitopogodna jer ne zahteva velike kolifcineuzorka

1.2.3. KVANTITATHTVA SPEKTROSKOPIJA

Kvantitativna spektroskopijakao metoda potpuno je primenljiva nasve elemente na koje se primenjujekvalitativna spektroskopija. To znaCida vige od 70 elemenata periodnogsistema podle^e metodi kvantitativnespektroskopije. ('•ak je ova metodatnnogo pogodnija od odgovarajudihhemij,skihrnetoda,,jer zahteva manjekolifine uzorka i znatno kra<5e vreme.U £emu se sastoji su^tina oveinetode?

Pri vrlo niskim" koncentra-cijama nekog elementa u datomuzorku, kolicina svetlosti kojuemituje taj elemenat uvek je upravosrazmeraa broju njegovih atoma, ako susvi ostali uslovi pod kojim on emitujekonstanmi. Ovakva linearna zavisnost

veoma je pogodna za kvantitativnuanlalizu. Veoma znaSajna osobina ovemetode je §to ona omoguduje gotovoistu taCnost pri svim koncentracijamaOdnosno, pri malim koncentracijamataCnost ove metode veda je odtafcnosti odgovaraju6e hemijskemetode, dok je za koncetracije preko5% sihiacija obrnuta. Zbog niza svojihdobrih osobina metoda kvantitativnespektroskopije danas se primenjuje uindustiiji i to: za ispitivanje koliftineprimesa u metalima, za odredjivanjesastojaka u legurama, za ispitivanje ikontrolisanje raznih produkata ubiologiji, kao i u prehrambenojindustry i.

1.3 PRIMENA SPEKTROSKOPIJE

Spektroskopija kao nauCnametoda istrazlvanja veoma mnogo sekoristi u svim prirodnim naukama anai-ocito u: astronomiji, fizici, hemiji ibiologiji. Nalazi primenu u: (1)prouCavanju apsorpcije i emisije

svetlosti razliCitih supstanci u svimagregatnim stanjima, (2) kvalitativno ikvantitativno odredjivanje vrstaatoma i molekula, koji ulaze u sastavispitivanog uzorka, (3) ispitivanjestnikture atoma i molekula, (4)

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad Strana4

odredjivanje veliftine, mase,temperature, brzine kretanja i mnogihdrugih karaktreristika nebeskih tela

Spektroskopija u astronomiji:omogu&la je da se izvrSikvalitativna analiza mnogih zvezda,kao i kvantitativna analiza povrginesunca. U spektni stinfeve korone iraznih maglina nadjene su neke linijeza koje se veoma dugo nije znalo odkojih atoma potifiu. Kasnije pokazanoda one potiCu od poznatih atoma kojise nalaze pod specijalnim uslovimakoje je nemoguê postitt ulaboratorijskim nslovima. Pomeranjepolozaja spektralnih linija koje jeizazvano Dopplerovim efektom sluziza odredjivanje brzine pribli?,avanjaili udaljavanja zvezda i nebeskihmaglina, kao i za merenje sunfceverotacije.

Spektroskopija u fizici:spektroskopski podaci dajunajpreciznije etalone divine, tako da seumesto standardnog etalona za duiinukoga je Cinila gipka od jednog metra,danas koristi talasna duzina o§b-ecrvene kadmijumove linije.Spektroskopija takodje dajeinformacije o elektronskoj struktiiriatoma. Potno6u Zeemanovog efektadobijaju se kvannii brojevi i poloiajielektrona kod razlifiitih elemenataOva metoda takodje omogu6avadobijanje tzv. hiperfme stnikture,koja nam goAôri o spinu jezgra atomakoji zraCi. Takodje je mogutfeodrediti magnetnu susceptibilnost ielektronsku konfiguraciju atoma.

Spektroskopija u hemiji:prvenstveno se koristi za kvalitativnuanalizu. Ovo je rezultiralo otkriûmnogih elemenata. Primenaspektroskopskih metoda dovela je dootkri£a retkih izotopa poznatihelemenata Stnikture mnogih molekulaodredjene su ovom metodom. Onatakodje otkriva geometi-iju molekula inepoznatih stnikturnih formula.

Spektroskopija u biologiji: zaotkrivanje metala u biohemijskimsupstancama 6elijama i tkivimaodgovorne su kvalitativna ikvantitativna emisiona analiza,Najvaznija primena je za re§avanjetoksikoloSkih problems Infracrvena iRamanova Spektroskopija posluiile suza otkrivanje stnikture mnogih poznatihvitamina, enzima i dnigih vrlo slofcenihsupstanci. Apsorpcionamikrospektrofotometrija uspesno jereSila raspodelu supstanci kao §to sunukleinske kiseline u £elijama itkivima.

Posebnu oblast u spektroskopijifini laser ska Spektroskopija.Zahvaljuju<5i osobinama laserskogzi'aftenja, kao §to su: usmerenost,koherenmost, monohromatiinost;mogu<5i su potpuno novi pristupi uispitivanju materijala i fiziCkihprocesa.

Ljiljana ZUMBULOVIC Dip lorn ski Rad StranaS

2. SPEKTROSKOPSKI INSTRUMENTI

2.1 INSTRUMENTI SA PRIZMOM

Uredjaji koji se sastoje od ulaznepukotine, disperzionog elementa idetektora zraCenja nazivaju sespektroskopski instrument}. U zavisnostiod naCina detekcije zrafienja postoje:•Spektroskopi, ( vizuelno posmatranje )••Spektrogmfi, ( fotografska detekcija)•Spektrofotometri, ( fotoelektrifnadetekcija).

Ukoliko je uredjaj snabdeven iizlaznom pukotinom na kojbj ise javljasamo u/an interval razlo2enog zraCenja

po talasnim du2inama, onda je tomonohromator. Disperzioni elementmo2e da bude ili prizma ili difrakcionare§etka. Kada se polihromatska svetlostpropusti kroz prizmu ona 6e bitirazlo^ena po talasnim diiiinama, a skupovih elektromagnetnih zi'aCenja razliCitihtalasnih duiina naziva se spektar. Ako setako razloZeno zraCenje projektuje naekran ili fotografi§e, dobija se slikakojase takodje naziva spektar i to jeprikazano na slici 2.

Slika2.Spelctar koji se dobija razlaganjempoliliromatske svetlosti kroz prizmu

Prizme koje se koriste kod ovogtipa spektrometra mogu biti izradjeneod razlifitih materijala, u zavisnostiod oblasti spektra za koje se

speldrometar koristi. Ako je zraCenje uoblasti vidljivog,bliskog infracrvenog itiltraljubiCastog dela spektra mogu sepogodno upotrebiti optiCka stakla iako

Ljiljana ZUMBULOVll Dip lorn ski Rad Strana6

imaju vrlo usku-oblast transparencije. Uovom slutaju se kaze da uredjajkoristi staklenu optiku. RazliSite vrsteoptiftkih stakala imaju razlifcitudisperziju,indeks prelamanja ... Flint-stakla propustljivija su za svetlost ve&htaJsnih duSina od tzv. Kron-stakla.

Ako se prizma refce od kvarca (za primeRii u UV oblasti), mora sevoditi rafuna da se optifcka osa prizmepoklapa sa optifikom osom kristala. Toje zbog toga Sto kvarc i to prirodnikristalni kvarc, za razlikii od optiCkogstakla vrSi dvostniko prelamanje usledcirkularne polarizacije koju daje kvarc.Ovaj nedostatak se lako moze otklonitiako se jedna polovina prizme nacini odinaterijala koji daje skretanje u levo, adraga polovina od kvarca koji dajeskretanje u desno. Topljeni i!i staklastikvarc ne vr§i dvostniko prelamanje,medjutim ima daleko manju mo6razlaganja, zatim jaCe apsorbuje i retkoje u dovoljno homogenoj formi koja 6edati zadovoljavajuc~e optiCkekarakteristike.

Kamena so i kalijum-bromidimaju vrlo visoku transparentnost ugirokoj oblasti talasnih duzina, medjutimjako su higroskopni pa se morajubrizljivo Cuvati od vlage.

Fluorit (kalcijum-fluorid) iakoveoma skup, upotrebljava se za izraduprizmi kqje treba da propuStaju do 125nm. Krtost ovog materijala u mnogomeoteiava njegovu obradu. Isti ovimaterijali koriste se za izradu ostalihoptiftkih komponenata ( softiva i si.) zadate oblasti iz spektra zraftenja Ukoliko2elimo da ispitujemo serijski pojedinespektre koristimo spektrometre saprizmom kod kojih su kolimatorskacev, prizma i durbinska cev fiksiraiie ujednom poloiaju.

Medjutim danas se veoma retkokoristi disperzioni sistem sa jednomprizmom. U spektralnim uredjajima

se sredemo sa slede6a tri tipadisperzionih sistema:

1. Prh.ma statnog otklona, ilipriuna PelliitrBroc-a se sastoji od dvedisperzione prizme (kod kojih je jedanugao 30 ° ) i jedne prizme za totalnurefleksiju. Poslednjaprizmane uCestvujeu disperziji, ve6 slu5i samo za skretanjesnopa svetlosti. Svetlosni zraci prolazekroz disperzione prizme pod uslovimanajmanjeg skretanja, a zatim izlaze izprizme pod iiglom od 90 ° u odnosu naprvobitan pravac. Ovakav disperzionisistem datje naslede^oj slici:

Slika 3.Prizma Pellin - Broc-a

2, AwloKolimadoni sistempr&me, ili prizma pe Ltitrow-ukarakteristiina je po tome s"to senakon prelamanja i disperzije,svetlost reflektuje od zadnje straneprizme, na koju je nanet metalni sloj isluii kao ogledalo. To znafi da se snopvra6a gotovo istim pravcem, samo usuprotnom smeru. Na taj naftin svetlostdva puta prolazi kroz isti objektiv tj.soCivo. Zato ovaj sistem ima velikuprimenu u autokolimacionim uredjaj ima, kod kojih su kolimatorska ikamernacevspojeneujednu. Na slici 4je prikazan disperzioni sistem saprizmom po Littrow-u:

Ljiljana ZUMBULOVlC Diplomski Rad Strana 7

Slika 4.

Priana po Littrow-u

3. Sixtem prfame Fuchs-Ftfi-a sastpji se iz prizme Cijaje

osnovica ravnostrani trougao i koja jeCvrsto vezana za ravno ogledalo ( slika5.). Znalajno je napomemiti da i ovdepostoji stalan otklon svetlosnih zraka.

Slika 5.

