Усилители яркости, преобразователи изображения, формирователи экспонирования:

на отклоняющих пластинах
(развертка по спектру)
- сигнал на выходе диссектора
Принцип

- на фотокатоде при освещении создается электронное изображение

- щелевая диафрагма вырезает малую часть этого изображения

- напряжением на отклоняющих пластинах можно направить в щель

электроны из заданной области на фотокатоде

- за щелью находится обычный электронный умножитель

- измеряется выходной ток

-> если расположить диссектор на выходе спектрального прибора,

то можно, подавая на отклоняющие пластины синусоидальное

напряжение, получить на выходе периодическую развертку

спектра свече

ния плазмы

с предельной чувствительностью.
Доля сработавших каналов

Ф Ф

0

Ф = DФ×n

D

Ф - поток от одной точки

- число точек на единицу площади

n

!!! На точность измерения влияет статистика (малое число сработавших точек)

La – 121,6 нм
в экспериментах на установке ГОЛ-3
ЭОП расположен на

снимок ЭОП до выстрела

снимок ЭОП в выстреле

экспозиция 1/30 с

экспозиция 500 нс

напряжение на ЭОП 1.2 кВ

напряжение на ЭОП 1.4 кВ

окно LiF

L 121.6 нм

a

– 656,3 нм
в экспериментах на установке ГОЛ-3
ЭОП расположен на выходе

мкс от начала инжекции электронного пучка
Задача
- изучить воздействие мощного

конструкционные материалы термоядерных реакторов

~3∙105 см/с, ~5 эВ
Расширение: 3D

1D

крупинка CH2, 0.15 мг

экспозиция 1 мкс

1

c

m

6 s

PL3469

m

Объемный взрыв Замагничивание Термализация

v ~ 3∙106 см/с

Съемка взрыва крупинки в плазме ВУФ обскурой

рентгеновского и ИК диапазонов

Спектральные приборы с призмой
Спектральные приборы

= l0/dl – разрешающая способность
R = 10-100 – низкая
R =

веществ
Газовые фильтры
Жидкостные фильтры
С – концентрация, моль/л
e10 –

Для жидкостных и газовых фильтров:

k – коэффициент ослабления
l – толщина фильтра

1 – вода толщиной 1 см
2 – раствор хлористой меди 2 см, 2.5%

Поглощение света подчиняется закону
Бугера – Ламберта – Бера

Кривые пропускания светофильтров, отсекающих коротковолновую область спектра: 1- БС4, 2 – БС5, 3- БС7, 4- БС8, 5- ЖС10, 6- ЖС11, 7- ЖС12, 8-ЖС16, 9-ЖС17, 10-ЖС18

в среднем ИК (n~2 для l~50 мкм)
фокус в видимом свете

экран

перестройка длины волны

Дисперсионный фильтр (фильтр Христиансена)

взвесь мелких частиц (капель) одного вещества в другом пока n1≠n2, происходит сильное рассеяние света





частный случай: порошок прозрачного вещества в воздухе, резонансные явления при размере частиц порядка длины волны

Ø ~ 0.5 мм

NaCl

обзор УФН, т.25, 1941

и фазовых (2), (4) спектральных характеристик
моды Флоке для тонких медных

>> размеров шероховатости отражается зеркально
излучение с l

Отражение от матированных поверхностей

расстояние между призмами порядка длины волны, коротковолновое излучение отражается

λ1< λ2< λ3, λ1< l1< λ2, λ2< l2< λ3

Селективное отражение

метод остаточных лучей – многократное отражение для «очистки» спектра и улучшения контрастности.

= n1 = 1), то для отражённых лучей оптическая разность

Интерференция для тонкого слоя

или

максимумы интерференции при 2nhcos(ψ) + λ/2 = m λ

Интерференция в тонких плёнках

для коэф. отражения R и пропускания T: R + T = 1
амплитуда прошедшей волны:
сдвиг фаз между волнами:
в итоге:
интенсивность прошедшей волны:

(формула Эйри)

в максимуме I2 = I0 (волна проходит без потерь)
в минимуме пропускание зависит от коэффициента отражения:

 требуются высокие коэффициенты отражения

диэлектриков, R ~ 0.3 получаются для TiO2 (n=2.45) и ZnS

Многослойные диэлектрические фильтры

0.5÷10 нм

Tmax/Tmin до 104

длину волны можно “подстраивать” в синюю область, наклоняя фильтр
расчётное пропускание

зависит и от пропускания всех предыдущих фильтров

осью под 45º
(для обыкновенной и необыкновенной волн,
зависят от длины волны)
-

требуется выделение рабочей линии !!!

- оптическая длина следующего кристалла удваивается

Пример реализации:

- на линию Нa (l = 656.2 нм)
11 ступеней, dl = 0.3 нм, R ~ 22000
первые ступени из кварца, потом из шпата
(n1-n2) = 0.01 и 0.17, соответственно
- проблема: нужна хорошая термостабилизация
(дрейф ~0.05 нм/градус)

– оптические материалы
Рентгеновский диапазон – тонкие поглощающие фильтры
* для тонкого

энергия отсечки Е0 – такая, что k (E0)·d·ρ = 1  T =1/e
10 мкм Ве  E0 ≈ 1.0 кэВ

- фотоэффект !

скачки поглощения
K, L, M, N… оболочки

(К - внутренняя)

опасны тяжёлые примеси !

растёт.
Если энергия фотона начинает превышать порог возбуждения очередной электронной оболочки

Разность сигналов двух детекторов с фильтрами из элементов Z и Z+1.

к малым углам падения (относительно плоскости зеркала). Поэтому удаётся организовать

для разных углов падения

влияние интерференционного слоя

 Зеркальную фокусирующую и поворачивающую оптику использовать можно, но только при касательном падении. Это приводит как к малой светосиле, так и к жёстким требованиям на точность изготовления поверхности и качество сборки.