Prizma Fuchs Wadsworth-a

U spektraJnim uredjajima segotovo uvek upotrebljavaju metalnaogledala i to najCesce od srebra iahiminijuma.

2.2 INSTRUMENTI SA DIFRAKCIONOM RESETKOM

I?iko se kod spektralnih uredjajakoji kao disperzioni element, iimestoprizme, koriste difrakcionu reêtku,javljaju nedostaci kao §to su: vediastigmatizam, br2e oSteênje r^Setke uodnosu na prizmu, pa i cena, ovi uredjajiipak imaju veliki broj predtiosti uodnosu na ptedhodne. DifrakcionereSetke imaju rnogu^nost obuhvatanjamnogo Sire spelctralne oblasti, imajuve6u disperziju, ve6u mo6 razlaganja,

ve£ti ravnomernost disperzije, manjerasipanje svetlosti, a u izvesnimslufajevim mnogo bolje propuStajusvetlost.

U odnosu na vrshi reSetke sveove instnnnente delimo na : instrumentesa ravnom i instrumente sa konkavnomdifrakcionom resetkom.

2.2.1. INSTRUMENTI SA RAVNOM DIFRAKCIONOMRESETKOM

Ovi uredjaji mogii da sadrfetransparent)™ i refleksioiw reêtku.Prva vista naJa/i primenu kod malih

uredjaja i kod instrumenata za rad sastudentima. Ravne regetke velikihdimenzija upotrebaljavaju se u

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad Strana 8

zvezdanim opservatorffiama Sema ravnom difrakcionoin reSetkom data jejednog tipifinog optiCkog sistema sa naslici6:

Slika 6.Sema jednog sistema sa ravnom difrakcionom regetkom

Sltka daje gemu Litfrowljevograsporeda optiCkog sistema sa ravnomdifrakcionoin reSetkom. S je razrez, Mrefleksiono ogledalo ili prizmR, Lkolimntorsko i durbinsko socivo, Greêtka, a ABâvan u kojoj se posmatraspektar.

Ako raôiu re§etkii Jelimo daupotrebimo i za vi§e difrakcione redove,neophodno je ovom sistemu dodafisoCJA'o. Mora se voditi raCtina da jesocivo dobro korigovano u pogleduhromatifne aberacije, takodje ono morada ima istti apeitiini kao i regetka, inaCelinije pretarivenih spekfralnih redovane<5e biti u 2iii na istoj krivoj. Ranije sedobra korekcija u pogledu hi'omatiCne

(c) 3 ureza

aberacije mogla ostvariti sanio usluCaju staklenih sofiva, znaCi da su seuredjaji mogli koristiti samo u oblastividljivog, bliskog ultraljubifiastog ibliskog inlracnrenog dela spektra.Kasnije sa raogii6no§6i dobijanjavelikih kvai'cnih sociva spektralna oblastse prosirila.

Difrakcione regetke: sastoje seod velikog broja nareza Broj ovihnreza ozna5i6emo sa N. Ukoliko je Nvece to ce i moc razlaganjaresetke bitive6a Disperzija reêtke direktno zavisiod rasporeda nareza. Sto su ove linijeblizejedna drugoj, difrakcija resetkejeveca. Zavisnost difrakcione slike odbroja nareza N data je na slici 7:

(f) 20 ureza

31ika7.Difrakciona slika koja se dobija koriSienjem difrakcionih reSetki sa razliCitim brojem nareza

Ljiljana ZUMBULOVll Diplomski Rad Strana9

Kolimisani snop monohro-matskog zratenja koji je dobijen izjednog razreza pada na razlifciti brojekvidistantnih ureza i nakonfokusiranja pomo6u soCiva dobijamoovakve difrakcione slike. Ako svetlostkoja pada na difrakcionu res"etku nijemonohromatska, dakle sadr2i nekolikotalasnih dufcina, broj linija koje sedobijaju se povedava Rastojanje svakelinije proporcionalno je talasnoj duzinisvalce linije. Skup svih ovih linijapredstavlja grupu spektara razliCitihspektralnih redova.

Vec smo napomenuli da se kodmalih spektrometara sa regetkomiipolrebljavaju transparentne reiSetke. Tosu providne plofiice na kojima se nalaziveliki broj proreza. Na grubimreêtkama immno sanio 200 linija pocentimetru, dok kod superfinih reSetkiovaj broj se penje i do 12000 nareza pocenfinietrii. Refleksione reêtkenglavnom nalaze primenu kod velikihspektrografa, Standardni brojevi narezakod ovog tipa reSetke kre(5u se od 2000do 12000 po centimetru. RefleksionereSetke imaju prednost nadfransparenhum, zato Sto svetlost neprolazi kroz materijal koji neminovnorazli6ito propusta razliCite talasne duîne.Ako je to neophodno reSetka moze daobuhvati oblast od 100 do 1000 nm.Naj5e§<5i materijal koji se koristi zaizradu difrakcionih reSetki jealuminijum. U daJjem tekstu dademoneke od najvaznijih karakteristikaspektralnih uredjaja

Pokazuje n kojoj nieri spektralniaparat razlaie svetlost u prostoru,odiiosno po talasnim dulinatna.Disperzija mo2e biti ugaona ilineama. Ugaona disperzija (*9 /dA ) i

ona zavisi od upotrebljenogdisperzionog sistema i meri promenuugla skretanja 8 upadnog zraka sapromenom talasne dufine. Zadifrakcionu reSetku sa konstantnimrazrezom ugaona disperzija data jeizrazom:

«8 = Nm/Acose ............... (1)

Gde je N broj nareza na reSetki, mupotrebljeni spektralni red, a Alineama apertura regetke, u ovomslucaju rastojanje izmedju prvog iposlednjeg nareza, kao §to je prikazanona slici 8:

TA

Slika 8,Iluslractja uz definiciju disperzije spektl'alnog

uredjaja

Lineama disperzija (dl/dA ) meripromenu rastojanja difraktovanih linijadl sa promenom talasne diizme upadiiogzrafienja. Ona se u praksi 6eS6e koristi idaje stvaniu razliku dl izmedju dvejubliskih linija u spektru, Cija je razlikatalasnih duiina dX.

Medjutim u praksi se sredemo isa pojmom reciprofne disperzije, kaomerila same disperzije, a to je kao Sto isam naziv govori, reciprofina \Tednostlinearne disperzije. Reciprofnudisperziju nazivamo jo§ i faktor ploCe.


2. tiirina pakotine i Aparatrtafnttkcija

>20

'10

Slika'9.Zavisnost Sirine lika ulazne pukotine od Sirine

same pukotine

Sirina lika 82 ulazne pukotine ufokalnoj ravni zavisiod §irine ulaznepukotine b^to je prikazano na slici 9. Sasmanjenjem Sirine ulazne puktine b jsmanjuje se i s2 samo do odredjenevrednosti b]0 , pri daljem smanjenjubjSirina lika s2 praktiCno ostajekonstantna 820 , a dolazi samo dosmanjtvanjaosvetljenosti lika. Osim togapri girinama ulazne puktine bliskim b|Q ,raspodela osA'etljenosti na liku serazlikuje od osvetljenosti ulazne pukotinezbog difi'akcije i aberacije. b]Q se nazivanormalnom Sirinom ulazne pukotine izavisi od parametara spektraJnoguredjaja.

Difrakcien « p ojnve

Znamo da uzana uiazna pukotinadifraktuje svetlost, sve pojave 6e bitirazmatranepod pretpostavkombeskonaCno uske ulazne pukotine( ^i* b10 ) i monohromatskog zfaCenjaUhizna pukotina se nalazi u ?,i£i objektiva

kolimatora, tako da na disperguju^isistem pada paralelan enop zraka, obi^nopod nekim uglom *f. Za raspodeluintenziteta se dobija:

I ( T ) - IQ ( sin c / e )2 ....... (2)

gde je E = k A / 2talasni broj k = 2n/ X , a A je putnarazlika dva krajnja zraka

Odnos intenziteta maksimuma jesledeci :

I0 : Ii : Ii : 13 = 1: 0.045: 0.016: 0.008

Prema tome oko 84% na glavni maksi-mum.

Razlika uglova izmedju susednihmaksimuma je:

AT, ^ ...... (3)

U slufcaju kada je Dj» X Af, « \l Dj(cos T|«1 ), moze se pokazati da jeugaona Sirina glavnog difrakcionogmaksimuma na 1/2IQ priblizno jednaka

obiCno naziva ugaonom Sirinom glavnogdifrakcionog maksimuma.

Prema tome, zbog difrakcije, nadispergujuft sistem ne pada paralelnisnop zraka ve6 snop sa difrakcionomraspodelom I( T ). To zna6i da 6e i naizlazu iz dispergujudeg ststema snopzraka takodje imati difrakcionuraspodelu, ali sa izmenjenom veliftinomuglova Tj , ̂ v zbog ugaonog uveianjatog sistemaZnaCi stvarna ugaona §irina glavnogmaksimuma je:

= X/D 2 .— (4)

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad Stranall

Linearno rastojanje izmedjucentara glavnog maksimuma i prvogminimumaje:

sin <f> D2 (6)

...... (5)

a ako fokaina ravan nije normalna naoptifku osu:

gde je f2 2i2na daljina fokusirajudegelementa. Osnovni parametri glavnogdifrakcionog maksimuma dati su naslede6oj slici:

J(A1) ; k

Al

Slika 10.Osnovni parametri glavnog difrakcionog maksimuma

Uve^anje se u ovom sluiaju moleizraziti (D »X)kao:

U-it Al/ (7)

gde je Al = A*f2 Tada formula zadifrakciomi raspodelu u funkcijilineainog rastojanja glasi:

I ( Al ) = I0 [ sin (jtAI/Ali) / nAl /Ah]2 ..... (8)

Ukoliko raspodela energijeglavnog maksimuma nije simetrifcna( neravnomerna je)glavni maksimum se obifno karakteriSeSirinom arj> na visini Ip/2. VeliftinaaD ̂ 2 ( Al )j /2 se odredjuje iz:

IQ (sins/ s)2 = 1/2I0....L..(9)

je ispunjeno za E = 1.39 tako dajeotj) = 0.886Alj Na Sirini glavnogmaksimuma jednakoj Alj njegovintenzitet je ( Al = Alj/2 ).

I (AI1/2 ) - IQ 4/Ji2 = 0.40510 (10)

Sada treba razmctriti ulogudifrakcionih pojava pri obrazovanjulikova pri konafnoj Sirini ulaznepukotine. Neka ulazna pukotina imagirinu bj>bj 0 i n^ka je osvetljenamonohromatskim zraCenjem talasneduzlne X. Tada se svaki beskonaftno malielement pukotine, prema Haygensovomptincipu ponaSa kao izvor sekundarnihsferih taJasa Ti talasi prolazeft krozfokusiraju<5u optiku i disperguju<5i sistem,obrazuju u fokalnoj ravni odgovaraju^e

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad Stranal2

difiakcione raspodele, koje su ranije razmatrane.

Slikall .Faaia razlika talasa nastalih u razlifiitim taSkama'ulazne pukotine

raspodela energije ufokalnoj ravni je snma svih difrakcionihraspodela, rasporedjenih na du2ini s2.Pri tome treba uzeti u obzir razliku fazaizmedju talasa nastalih u razlifcitimtaCkamauIazjie pukotine.

I (x)" TO I [ s'n 7l(x-(11)

I opisuje formu rezultujude raspodeleenergije. Ova raspodela odredjenajeSirinom gla\Tiog difi-akcionogmaksinnimaAl| i granicama integrala± S2/2, a prema tome zavisi i od girineulazne pukotine b^

J(x)

Slika12.Rezultuju<5a raspodela energije zracienja


Ako je s2 » Alj, u oblasti x « 0vrednost integrala (1 1) je priblifcno

/ [ sin 7t(x-x')/Al1/n(x-x>)/Al1]2dx'a^ - n ......... (12)

tj. ima konstantnu vrednost To znafci daje u centralnom delu raspodele intenzitetkonstantan I(x) = const, i ne zavisi odStrine ulazne pukotine. U blizini tafaka

intenzitet brzo opada. Pri s2« Al jraspodela (1 1) je bliska difrakcionjraspodeli (8) sa Sirinom ajy* 0,886 Aljnezavisnom od Sirine ulazne pukotine bj .

1

82= 1.25 A 1,

2A1,

Slikal3.Zavisnost girine glavnog maksimuma od

§irine ulazne pukotine b(.

Norormalna Sirina pukotine b 5 0

se odrediti izuslovajednakostiSirine lika pukotine s2 i Sirine glavnogdifrakciondg maksimuma aD koristeîzraz:

*U (13)

i dobijamo:

S20 = b!0 U

odakle sledi:

15)

PoSto ta tacka pregiba na krivojs2= f( b^) nije sfrogo odredjena, praktiinoje vazno znati oceniti veliCinu normalne

e pukotine b10

Obicno se uzima da je otp » Alj= f2 / D2 itada izraz (15) dobija oblik:

odnosno koristedi izraz da je:

U=dobija se:

d T- D/ D'...,( 17)

j ....... (18)

Sto se najCeSê koristi, jer se bj0

izraâva pomo<5u parametara ulaznogkolimatora Do sada su razmalranedifi'alccione pojave u pravcu disperzije,medjutim ako ulazna pukotina ima oblikpravougaonika i ako je Dj « h iste takvedifrakcione pojave, deSavatfe se nagornjim ivicama pukotine. Medjutim, upraksi je visina mnogo veda od Sirine,talco da se ove difi'akcione pojave moguzanemariti, pa visina lika h^ moze da seodredi prema izrazu:

h'^hfj/f! ..... (19)


3. Mo f rht.lagan/a:

ObiCno se obelezava sa P idefinite se odnosom A /d A pri Cemu jed razlika talasnih duzina izmedju dvebliske linije sliCnih intenziteta, kojedati uredjaj Jos' uvek mo2e odvojeno da "vidi " pri datoj talasnoj duzini. Znajudida je svaka spektralna linija ustvarislika razreza, to znaCi i kada je razrezsasvim uzan njegova slika se vidi uoblikii difrakcione slike, dakle sastoji seod jednogjasnog maksmuma u sredini idva slabije izrazena maksimuma sa obesfrane. Mo^ razlaganja disperzioneregetke data je obrascem:

P = Nm (20)

Ode je N kao i ranije ukupanbroj nareza, a m upotrebljeni spektralnired, "k je srednja talasna du2ina dvejubliskih linija, a dX je razlika njihovihtalasnih duznia. Kod dobre reSetke mo6razlaganja za prvi spektralni red bi£evrlo bliska teorijskoj vrednosti datojgornjim izrazom. Ved za drugidifrakcioni red mo<5 razlaganja je samoza polovinu ve6a od teorijske za prvi red,a za tre6i red samo dvostruko veda negoza prvi red. Disperzija i mod razlaganjavrlo Cesto se zamenjuju. Naredna slikaprikazuje razlikii izmedju njih:

Slika 14.Raspodela intenziteta na difrakcionim slikama dveju spektralnih linija talasnih du2ina A,] i

ijpravo razlo2ene kao funkcija Iinearnogpolo2aja 1 na spektruk°je su

Disperzija odredjuje pribliznomesto u spektru na koje £e pasti svetlostdate talasne duzine, dok mo6 razlaganjaodredjuje u kojoj meri ie ova svetlostbiti razdvojena od svetlosti drugihtalasnih duiina. Ove dve karakteristikesu povezane i za njih va2i da je mo6razlaganja optiftki dobrog spektroskopa

jednaka njegovoj disperzijipomnozenoj njegovom efektivnomlineamom aperturom A.

Pored ravnih postoje i konkavneresetke, koje se dobijaju ako sedifrakcione linije narezu na konkavnoogledalo. Konkavna regetka fle zahtevdnikakva soCiva ni za kolimaciju ni za

Ljiljana ZUMBULOVIC Dip lorn ski Rad Stranal5

Fokiisiranje. Konkavria' refleksionaregetkapredstavljajedan ocl najmocnijihdisperzionih aparatakoji postqje.

2.3. OBLIK SPEKTRALNIH LINIJA

Frimenom spektraJnih urecljajaodgovarajuce moci razlaganja, uocenojeda spektralna linija nije strogomonohromateka, ve<5 ima odgovarajuftjSirinu. Dakle, profil zauzima neki

konafian interval talasnih duZina, tj. 11nekom intervalu ucesfanosti ima fotonasvih ufcestanosti u manjoj ili veioj meri (vidi slilai 15 ).

3w

w Aco.

00

S!ika15,Oblik spektralne linije

Uzroci Sirenja spektraJnih linija mogubiti;

* Tnterakcija atoma-emitera sapoljem sopstvenog zraCenja, koja jeokarakterisana silom zrafcenja, izazivaptiroflno Sire^fe. Prirodno girenjespektralne linije je posbdica

fundamentaJnih osobina materije koje suokarakterisane Heisenbergovimprincipom neodredjenosti.

* Interakcija atoma emitera sasredinom iz koje se emituje zraienjeizaziva veliki broj mogulih mehanizamakoji dovode do §irenja spektralnih linija.


* Interakcija emitovanog zraCenjasa niernim uredjajem, daje instrumen-talno Sirenje, koje egzistira i u sluCajumonohromalskog zrafenja. Spektralnalinijaje zapravo difrakcionaslika ulaznepukotine datog spektralnog viredjaja,

* Sirenje spektralne linije mozeda odlikuje i nesimetriCnost kada jespektralna raspodela energije zrafenjanajveda u centra profila i nejednakoopada na krilima profila, Sto mo2e bit?posledica netrivijajnih uzroka izazvanihrazliditim fizifkim procesima koji seodigravaju u sredini iz koje se emitujezrafienje. Hi mo2e biti posledicahivijalnih uzroka, kao §to je iikrgtenostpukotina. Jedna od osnovnih veliCinakoje karakterisii spektralnu Hniju jestenjena poluîrina, tj. Sirina profila napolovini njegove visine.

Realni spekfralni iiredjaji tinoseizobliftenja u spekfar koji se registraje.Zbog toga se registrovani spektarrazlilaije od stvarnog spektra zraCenjakoji pnda na ulaznn pukotinn. To zna<5i daje izmenjena zavisnost energije zraCenjaod talasne dtiiine. oblik i Sirinaspekttnlnih linija i diiige karakteristikeptvarnog spektra. Velifina lih, kako se6esto nazivaju aparaturna izohliZenja ivelicina moci razlaganja medjusobno supovezani. §to je ve£a mo6 razlaganja, tosu manja aparaturna izobliCenja, tj.regisb-ovani spektar- je bli2i stvarnom.Svaki realni spektralni uredjaj mo2e seokarakterisaii nekotn velifiinom koja sezove aparatna funkcija i ona odredjujestepen aparatnrnih izoblifienja i modrazlaganja. OptiCki uredjaj se moienazvati idealnim, ako je lik svake taikepredmeta takodje tadka, Medjutim urealnom optiCkom uredjaju umesto tafikedobija se mrlja. konafinih dimenzija To

nastaje zbog difrakcije i aberacije, fiiji jeuzrok nesavrSenost fokusirajuê optike, apit fotografisanju i zbog rasejanjasA'etlosti na foto- emulziji. Medjutim, ikadabi se uepela izbeî aberacija, ostalabi difi-akcija, jer je ona uslovljenatalasnom prirodom svetlosti. Izraz ( 8)daje oblik raspodele energijebezaberacionog sistema, tj. difrakcionuraspodeln sa poluSirinom aD. Medjutinijpostoji isto\Temeno dejstvo i aberacije idifrakcije. Ako je aberaciona Sirinaaa«otD aberacija se mo2e zanemariti, iobrnnto. Ali ako je aa » <XD rezultatraspodele energije u liku pukotine jeveoma slo2en, no ja^no je daje njegovagirina veda od Sirine a^.

Raspodela energije mono-hromatske spektralne linije u fokalnojravni naziva se aparatna fiinkcijaspektraJnog uredjaj a A( ^ ) iliinstnunentalna kontura.

Difrakcione i aberacione pojavedegavaju se kako u raATii disperzije, takoi u ravni normalnoj na nju, medjutim odinteresa je samo raspodela energije uravni disperztje. Tako 6e aparatnafimkcija biti razmatrana samo uzavisnosti jedne koordinate.

Ako je ulazna pukotina osvetljenazraCenjem koje ima slo2en spektar, npr.ziaCenjem spektralne linije konaineSirine, to <5e svakamonohiomatskakomponenta te iinije ufokalnoj ravni biti razlozena u qblikuapai'atne fiinkcije kona^ne Sirine a.Prema tome, raspodela energije uspektralnoj liniji razlikuje se od stvarneraspodele u spektralnoj liniji izvorazrafienja Prema tome, posmatrana sirinaspektra je uvek ve6a od stvarne.

Lj i Ij ana ZyfcfflULOVIC Di|>l^skijlad_ Stranal?