отражение в мягком рентгеновском диапазоне

зеркало из алюминия, угол по отношению к плоскости зеркала

источника на входе
a(l) – функция распределения яркости на выходе от

Аппаратная функция (инструментальный контур) – a(l)

Разрешающая способность
Светосила по освещённости – при фотографической регистрации по световому потоку – при фотоэлектрической регистрации
Угловая дисперсия
Линейная дисперсия , где f2 – фокусное расстояние объектива e – угол между плоскостью спектра и осью камеры
чаще для приборов приводится обратная линейная дисперсия [нм/мм]

s – ширина входной щели
D – апертурная диафрагма
f1, f2 – фокусные расстояния коллиматорного и камерного объективов

диспергирующий элемент

dx
интенсивность излучения под углом j составляет для зоны Фраунгофера


интегрируя по

щели,
fоб, Dоб – параметры коллимирующего

Дифракционная аппаратная функция

дифракция на диспергирующем элементе

где – размер светового пучка на диспергирующем элементе
 дифракционное разрешение зависит от размера прибора

Критерий Рэлея для разрешающей способности

Считаем две тонких линии различимыми, если максимум одной попадает на первый минимум другой.
Тогда провал между пиками (случай а) составляет 20% - различимо глазом. Неразличимо – случай б.

считаем пучок света прямоугольным

щели,
fоб, Dоб – параметры коллимирующего объектива



При меньшей ширине щели

Щелевая аппаратная функция

Обратная линейная дисперсия dl/dl  конечная ширина щели эквивалентна уширению спектральной линии

s’

s’+s2

2s’

sн’

|s’-s2|

s – входная щель
s’ – выходная щель
a – спектрометр с одной большой щелью
b – спектрометр с двумя разными большими щелями
c – спектрометр с одинаковыми широкими щелями
d – изображение нормальной щели

зависимость уширения линии от ширины щели

Светосила

яркость входной щели: bldl
поток на выходе:

площадь щели
телесный угол
пропускание

Eлин не зависит от ширины щели, f1 и угловой дисперсии.

Слабо изменяющийся сплошной спектр (фон)

Отношение яркости линии к яркости фона

 профиль тонкой линии

При фотографической регистрации выгодно брать нормальную толщину щели

δλспл

фону та же, что и для спектрометра
Слабо изменяющийся сплошной спектр

Отношение яркости линии к яркости фона

При широкой входной щели на выходе прямоугольная «линия».

характеристиками источника.
Если диспергирующий элемент не освещён полностью, то разрешение прибора

схемы освещения (некоторые примеры)

для протяженного источника




для маленького источника (больше световой поток)


для нестабильного источника (дефокусировка)
или для спектрального прибора с астигматизмом




трёхлинзовый осветитель

тот случай, когда в равнобедренной призме свет на основной длине

Закон преломления на поверхности:







желательно применение тяжёлых стёкол (с большим n)
зависимость координаты от длины волны нелинейна !

- угловая дисперсия

- разрешающая способность, достигает 106

призменные приборы не имеют проблемы наложения порядков спектра

кривизна изображения входной щели
изменение поляризации света

особенности призменных спектрометров:

от разных щелей есть разность фаз


интерференция этих волн имеет

Приборы с дифракционной решёткой

амплитудные (пропускающие) решётки

N – полное число штрихов
m – порядок спектра
угловая дисперсия: dj/dl = m/dcosj
разрешающая способность: l/dl = Nm
область свободной дисперсии: Dl = l/m

A

B

A·B

пример для дифракции на 6 щелях

решетки: подбором формы волнового фронта переместить максимум концентрации энергии в

решётка с профилированным штрихом

В автоколлимационной схеме q и j малы, поэтому

Главные максимумы будут при

максимум излучения смещается в порядок
(«угол блеска»)

Эшелле – решетки с большими углами для работы в высоких порядках спектра, m ~ 10÷100

для решетки с углом блеска во 2 порядке

возможно наложение линий разных порядков
«дỳхи» из-за периодической неоднородности структуры

особенности спектрометров с решётками:

окружность с Ø = R

Решётка сама является фокусирующим элементом.
Входная и

Рентгеновская область спектра: решётки скользящего падения

ламп накаливания 

Интерферометр Фабри-Перо

L

R

R

m-2
m-1
m

m » 1

n T

14 при T·R = 0.8
314 при T·R = 0.99

{

число различимых линий в пределах области свободной дисперсии

обычно промежуток воздушный

расщепление линий при эффекте Зеемана (работа 2.1 атомного практикума)

L = 65 см
dl/dl ≈ 15 Å/мм, lmin= 2 Å

кристалл, вырезанный вдоль одной из главных кристаллографических плоскостей. Глубина проникновения

Условие Вульфа-Брэггов

есть длинноволновая граница
кристалл «выбирает» одну длину волны
настройка – изменением угла падения/ в узком диапазоне
очень высокая разрешающая способность и селективность, но маленькая светосила.

органические псевдокристаллы нестойки

от 100 эВ до 1 кэВ или l от 10

 как и кристалл, многослойное зеркало является селективным отражателем, но в процессе участвуют не отдельные атомы, а многоатомные слои.

Коэффициент отражения высокий и доходит до ~70% в лучших образцах, светосила гораздо выше, чем у кристаллов (за счёт худшего спектрального разрешения)

Проблемы:
очень высокие требования к технологии изготовления
не для всех длин волн удаётся найти хорошую пару элементов
в интерференции участвуют меньше рассеянных лучей, велико поглощение
 ширина «кривой качания» составляет ~0.5÷1 градус