Slika 16.Aparatnafunkcija

Slika 17.Aparatne funkcije bliskih linija a) za dl > a i b) za. dl < a

Postavlja se pitanje, koliko seaparame fiirikcije sa taJasnim duZinama Ki X + 5A, mogn prekrivatt, a da ipak budurazlo?.ene. Postoji nekoliko kriterijumalazlaganja, Ako se aparame fimkcije

delimitno prekrivaju u reznlmju<5ojraspodeli se javlja minimum ( Slika 18).Treba reci da se ovde posmatrajn dvefunkcije jednakog intenziteta. Pojavkminimuma se karakteri§e veliCinom:


mln •

SlilcalS,Prekrivanje aparatnih funkcija - teorijska kriva

- V* + V* = AO ............. (22)

~ A (23)

^ ̂ rtuwr" ^--nuw

Treba napomenuti da eksperimentalnakriva nije glatka zbog Sum ova, Stopovedava greSku pri odredjivanju AI/

Imax. Prema ovom kriterijumu dvemonohromatske linije X i X+ 5X semogu smatrati razlozenim ako jerastojanje izmedju centara aparatnihfunkcija dl jednako Sirini aparatnefimkcije a. Ovaj kriterijum se ustvarimo2e primeniti za ocenu §irine aparatne.fiinkcije.

dl=a

Slikal9.Kriterijum koji se koristi za Sirinu aparatne funkcije

VeliCina AT / L^aj. se uzrazava u A ( ^ ) = AQ( sin £/ § )2 •( 25)procentima U sluCaju kada je b j « b]0

aparatna fimkcija je odredjena Sa Sirinom otj) - 0.868 Alj i kada je dl =difrakcionom raspodelom: «D velifina AI/lmnx.= 2%. U sluCaju Sire

pukotine bj « bjo vrlo je te§ko dati


anaJititki izraz aparatne fiinkcije. KodmohnjohiomatoVa, pri postojanjuaberacije, aparatna funkcija se mo2eaproksimirati Gaussovom krivom:

slutaju ispunjen uslov da je ill = a

A( O =A0 exp ( - 41n2 ?2/ n2 ) ...... (26)

gde je a - parameter Qaussove fiinkcije.Njena pohiSirina se odredjuje iz uslovada je ?2/ a2 s i Hi A( a) = V I, pritome je cr = 1.665 a. Kako je u ovom

Cesto se koristi laiterijumrazlagaiija kqji je predlo4io Rayleigh.Ovaj kriterijum je primenljiv samo zadifrakcione aparatne ftmkcije. Dvemonohromatske linije sa taJasnimdu?,inama X i X + 8X smatraju serazdvojenim ako se centar glavnogmaksimuma aparatne fiinkcije poklapa saprvim sa minimum om druge aparatflefiinkcije.

Slika 20.Ilustracija uz R.ayleigh-ev kriterijiim razlaganja

To znaCi da se ovde umestouslova da je di = otD primenjuje uslov daje dl = A!j - f2 X/Dj- Tada je preniit (.Ib)Imln = 2A( A!t/ 2) « 0.81 A0, a Ak/ tw« ft20% . OCigledno je da je najveda moc"razlaganja pri difi-akcionoj aparatnojfunkciji i to se naziva teorijska modrazlaganja. Medjutim, kod realnihspektralnih uredjaja mod razlaganja jeuvek manja od teorijske i naziva se

praktiCna mo6 razlaganja. Aparatnafimkcija mo2e se izraziti i u zavisnosti odtalasne duzine. Inter\al talasnih duiina nadelu jednakom Sirini aparatne fiinkcijeje:

a ......... ( 27)

gde je dV dl reciproftna linearnadisperzija. a 5?(, se zove spektralna Sirina


aparatne fimkcije. Ako je il = a to znafiida je 5X jednako intervalu izmedjutalasnih duzina X i "k + 57,. Tada se mo6razlaganjamoze izraziti kao:

f(x)=

R = - X dl/ a dX ........ ( 28)

VeliCine a i dl/ dX mogu zavisitijednn od dnige, ali mogu biti i nezavisne.Moc razlaganja spektralnih uredjaja seveotnarazlikuje:

• zauredjaje sa prizmom 103- 105

• zauredjaje saregetkom 105- 5 105

• za interferencione uredjaje — 10*5

Pod pretpostavkom da supukotine spektralnog uredjajabeskonaCno uzane, profil spektralnelinije na izlaznoj pukotini ima oblikGanssove funkcije ill Gaussovemspodele.

...... (29)

gde je o-disperzija koja je pbvezana sapoluSirinom

Oj/2 = 2.355 o. .(30)

a x,, predstavlja centar profila tj. ta5ku ukojoj profil ima najve6i intenzitet.

Aproksimacija Gau^sovomfiinkcijom primenljiva je i onda kada jeSirina pukotine mala ( manja od 20 ^im).Za §ire pukotine od 20 pm linija naizlaznoj pukotini imatfe oblikjednakoki-akog trougla, a za jo§ Sirepukotine (vise od 100 fim) linija imaoblik trapeza.

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad Strana21

3. REGISTRACIJA SVETLOSNIH SIGNALA

Vrlo veliki broj elektricnihosobina materije u uskoj vezi je sadejsrvom svetlosti i karakterisii ihrazlidite vrste " fotoelektriCnihefekata ". Tri vrste ovih efekata nalazeprimenu za merenje epektraJnihintenziteta i to su: fotoernisioni efekatkoji predstavlja izbacivanjenaelektrisanih fcestica iz materije pod

dejstvom zragenja, fotokvnduktivniefekat koji se sastoji u promenielektri&ie provodljivosti pod uticajem

zrafenja i foto-voltai<?ni efekat kojimse naziva stvaranje potencijalne razlikeizniedju dve elektrode, kao rezultatozraCivanjajedne od njih.

3.1. FOTOELEKTRICNA REGISTRACIJAFOTOM ULTIPLIKATOR

U mnogim uredjajima za merenjeintenziteta svetlosti kao ulaznajedinica koristi se fotormiltiplikator.Fotomultiplikator predstavljavalaiumsku elektronsku cev koja sesastoji od:

• fotokatode (optoelektronskiulazni deo cevi)

• elektronskog multiplikatora(vrgi pojaCanje struje foto-elektrona sakatode) i

• anode (prihvata multpjiciranisnop elektrona na izlazu izmultiplikatora). §ema jednogSestostepe-nog elektronskogfotomultiplikatora dataje na slici 21:

C 2 4

Put tltktmna « —

Fotokatoda , o.VottiEltktroda \o

£:«2003:»3004'»400SMSOO6 < t600A'»700

Slika21.Primer jednog Sestosrepenogfotomultiplikatora

Princip rada ovog uredjaja lezi iipojavi sekundarne eleldtbriskiemisije sa specijalno obradjenemetalne povrSine pod uticajem

bombardovanja primarnimelektronima, Elektronski mtiltiplikatorsastavljen je iz niza elektroda koje sunazvane dinodama i Cije su povrginepremazane materijom koji ima visokkoeficijent sekundarne emisije 8.Dinode predstavljaju niz meta koje supostavljene tako da sekundarni

elektroni sa predliodne padaju nasledetfu dinodu. Sa dmge stranekatode, a nakon niza dinoda nalazise anoda koja prihvata elektrone

emitovane sa poslednje dinode.Umnozavanje elektrona ovim uredjajemvr§i se na slededi naCin. Svakadinoda naiazi se na potencijalu koji jeza oko 100 V vigi od potencijalapredhodne dinode, Sto omogu^ava daelektroni sa predhodne dinodebombarduju narednu sa energijom

LjiljanaZUMBULOVll Diplomski Rad Slrana 22

koja upravo odgovara razlicipotencijala medju dinodama. Usledovoga dolazi do emisije sekimdarnih

elektrona iz dinode koja je bombar-dovana pri ietiiu 8e broj sekundamih

elektrona uvedao za 8 puta u odnosuna broj ovih elektrona emitovanih sapfedhodne dinode. Multiplikacijaelektrona prikazana je na slici 22:

100 V 300 V

Slika 22.Multiplikacija elektrona na dindama fotomultiplikatora

Prema konstrukcji nizaelektroda izmedju katode i anodetno2emo ih podeliti nafotomnltiplikatore sa:

• linearno fokusiranim nizom• kompakoifokusiranim nizom• nizom venecijanskih zastora• nizom kiitija sare§etkama.

Neki prtraeri fotomultiplikatoradati su na. slici 23:

Najvaznije osobine jednogelektronskog multiplikatora su:

• visoko pojaCanje struje odno-sno protoka elektrona

• visoka vremenska rezolucijapojafane stny'e

• linearnost u Sirokom intervalupojadane izlazne struje

• mali gum.

3.2. FOTOKATODA

Predstavljaulazni deofotomultiplikatora koji putem fotoe-lektriCnog efekta daje snopfotoelektronakoji se zatim usmeravajuka dinodama. Veoma je bitno dafotokatoda bude osvetljenaodgovaraju6om svetlog^u kako bi dofotoelektritnog efekta uopgte doSlo.

Prema poloiaju fotokatode,fotomultiplikatori mogu dabudu:

• sa katodom sa strane• sa katodom na fcelu staklenog

baJona.

LjiijanaZUMBULOVll Diplomski Rad Straha 23

3.2.1. KVANTNI PRINOS KATODE

Broj emitovanih fotoelektronaNe zavisi od broja apsorbovanih fotonaNv i od talasne duzine svetlosti X,kojom se osvetljava fotokatoda, Zaslufiaj monohromalske svetlosti.,naravno gubi se zavisnost od talasneduzine i broj emitovanih fotoelektronasraztneran je samo broju apsorbovanihfotona:

= Q(X)Nv .(31)

Ode je Q( X ) koeficijentsrazmernoeti i zove se kvantni prinoskatode. Kao Sto se vidi iz predhodnejedanaCine kvantni prinos je fiinkcijatalasne duzine K. Pored ovoga Q zavisivrlo malo i od temperature.

KATODA

ANODA.

ANODA

SVETLOST

FOTOKATODA '

\A /

ANODA

Slika 23Weld primeri konstrukcije flomultiplikatora

Ljiljana ZUMBULOVI6 Diplomski Rad Strana 24

3.2.2. OSETLJIVOST FOTOKATODE

Predhodnu jednaCinu mozemonfipisati i za broj fotoelektrona koji suemitovani u jedinici vremena ne, ukojoj je bilo apsorbovano nv fotona:

ne = Q<*.)nv (32)

,-Sa katode <5e se emitovati fotostrnjaintenziteta Ij,

Ik « «»e (33)

gde je q - 1.6x 1019 C odnosnoelementarno naelektrisanje.

Snaga apsorbovane svetlosti Pbi6e: •:•

P - (hc/X ) nv .(34)

Ako pomo^u poslednja dvaizrazaeliniini§emone i nv iz jednafcine

(33) dobija se izraz za intenzitetfotostnije:

Ik -<fAQ(X)/hc)P ....... ..(35)

Sto f5e moZe napisali kao:

(36)

pri Cemu je:

....... (37)

Poslednja jednaCina opisujeveliiinu E( X ) koja se nazivaosetljivost fotokatode i iskazuje se uA.AV. Vidimo da je E( X ) takodjefiinkcijafalasne diizine X.

3.2.3. TAMNA STRUJA FOTOKATODE

Logiftno bi bilo kada jefotokatoda u potpunom mraku da onane emituje nikakve elektrone, medjutimovo bag nije u potpunosti taCno.Naime fotokatoda 6e eraitovatielektrone, ali ne usled fotoefekta ve6usled nekih drugih pojava. Jedan oduzroka. emisije elektrona sa fotokatodekoja nije osvetljena jetermoelektronska emisija. Shiija

ovako emitovanth elektrona zove setamna struja fotokatode. Protokelektrona tamne struje takodje semultiplicira u elektronskommultiplikatoru pa se ria anodifotomultiplikatora javlja kao dodatakna pravi signal.

Liiljana ZUMBULOVIC Diplomski P-ad Strana 25

3.2.4. KONSTRUKCIJA FOTOMULTIPLIKATORA

Elektronski multiplikatorpredstavlja niz elelctroda izmedjukatode i anode. Ove elektrode i metenazivaju se jo§ i dinode i postavljenesu tako da sekimdami elektroni sapredhodne padaju na narednu dinodu.Svaka naredna dinoda nalazi se napotencijalu koji je za oko 100 eV viSiod potencijala predhodne. To znafci daelektroni bombarduju svakii sledeihielektrodu sa energijom koja odgovararazlici potencijala izniedju dve dinode.Dakle sa naredne elektrode emitju senovi sekimdarni elektroni Ci j i je broj ?,aoko 6 puta veii od broj a elektronaeinitovanih sa predhodne dinode.

§ema uveiavanja protoka elektronaprikazana je na slici 22. Postqje raznekonstrukcije elektronskihmultiplikatora u zavisnosti od njihoveprimene, Sto se i vidi na slikama 23.Na slikama vidtmo da je konstrukcijasame anode, kao izJazne eleldrodefotomultiplikatora, dopunjena reSetkomispred nje. ReSetka se dodaje i vezujeza anodu iz razloga smanjenjarefleksijesa anode. Da bi se smanjila reileksijaelektrona sa anode koriste sematerijali sa malim koeficijentomsekundarne emistje 8.

3.2.5. PO.JACANJE ELEKTRONSKOGFOTOMULTIPLIKATORA

smo . spomenuli da se sasvake naredne dinode emituje • brojelektrona za koeficijent 8 ve<5i od brojaemitovanih elektrona sa predhodneelektrode. Neka je Nj, broj elektronaemitovan sa k-te dinode, tada 6e se sasledetfe dinode emotovati N^+1

elektrona, odnosno:

Nk+1 = 8Nk ............ (38)

ovaj izraz napisan za jaCineglasice:

Realno, situacija nije ba§ovakva. Naime prihvatanje elektronaod strane kf 1-ve dinode nije potpuno,stoga desne strane jednacina (38) i(39) treba pomnoziti odredjenimoeficijentom g. To je koeficijentprihvatanja, koji je ne§to manji od 1.

Uztmajutfi i ovo u obzir mozemopisati:

.(40)

odnosno:

gde In predstavlja sfriiju elektronaemitovanih sa poslednje n-te dinode.Ako je prihvatanje elektronaemitovanih sa n-te elektrode od straneanode potpuno, sledi:

.(42)

tako daje

la = 5*% .(43)

odnosno

LjiljanaZUMBULOVlC Diplomski Rad Strana 26

Smatramo da su koeficijentiprihvatanja sekwndamih elektrona odstrane dinoda i anode jednaki, akoeficijent prihvatanja fotoelektronaod strane prve dinode f, tada seposlednji izrazi moraju korigovatidodavanjem faktoraf

In = *XgS)nIk • (45)

tako da se pojaCanje fotomutlplikatoraobelezava sa G i predstavlja izlaznustruju Ia po jedinici ulazne sbuje Ij,:

G = f ( g 5 ) « (47)odnosno:

Ako predpostavimo dakoeficijenti f i g ne zavise od naponamedju dinodama moiemo napisatislede6u relaciju:

AG/G = n(A5/8) (48)

ZnaCi relativna promena pojaCanjaAG/G n-puta je ve6a od relativnepromene koeficijenta multiplikacijeA8/8.

Ia=GIk .(46)

SPECTRAL RESPONSE

0-1 0-2 0-3 <M 0-5 0-6 0-7 0-8 04 1-0WAVELENGTH MICRONS

Slika 24Osetljivost Fotomultiplikatora u zavisnosti od talasne du3ine

Ljiljana ZUMBULOVIC: Dip lorn ski Rad Strana 27

4. MONOHROMATOR " MC PHERSON 2061 "

Zadafak ovog rada je odre-djivanje spektralne karakteristikedatog uredjaja, odiiosno merenjeinstrumenfalne poluSirine i spektralneosetljivosti. U ovom eksperimentukorigc'en je monohromator am enticefirme " Me Pherson ", model 2061

Monohromator je uredjaj koji osimulazne sadiii i izlaznupukotinunakojojse dobija uzan interval taiasnih dulina.Ovaj interval zavisi od Sirine pukotina

4.1. OP§TE KARAKTERISTIKE

4:1.1. OPTICKI SISTEM

Monohromator " Me Pherson "model 2061, je monohromatorOzerny - Turnerovog tipa. Njegovoptitki sistem se sastojt od dvaogledala za fokiisiranje i ravnedifi-akcione reSetke. Fokalna duiinasistema je 1 metar. Ogledala, kao i

ttlazna i izlazna pukotina su fiksirane,dok se difrakciona regetka rotira uzavisnosti od izabrane talasne diiiine.OpfiCki sistem je korigovan tako da sene javlja aberacija ni za jednu vrednosttalasne duzine. Sema opticlcog sistemaprikazana je na slede^oj slici;

Slika25.Sema optiCkog sistema monohromatora " Me Pherson 2061 "

Ljiljana ZUMBULOVI6 Diplomski Rad Strana28

G! i O2 su fokusirajulaogledala, a G je difrakciona reSetkaOgledala O' i O" su obicna ravnaogledala iiji polozaj zavisi od izboraulazne i izlazne pukotine.

Monohromator ima dvepukotine koje mogu biti postavljene narazlifiite naSine. Odnosno ulazna iizlazna pukotina mogu stajati naprednjoj strani kucista monohromatora,ili sa strane. Oba sluCaja su prikazananagornjoj slici.

Sirina pukotine moze da sepodegava prema potrebama od 5 jjm do20 mm. Pukotina moie da se podegavai po visini i to u intervalu od 2 do 20mm. Mogule je da se u sklopu ovogmonohromatora nadju joS i kamera,zatim svetlosni izvori, detektori,komore zauzorke i dr.

Difrakcione reSetke koje seugradjuju u ovaj uredjaj su tipa " SnapIn " , §to znaii da se vrlo lako mogu

stavljati i vaditi i samim tim su lakoizmenljive. Difrakciona reSeflca mozeda se rotira §to omoguluje izbortalasnih duiina u opsegu od 185 nm do1.3 jjm. Kontrolu rotacije difrakcionereSetice G vr§i tzv. " steper-motor ",koji ima 36000 koraka po jednomobrta Njegova najvainija osobina jetacno definisan korak, koji omogucujeprecizno menjanje talasne duline .Najmanje pomeranje, odnosno jedankorak iznosi 1.40"4 nm, sa regetkomod 1200 narezapo mm. Osim togabitnoje naglasiti da steper - motor mo2e daradi u tzv. kvazikontinualnom reZimu.Takodje je mogude menjati i brzinuzakretanja re§etke j. to od 0.05 nm/mindo 200 nm/min.

4.1.2. KARAKTERISTIKE MONOHROMATORA " MCPHERSON 2061 "

Ve6ina karakteristika jedefinisana u predhodnom paragrafu, a usledecoj tabeli mogu se videti opsezitalasnih duzma, disperzija, rezolucija idr. za neke difrakcione resetke. §to setitfe tipa re§etke> koriSdena je reSetkasa 1200 nareza po milimetru. Takodjeiz sledece tabele mozemo da uodimoda se ovakve reSetke koriste za

zra&enje fiija se talasna duzina nalazi uintervalu od 185 nm do 1.3 pm. Iztabele vidimo daje " Blaze angle "500 nm. " Blaze" je ugao ili polozajdifrakcione reSetke na kome imamomaksimalnu refleksiju zra&enja, i to jeza ovu reSetku na talasnoj duzini 500nm.

GRATING (G

/mm

)

d. W

avelenghtR

ange

e. 1 st O

rderlitrtrovr B

laze

f. R

esolution (nm)

g. D

ispersion (nm

/mm

)

h. W

avelenght Range

at Focal Plane

i. W

avelenght A

ccuracy

j. W

avelenght R

eproducibility

2400

185 to850 nm

240 nw

300 nm

Holographic

0.005

0.4 J 6

20.7 nm

1200

185 nm to

J.3#m

250 nm300 nm500 nm75O

nm

1.0 /urnffoJograpfiic

0.01

0.833

41.. 5 nm

± 0.05 nm

+ 0.05 nm

600

185 nm to

2.5 /jm

300 nm500 nm750 nm1.0 '/jm1.85 flm

0.02

1.66

83.0 nm

20

185 nm to

78jum

45 Mm

0.6

49.9

2490 nm

2L3

St S

-

2. 3

3 3tat

0}0

2-

•2O3roOOf

ff

=SS3oCXI

LjiljanaZUMBULOVlC Diplomski Rad Strana30

5. MERENJE INSTRUMENTALNEPOLUSIRINEI SPEKTRALNE

KARAKTERISTIKE

5.1. OPIS APARATURE

5.1.1. REFERENTNI IZVORI

Izvori zrafcenja ili svetlosniizvori mogu se podeliti na vis"e nafcina:prema upotrebljenoj metodi zaekscitactju zraCenja, prema tipuemitovanog spektra, ili premaspektralnoj oblasti za koju je izvornajpodesniji. Prema naCimi ekscitacijeizvore delimo u Cetiri grupe:

• toplotni izrac'ivac'i«lufcni izvori• cevi za praznjenje• varniCni izvori.Kod toplotnih izraCivafcaemisija

zraCenja se javija kao rezultatzagrevanja povrSine koja zraCi, naprimer elektridno zagrevanje metaJnihvlakana do nsijanja. Emisija zraCenjakod luCnih izvora je rezultat odi'iavanjarelativno niskonaponskog eleldriinogpraAijenja medju elektrodamaMaterijal eleldrode isparava u prostorizmedju elektroda snabdevajudi gadovoljnom koliCinom jona zaprovodjenje i emisiju zraCenja, ili se uInk uvodi gas iije se spektralne linijeposmatraju. Elektrifno praznjenje kaorezultat daje zraftenje svetlosti i kod ceviza prazhjenje, medjutim ovde se kaoizA'or jona javija gas koji se nalazi uzatvorenorn sudu pod malim pritiskom.

Znafti da materijal elektroda uopgte neprelazi u jonski stub, iii prelazi u vrlbmaloj koliftini. Visokonaponskopraznjenje medju elektrodama kojerezultuje emisijom svetlosti javija ee kodvarnifcnih izvora i tinjavog praznjenja.Pored navedene Cetiri vrste ekscitacijeponekad se koriste i druge metode kao§to su: bombardovanje katodnimzracima, fluorescencija i ekscitacijarezonantnim zraCenjem. Podelasvetlosnih izvora moie da se napravi iprema tipu spektra kakav daju (misli sena kontinuaJni, trakasti ili linijskispektar). KontinuaJni spektar dobija sezraienjem crnog tela, odnosnoelektrifne lampe sa usijanim vlaknom.Linijske spektre dobijamo emisijomelektrifnog luka, koji moze biti zatvoreni otvoren, zatim elektrifne varnice ikona£no cevi za praznjenje.

Klasifikacija iz\ora premaspektralnoj oblasti takodje jeproizvoljna, ali je neophodna ikada su upitanju izvori za speci jalne svrhe.Osnovna klasijfikacija i karakteristikepojedinih vrsta referentnih izvora, kao ispektralne oblasti za koje su namenjeni.,date suu tabeli 2:

IZVO

RGLAVNA SPEK

TRALN

AOBLAST

Tip spektraG

lavne primene

Crna teJa

Lam

pa sausjjanJai

vlaJcnom

Mela in

i JuJfovi

sa usijanim

e/e/etrodama

MsJco-tem

pe-raturnf

izracivaci

Ugjjeni i m

eta/niluJcovi n

os/obodnojatm

osferi

Zivin

i luko

vi

Cevi za

praznjenje

yarnice

In/racrvena. vidJjiva

bJisJca ujtraljubicasta

Jnfracrvena .

vidJjiva

bliska u/traljubicasta

Infracrvena. vidJjiva

bJisJca uJtra/jubicasta

/nfracrvena i

vidJjiva

Jn/racrvena. vidJjiva

i uJtraJjubicasla

VidJjiva i

uJtraJjubicasta

VidJjiva i

ultraijubicasta

VidJjiva i

uJtraJjubicasla

KontinuaJan

KontinuaJan

Jfontinuaian sa

superponiranim/inijam

a

KontinuaJan

JJnijsJea sa

manje

:Ji vise JcontinuaJnepoza

din

e

UnijsJci.

traJfastiH

i vise kontinuainepoza

din

e

LinijsJd, IraJcasti

iJi konlin

ualn

iu

zavisn

osti o

dizvora

JJnijski

Standard! zracenja

Apsorpciona

speklrofotometrija

sekun

da

rni sta

ndard

i zracenja

Apsorpciona

spektrofotometrija

Infracrvena spejftroskopija

KvaJitatjvna

i kvan

titativn

aspektrohem

ijska anaiiza.

stan

da

rdi laJasnih duzina

Ekscitacija

ffamanovog

efektai fJuorescencije.

apsorpcionaspeklrofolom

elrija

Apsorpcjona

spektrofolomelrija.

spektroskopija krajnje

uJlraJjubicasteoblasti. seku

nd

arn

i stan

da

rdi

JfvaJitalivna i kva

ntita

tivna

spektro

nem

.anaJiza. apsorpciona

spektrofotometrija

spektroskopija krajnje

UV obJasti.

sekundarn

i stan

da

rdi taJasnin

duzina

i

iL»NJ

JKng:igrto3•"oS!"o

1£o<f—I

o-

iocaer43a.


5.1.2. CEVI 7A PRAZNJENJE

Kao gto smo ve£ napomemilirazlikn izmedju Itika i cevi zepraznjenje je u tome Sto kod luka znatandeo materijala elektroda ufcestvuje ujrtriskoj stmji i emisiji zraCenja. Sadruge strane cevi rade pri znatno nizlmpritiscima (manjim od 1013,25 Pa ),manjim gustinama struje i manjimtemperahnama nego lukovi. Zatim kodcevi je potreban vec"i gradijentpotencijala za odriavanje praznjenja(nekoliko stotina volti po cm ) iemitovane linije imaju vedeekscitacione energije nego kod hika. Za

dobijanje visokih napona i malih strajacevi za praznjenje uglavnotn koristeinduktore ili transform atore. Podvisokim naponima podraziimevamovrednosti od 2000 do 20..000 V, a strujese kre6u u intervalu od 4 do 6 mA. UsluCaju kada je potrebna jednosmernastnija koristimo visokonaponskiispravljaC. Bezelektrodne cevi zapraznjenje mogu biti ekscitiranestavljanjem u visokofi-ekventno polje.

5.1.3. GEISSLEROVACEV

Cev sa tinjajudim prainjenjem,ili Geisslerova cev sastoji se iz dvaproSirena. dela, u kojima su smeStene

elektrode povezane jetlnom uskom cevi.Izgled ovak\^e cevi za praznjenje dat jena slici 26:

ofi S«

Slika 26.Geisslerova cev

Obifcno se izradjuju od stakla ilikvarca Postoje dve konstrukcije; ili supotpuno otvorene i u torn slufaju imajuugradjene otvore za ulaz i izlaz radnoggasa pod niskim pritiskom, za rad uprotoCnom rezimu, ili su napunjenerazliftitim gasoin kao §to su: argon,

helijum, vodonik, neon, azot, ili divinepare. Elektrode mogu biti izradjene odCistog metala, ili od metala prevuftenogoksidom. Metal koji se najCegtfeupotrebljava za izradu elektroda jevolfram. Za ekscitaciju se obifinoupotrebljava varnifni kalem, medjirtim

Lj i Ij ana ZUMBULO VlC Diplomski Rad Strana33

vrlo dobro nam moze posluziti itransform ator ( oko 3000 V i 6 mA ), saispravljafiem ili bez. Oeisslerove cevise primenjuju za demonstracione svrhe,zatim za dobijanje uskih linija kojepredsfavljaju referentne standarde, ili zainterferometriju.

Pored Geisslerovih, \u cevisa tinjajuc'im praznjenjem spadaju jogi: cevi sa supljom katodom, cevi zapraznjenje sa zivinom parom., vodonicnecevi za praznjenje i bezelektrodne ceviza praznjenje. Ove cevi mogu da se

koriste kao sekimdami iz\ori za merenjetalasnih dvizina. Linije koje se emituju izcevi su samo prirodno proSirene. Toznafci da njih na izlazu iz monohromatoraSir! samo merni uredjaj, tako da se nierisamo instrumentalna poluSirina. U ovomradu ti kome je merena instrumentalnapolu&rina i spektralna karakteristika,koriScena je Geisslerova cev kao izvorzraCenja. Radni gas u ,pevi bio jehelijum pod pritiskom od 202.65 Pa,

5.2. §EM A APARATURE

Kompletna slika aparature zamerenje instnimentaJne poluSirineprikazana je na slici 27. Kao izvorzraCenjakoristi li smo Geisslerovu cev.Zraftenje iz cevi pada na sofcivo S, apotom se foknsira na ulaznn pukotimimonohromatora M. Svetlost timonohromatoru prelazi ve6 opisani put i

iz monoliromatora preko izlaznepukotine uvodi se u fotomultiplikator. Dabi fotomultiplikator radio neophodan jeizvor stabilisanog visokog napona VNza njegovo napajanje. I na kraju nafotomultiplikator vezujemo pisaC nakome dobijamo zeljene rezultate ( profilelinija).

Geissl.cev

"Socivo

MPM Pisac

VN |

Slika 27.§ema merenja instrumentalne poluSirine


5.2.1. GASNA I ELEKTRICNA SEMA

Gasni deo se sastoji od boce ukojoj je smes'ten gas. Ve£ smo rekli da jeto bio helijum. Zatim od ventila zaredtikciju visokog pritiska iz boce VI iiglifiastog ventila V2, od Geisslerovecevi GC i vakuiim pumpe VP. UelektriCnom delu ove Seme nalazimovoltmetar V, miliampefmetar mA,otpomik R (za ograniCenje struje),diodu D, kondenzator C i od dvatransformatoraTl i MT ( Slika 28.).

ElektriCna §ema prikazana je naslici 28. i sastoji se od izvora napajanja,instrumenaia za merenje napona i jafcinesfnije kroz cev, otpora za ogranicenjestruje pt ainjenja od 82 kQ i same cevi zapraznjenje, sa elektrodama od Volframa,Izvor zn napajanje sastoji se od jednog

autotransformatora pomo£u kojeg semenja napon koji se dovodi na primarvisokonaponskog transfonnatora. Nasekundaru tog transfonnatora dobja sevisok naizmeniCni napon ( maksimaino100 kV ) , koji se pomo^u visoko-naponske diode D preh-ara u jedno-smeran, a pomoiu kondenzatora C" pegla " . Miliampermetar mA i volt-metar V mere i kontrolisu napon i strujupraziyenja. U torn merenju neophodno jeda struja praziyenja bude stabilna jersvaka promena jaCine struje praznjenjaizaziva promenu u intenzitetuelektromagnetnog zraienja cevi, §to biimalo neXeljene posledice na oblikprofila posmatranih linija

220 V

"*»

Slika 28.Gasna i elektri2na Sema izvora zraienja ( Geisslerova cev )

Ljiljnrw ZUMBULOVIC Dip lorn ski Rad Strana 35

5.3. OPIS MERENJA

Za merenje instnimentalnepoIuSirine- koristili smo helijumoveItnije sledefth talasnih dti2ina: 388.9 nm..447.1 nm, 501.6 nm, 587.6 nm i liniju667.8 nm. Linijama ovih talasnih duZinaje pokrivena praktitno cela oblast rada

ovog optifckog sistema po talasnimduZinama. Ovo ogranifcenje je posledicaspektralnih osobina fotomultiplikatora. Uovom merenju kori§6en je fotomulti-plikator tipa " HAMAMATSU1P28 ".

5.3.1. PODESAVANJE FOKUSIRANOST1 OGLEDALA

Da hi rezultati merenje bilizadovnljavajuî neophodno je daaparahira bude idealno p"bde§ena. Iz tograzloga jo§ pre pofetka merenja iinstrumentalne poluîrine i spektralneosetljivosti morali gmo da podesimo

M

/N

V

foknsiranost ogledala tl>2 unutarmonohromatora " Me Pherson 2061 ".Poloâj ogledala O2 mo2e se mejatipomo6ti mikrometarskog zaviinjaM.

A

P2

G

A PISlika 29.

Raspored ogledala i reSetke u monohromatoru


Gde je PI- ulazna pukotina, P2 -tzlazna. pukotina, Ol - fokusirajudeogledalo, O2 - foktisiraju6r ogledalo, G -difiakciona regetka, M - mikrometarskizavrtanj, O - ogledalo koje skre£e zrak~

Zbog 6ega smo morali dapodeSavanje, odnosnovrSimo

foloisiranje ogledala 02?PoluSirine linija koje smo

dobijali na izlazu iz monohromatorabile su neobiCno Siroke. I sa stnaiijenjemSirine pukotine dobijaJi su se profili

(linije) koji su imali vige maksimuma.Velika polugirina i ovakav oblik linijaukazivali su na to da sistem nije biodobro fokusiran. Neki od primera profllakoje smo dobili sa ovakorasfokusiranim sistemom dati su naslede£im slikama. Slika 30 prikazujeprofll linije 501.6 nm na Sirinipukotine d=20 mm,slika 31 daje profll nad=10 mm i slika 32 na d=5 mm.

Talasna

Slika 30.Profil linije He I 501.6 nm dobijen sa nefokusiranim sistemom sa Sirinom pukotine od 20mm.

LjiljanaZUMBULOVIC Diplomski Rad Strana37

Kako je ovo bio potpuno noviuredjaj pi~vo §to je trebalo ufciniti jefokusiranje, odredjivanje instrumentalnepoluSirine i odredjivanje spektralnekarakteristike optiCkog sistema. Teknakon toga monohromator je spreman zanpotrebu. Ovde je najviSe problema bilosa podegavanjem polozaja ogledala O2.Prilikom podeSavanja mi smo vrSilipomeranje od M = 0.000 do M = 3.600.Profili l in i ja na slikama 30, 31 i 32,

dobijeni su /a vrednost polozajamikrometarskog zavrtnja M= 0.310.Korak za koji smo pomerali ogledalo jebio razlifit od 0 do 3.600 pri Cemu smotikupno enimili 75 proflla. Na slici 33 jeprikazana linija na polozaju M - 3.400na kome je izmerena najmanjapolugirina linije i za girinu pukotinad]=zd2-30 jim.

0P•H

Na8a•H

•Ha

0

He I 5O1.6 nmcl=lO|-lm

Talasraa

Slika31.Profil linije He I 501.6 nm dobijen sa nefokusiranim sistemom i sa Sirinom pukotine od 1 Opm


i >

I

Me I 5O1.<5 nrrt

0. 1 nm

TTalasnei dtizina.

Slika32Profil l ini je He 1501.6 nm dobijen sa nefokusiranim sistemom i sa Sirinom pukotine od 5mm

Talasna

Slika33Profil linije He I 501.6 nm snimljen na Fokusiranom sistemu a Sirina pukotine je 30 mm

Ljiljana. ZUMBULQVlC Diplomski Rad Strana39

PodeSavanje se vrSi tako Sto semeri pofnSirina odredjene linije zarazlifcite polo&ye ogledala. Onaj poloiajogledala koji daje najmanju poluSirinui simetriCne profile linija se fiksira icelolaipno merenje se obavlja kada suogledala tako fiksirana. Linija koja jekori§6ena za podeSavanje je linija satalasnom du?,inom 501.6 nm. Razlog

tome je Sto je " Blaze angle " na 500 nmi §to je ova linija jedna odnajintenzivnijih helijumovih linija. ( Uvidljivom delu spekfra naj[jaCa je linijatalasne du^ine 587.6 nm, zatim 388.9 nmpa 501.6nm).

5.4. MERENJE SPEKTRALNE KARAKTERISTIKE

5.4.1. OPIS MERENJA

Spektralna osetljivost nekoguredjaja predstavlja odziv (osetljivost)sistema po talasnim du2inama Aparatiirasa kojom smo radili bila je manje -vi§e ista kao za merenje instrumentalnepolugirine. Samo je izvor zraienja pro-menjen, tako da ovde umestoOeisslerove cevi imamo halogenusijalicu, kao izvor kontinnalnogzi'adenja Ostali deo aparature, dakleCine ponovo soCivo S, monohromatorM, fbtomultiplikalor PM, sa izvoromstabilisanog visokog napona VN i pisad.

Kriva koja karakterige spektralnuosetljivost nekog sistema naziva se jo§ ikalibraciona kriva \arelativnu osetljivost sistema soCivo,monohro-mator i fotomultiplikator u

iunkciji talasne duiine. Relativnaosetljivost izraienaje kao:

*apt>H nafntpmn

i xm£en/a fa JeS. pati3ine po fel. (uttrvala talasneInfine

Spektralna karakteristikazraCenja standardne lampe prikazana jena slici 34Uobifcajeno je da se snimanje kalibra-cione ki-ive obavlja pomo£u standardnelampe, kao izvora zradenja. Ovde je touradjeno pomo6u halogene sijalice kojaje bila kalibrisana pomo^u standardnelampe, odnosno pomo6u grafika na slici34 ranije snimljene spektralne raspodelezraCenja halogene lampe.

f

O omcs *$ioti*i(i

Slika 34Spektralna karalrteristika standardne lampe

Ljiljana ZUMBULOVll Diplomski Rad Strana40

5.4.2. SEMA APARATIIRE ZA MERENJE SPEKTRALNEOSETLJIVOSTI

Za napajanje halogene sijaJicekoriscen je jednosmerni izvor. Kao gto jenapomenuto halogena sijaJica je ranijekaJibrisana pomotfu standardne lampe,pri femu je jafina struje kroz sijalicubila 2.1 A. Zhog toga je neophodno

ponoviti uslove pri kojima je sijalicakaJibrisana, odnosno kontrolisati i meritijaCinu struje u kolu §to je 1 uradjenoampermetrom A i voltmetrom V. §emaaparature prikazana je na slici 35:

Ha 1og e nas i j a l i c a

PM Pisac

Slika 35Sema aparature za merenje spektralne osetljivosti

Ljiljana ZUMBULOVie Diplomski Rad Strana41

6. REZULTATI

Kao $to je ranije spomenutomerenje instnimentalne poluSirine vrSipe merenjem poluSirina pojedinih linijaodiedjene tatasne duiine. U naSemsluCaju to sii bile linije sa slede&mfnlasnim cluînama: 388.9 nm, 447.1nm, 501.6 nm, 587.6 nm i 667.8 nm.Frimeri snimljenih profila na datimîrinama pukotina d, dafi su nasledecim slikama. Naslici 36 prikazan

• rlN

a• H

• Ha

A

A

je profil linije na talasnoj duiini 388.9nm i na Sirini pukotina dj=d2-20 ûn.Slika 37 claje primer linije na 501.6 nmi girine pukotina dj-d2~ 20fjun.

Sa tih slika se vidi da su profililinija simetriCni §to znaCi da su ulazna iizlazna pukotina paralelne.

i O.O1 nm

\

TTalasna

Slika 36Pfofil linije He I na talasnoj duSini 388.9 nm i sa Sirinom pukotine d = 20p.m

IjiljanaZUMBULOVIC Diplomski Rad Strana42

Talasna.

Profil linije He I na talasnojSlika 37.

i 501 .6 nm i sa Sirinom pukotine 20|jm.

Vrlo testa pojava je da linijekoje se Knimaju, nisu singletne, ve6da imaju dve i!i vi§e komponenti.Tripletiie linije He I fi to vane su na dvaili vi^e Gaussova profila kako bi serazdvojile pojedine komponente. Ovametodu primenili smo na liniju 587.6nm i taj primer dat je na slici 38.

Inshnimentalna poluSirina odredjena jeiz polu§irine intenzivnijeg Gaussovogprofila. Napominjemo jog dakomponente linije (587.6 nm) imajusledece talasne dnzine: 587.621 nm zarelativni tabliCni intenzitet od 7500 urelativnim jedinicama i 587.596 nm zaintenzitet 1000.

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad Sbrana43

200.0

-aa>

.- 100.0NCa>

Hel 587.6 nmd=30

o eksperimentdlnevrednosti

— fitovanakriva

0.0587.58 587.60 587.62

X (nm)

Slika 38.Pnmer Fitovanja rlva Gsii.issova profila na eksperimentalni profi] l inije He I 587.6 nm

Vrednost instrumentalneine zavisi i od girine pukotina.

Ova znvisnost od sirine i nlazne iizlazno pukotine (d1=d2) data je na

sleclelim slikama ( slike 39, 40, 41, 42i 43 ). Svaka slika dajeinstrumentalnu polu§irinu za profil

odredjene talasne du?.ine.

0.4

Ec

0.2

0.0

He I 388.9 nm

10 20 30 40 50

d (,um)

Slika 39,7,avisnost instrumentaine poluSirine od Sirine pukotine za He I liniju na talasoj du2ini 388.9 nm

Ljiljana ZUMBULOVI6 Diplomski Rad Strana 44

Sn ovih slika se niogti oclreditiinslnimenfalne polugirine i za Sirinepukofina koje se naJaze izmedjuizmerenih vrednosti. lustrum entalnapoluSirina na svim taJasnim duZinama.se kretala irniedju 0.01 i 0.035 ran. Naslid 3.1 prilcazana je zavisnost

insfnimentalne poluSirine od talasnedti2ine za razlicite vrednosti d.Zakljufcujemo da se instrumentalnapohigirina vrlo malo menja sapromenom talasne duiine.U svimsluCajevima greSke merenja suprocenjene na 0.002 nm.

0.4

Ec

o

S 0.2

0.0

He I 447.1 nm

0 10 20 30 40 50

Slika 40Zavisnost instrumentalne poluSirine od Sirine pukotine za He I liniju talasne du2ine 447.1 nm

LjHjana ZUMBULOVIC Diplomski Rad Strana45

0.4

Ec

g 0.2

0.0

He I 501.6 nm

10 20 30 40 50

d 0/m)

Siika41.Z-nvif!nost instrurnentalne poluSirine od girine pukotine za He I liniju talasne duzine 501.6 nm

0.4

Ec

O

0.0

He I 587.6 nm

10 20 30 40 50

Slika42.Kt iristmmentalne poluSirine od girine pukotine za He I liniju talasne dufjne 587.6 nm


O;T

Ec

o

n

£ 0.2

0.0

He I 667.8 nm

0 10 20 30 40 50

Slika43.Zavisnost instn.iment.alne pougirine od Sirine pukotine za He I liniju na talasnoj dufini 667.8 nm

0.40

1 0.30r-IO

• 0.20

0.10

0.0035C

A A A AA -1 A : • A

Q __

- D o. A$ T * 0

o

o

o - d=10 jum; o- d=20 ^m;D - d=30 /im; A - d=40 flm;

i i i t i i i t i i l i t).0 400.0 450.0 500.0 550.0 600.0 650.0 700

X (nm)

Slika44.Zavisnost instrumentalne poluSirine od promene talasne du2ine, a za razliCite vrednosti Sirine

pukotine

Ljiljana ZUMBULQVIC Diplomski Rad Strana47

Slika45 i tabela 3. daje krivu relativneosetljivosti sistema u zavisnosti odtalasne dnfcine u intervalu od 350 nm do700 nm. Vidimo da se maksimumjavlja za talasnu duZinu pribliino 450nm, dok za talasne dufcine ispod 380nm i iznad 550 nm osetljivost sistemanaglo opada Ova Cinjenica ukazuje nasledede. Prilikom snitnanja Sirih linija,

Cija se talasna du2ina nalazi u ovomopsegii, mora se uzeti u obzir ovarelativna osetljivoi5t, odnosno ka2emoda se profil koriguje na datospektralnu osetljivost. Na oblik ovespektralne osetljivosti veliki uticaj imai spektralna karakteristikaup otreb 1 j enog fotom ul tip 1 ikatora.

1.0

- 0.8

COo

0.6

0.4

0.2

0.03000.0 4000.0

I I LZ

5000.0 6000.0 7000.0

Tolnsna duzino (0.1 nm)

Slika45.Relativna osetljivost sistema u zavisnosti od talasne du?ine


Tabela 3. Relativna osetljivost sist.ema u zavisnosti od talasne dufine

Tal asna

duzina

[nm]

350355360365370375380385390395400405410415420425430435440445450455460465470475480485490495500505510515520

Spektralna

osel) j i vosl

[rel . j ed. ]

0.5520.5980.6370.6960.7940.8050.7790.7810.7850.7850.8100.8270.8520.8780.9010.9420.9610.9790.9840.9941.0000.9820.9870.9930.9680.9530.9350.9280.9090.8900.8540.8540.8390.8240.811

Talsna

duzina

[nm]

525530535540545550555560565570575580585590595600605610615620625630635640645650655660665670675680685690695

Spektral na

osetlj i vost

[rel . j ed. ]

0.7690.7270.6930.6450.6060.5770.5440.5120.4800.4490.4240.3820.3510.3110.2620.2220.1820.1480.1240.1000.0900.0830.0730.0660.0560.0480.0410.0350.0290.0240.0200.0160.0130.0110.008

1

LjiljannZUMBULOVIC Diplomski Rad Strana49

7. ZAKLJUCAK

U ovom radn ispitane suspektraJne karakteristike spektralnoguredjaja " Me Pherson " model 2061.Za registraciju svetlostiih signalskori§6en je fotomultiplikator 1P28. Primerenju instnimentalne poluSirine kaoizvor, praktidno samo prirodnoproSirenih spektralnih linija, korigdenaje Geisslerova cev u kojoj je radni gasbio Cist helijum. Pre poietka merenjaustanovljeno je da fokusirajufeogledalo moiiohrotnatora tiije bilo upravilnotn polo?.aju. Zato je biloneophodno iz\T§iti fokusiranje sistemaSto je uradjeno sukcesivnimpomeranjem ogledala i merenjempohisirine linije 501.6 run za svakipolo^fij. Poshipak je ponavljan dok senije dobila najmanjapolugirina,

Za merenje instnmientalnepoluSirine nredjaja kori§6ene suholijumove linije talasnih duitna:388.9 nm, 447.1 run, 501.6 nm,587.6 nm i 667.8 rnn. Merenja suizvrgena za sirine pukotina izmedju5jun i 40 jim. Izrnerene vrednostiinstnimentalne poluSirine kretale su seu intei-valu od 0.01 nm do 0.035 nm.Takodje je ustanovljeno da seinstrumentalna poluSirina vrlo malomenja sa promenom talasne duiine(slika44).

Kao izvor svetlosti za merenjerelativne spektraJne osetljivostispektroskopskog sistema, kori§6ena jehalogena lampa koja je kalibrisanaprema standardnoj lampi. Reziiltatiovog merenja dati su u tabeli 3 i ttaslici 45.

Sate slike moze se zakljuCiti daje osetljivost najve6a za talasne duiineoko 450 nm, a da za talasne du2inemanje od 380 nm i veie od 550 nmnaglo opada. To znafii da se prilikomraxla sa profilima Cije talasne duiineulaze u ovaj opseg morauzimati u obziri korekcija u odnosu na spektralnuosetljivost datog uredjaja.

Ovala^a spekfralna karakte-ristika je posledica kombinacijespektralnih osetljivosti monohromatorai upotrebljenog fotomultiplikatora.

Ljiljana ZUMBULQVIC Diplomski Rad

SPISAK LITERATURE

1. R. A. SAWYER, Experimental Spectroscopy, Dover PublicationsNEW YORK (1963).

2. G. R. HARRISON, R. C. LORD, J. R. LOOFBOUROW, PraktifnaSpektroskopija, NautoiaKnjiga, BEOGRAD (1962).

3. MC PHERSON INSTRUMENTS, Instmction manual for model 2061,ACTON (1990)

4. S.DJimOVIC,Mag/starafr Rad, BEOGRAD (1982).

5. D. NKOLIC, Diplomski Rad, NOVI SAD (1994).

6. M. PAVLOV, B. VUJICIC, Z. MIJATOVIC, S. DJUROVIC, Zavisnostpojacanjafotomultiplikatora od napona na didama, Elaborat za SIZ•za obra?,ovanje AP Vojvodine, NOVI SAD ( 1986).

7. I. JANIC, Eksperimentalne veSbe iz atomskefizike, Univerzitet u NovomSadu PrirodnomatematiCki fakultet, NOVI SAD (1976).

8. EMI, Photomultiplier tubes, Bookprint Limited, CRAWLEY SUSSEX(1970).

9. A.R. STRIGANOV AND N. S. SVENTITSKn, Tablitsi Spektralnih LiniiNeutralnih i lonizovanih Atomov, Atomizdat, MOSKVA (1966).

Lj i Ij ana ZUMBULO Vl£ Diplomski Rad

UNIVERZITET U NOVOM SADUPRIRODNO - MATEMATICKI FAKULTEt

KLJIlCNA DOKUMENTACIJSKAINFORMACIJA

D Redni broj:RBR

0 Identifikacionibroj:IBR

U Tip dokumentacije: Monografska. dokumentacijaTD

D Tip zapisa: Tekstualni Stampani materijalTZ

0 Vrstarada: Diplomski radVR

t'.l Autor: Lfiljana Zumbulovic br. dos. 183/88All

D Mentor: dr Radomir Kobilarov, docent, PMF Nbvi SadMN

D Naslov rada: ̂ ^ERENJE SPEKTRALNIH KARAKTERISTIKA SISTEMAZA SNIMANJE SPEKTRALNIH LINIJA EM1TOVANIH IZ PLAZMENR

D Jezik publikacije: srpski (latinica)

D Jezik izvoda: srpskiJI

0 Zemtja publikovanja: JugoslaviaZ.P

D USe geografsko podruftje: VojvodinaUGP

D Godina: 1994.GO

D IzdavaC:/&/ors#7' reprintIZ

Ljiljana ZUMBULOVIC Diplomski Rad

CI Mesto i adresa: Prirodno-matematlZki fakultet, Trg D. Obradovida 4,21000 hbvi SadMA

D FiziCki opis rada: ( 6/ 49/ O/ 3 / 1 4 / 3 1 / 0 )( broj poglavlja/ strana/ lit. dtataf tabela/ slika/graftka/priloga )FO

D NauCna oblast: FizikaNO

D NauCna disciplina: Fizika plazmeND

D Predmetnaodrednica/KljuCnereCi: Fizika, Plazma, SpektroskopijaPO

UDK:

D Cuva se:Cu

D Va^na napomena: nemaVN

D Izvod: Spektroskopija kao nauka nalazi primenu kako n nauci, tako i wtehnoloSkim, proizvodmm i privrednim granama. Iz tog razloga spektroskop seubraja medju najmocnije do danas poznate uredjaje za ispitivanje prirbde.Analizom emitovanog zrafenja mogu se dobiti informacije o pammetrimd sredineiz koje se zrade te linije. Monohromator je uredjaj kojim se mogu analizirati i meritiparametti sp&ktralnih linija i stoga je neophodno poznavati instrumentalnupohiSirinu. U ovom radu su odredjene instrumentalne poluSirine nekihhelijtirnovih linija, talasne duzine: 388.9nm, 447.1 nm, 501.6 nm, 587.6 nm i 667.8nm. Merenje instrumentalnepoluSirine vrSenoje za razMite Zirinepukotina od5p.m do 40pm. Takodjeje odredjena i spektralna osetljivost si sterna i pokazalo sedaje ona najveca za talasne duzine oko 450 nm.

IZ

D Datum prihvatanja teme od strane NN ve<5a: 07.03.1994.DP

D Datum odbrane: 19.12.1994.DO

D (ilanovi komtsije: (Natt fni stepen/ime i prezime/zvanje/fakultet)KO• Predsednik: prof. & BolMar VitfiUt* Mentor: doc. dr Radomir Kobilarw

: doc. dr Stevica Durovlt

ljiljana_zumbulovic_-_diplomski_rad_(d-324).pdf

Documents

Transcript of ljiljana_zumbulovic_-_diplomski_rad_(d-324).pdf