Спектральные приборы на основе плоской дифракционной решетки

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
В.А. ЛАБУСОВ, В.В. ШИРОКОВ 
 
 
 
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ  
НА ОСНОВЕ ПЛОСКОЙ  
ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ 
 
Учебно-методическое пособие 
по курсу «Оптический спектральный анализ»  
для студентов I и II курса магистратуры  
физико-технического факультета  
специальности 12.04.02 «Оптотехника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 535.8(075.8) 
Л 127 
 
Рецензенты: 
Ю.Н. Дубнищев, гл. науч. сотр. Института теплофизики СО РАН,  
д-р техн. наук, профессор 
А.М. Пугачёв, ст. науч. сотр. Института автоматики  
и электрометрии СО РАН, канд. физ.-мат. наук 
 
 
Лабусов В.А. 
Л 127  
Спектральные приборы на основе плоской дифракционной 
решетки: 
учебно-методическое 
пособие 
/ 
В.А. Лабусов, 
В.В. Широков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 57 с. 

ISBN 978-5-7782-4179-4 

Пособие содержит материалы для углубленного изучения принципов работы спектральных приборов с плоской дифракционной решеткой в рамках курса «Оптический спектральный анализ», а также закрепления полученных знаний в процессе выполнения лабораторной 
работы на спектрографе PGS-2.  
Пособие предназначено для подготовки студентов I и II курса магистратуры по специальности: 12.04.02 «Оптотехника», а также для 
аспирантов по специальности 05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы».  
 
 
Работа подготовлена на кафедре оптических информационных  
технологий физико-технического факультета НГТУ 
и утверждена Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебно-методического пособия 
 
 
 
УДК 535.8(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4179-4 
© Лабусов В.А., Широков В.В., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

 
 
 
 
 
 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Цель работы .............................................................................................................. 4 
Умения и навыки, которые должен приобрести студент ................................ 4 
Краткая теория ......................................................................................................... 4 
Описание эксперимента ........................................................................................ 15 
Используемое оборудование ........................................................................... 15 
Порядок выполнения работы .......................................................................... 15 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 20 
Приложение ............................................................................................................ 22 
Библиографический список .................................................................................. 56 
 
 
 
 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ  
 
Изучение принципов работы спектральных приборов с плоской дифракционной решеткой на примере спектрографа PGS-2, экспериментальное определение его основных характеристик, качественный элементный анализ катода лампы с полым катодом.  

Умения и навыки, которые должен приобрести студент 

1. Уметь правильно настроить установку для снятия спектров. 
2. Уметь правильно выбрать оптимальную ширину входной щели 
спектрального прибора. 
3. Научиться экспериментально определять разрешающую способность и обратную линейную дисперсию спектрального прибора. 
4. Научиться определять наличие элементов в пробе. 
 
 
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ 
 
Спектрограф PGS-2 предназначен для проведения атомноэмиссионного спектрального анализа, который является высокочувствительным и многоэлементным методом качественного и количественного определения элементов таблицы Менделеева в твердых, 
жидких и газообразных веществах [1]. Основы метода были разработаны физиком Г. Кирхгофом и химиком Р. Бунзеном в 1859 году. 
Ими было установлено, что каждый химический элемент в спектре 
излучения имеет свои специфические линейчатые структуры (спектральные линии), позволяющие идентифицировать их в анализируемой пробе, при этом интенсивность спектральных линий зависит 

от количественного содержания элемента в веществе. С использованием атомно-эмиссионного анализа были открыты 25 элементов 
таблицы Менделеева. Процесс анализа включает испарение анализируемой пробы (если проба не является газообразной), диссоциацию (атомизацию) ее молекул, возбуждение излучения атомов и 
ионов пробы, разложение получаемого излучения в спектр, регистрацию спектра, идентификацию спектральных линий для установления элементного состава пробы (качественный анализ), измерение 
интенсивности аналитических линий элементов и нахождение количественного содержания элементов с помощью градуировочных зависимостей (количественный анализ).  
Качественный и количественный анализ веществ проводят по аналитическим линиям, которые являются (в случае определения следов 
элементов) наиболее интенсивными спектральными линиями в спектре 
излучения атомов и ионов элементов. В процессе качественного анализа требуется однозначно установить наличие в спектре пробы аналитических линий определяемых элементов или, идентифицировав присутствующие в спектре линии, определить ее элементный состав. Количественный анализ основывается на градуировочных зависимостях интенсивности аналитических линий элементов от концентрации этих 
элементов в анализируемой пробе. Обычно эта зависимость описывается эмпирической формулой Ломакина–Шайбе. Средняя интенсивность аналитической линии (за вычетом интенсивности фона и посторонних линий) равна 

 
Л
b
I
aC

, 
 (1) 

где  С – концентрация элемента в пробе;  a  и  b – постоянные, зависящие от условий и параметров метода анализа. 
При логарифмировании зависимость (1) принимает вид 

 
Л
lg
lg
I
b
C
A


, 
 (2) 

где 
lg
A
a

. Отсюда следует, что связь между логарифмом интенсивности аналитической линии и логарифмом концентрации данного эле

мента в анализируемой пробе является линейной. Линейная область в 
атомно-эмиссионном спектральном анализе обычно охватывает не более трех-четырех порядков величины содержания элемента (иногда до 
пяти-шести порядков). Конкретный вид зависимости (1) и соответствующих градуировочных графиков устанавливают с помощью стандартных образцов (СО) или образцов сравнения (ОС), близких по составу с анализируемой пробой. 
Качественный атомно-эмиссионный спектральный анализ обычно выполняется с помощью сопоставления спектральных линий, обнаруженных в спектре вещества, с заранее известными линиями 
элементов таблицы Менделеева из атласов спектральных линий или 
баз данных, например базы данных спектральных линий программы 
«Атом» [2]. Идентификация линий – трудоемкая задача, и для автоматического определения наличия элемента в пробе в программе 
«Атом» есть инструмент «Корреляционный анализ». Принцип действия корреляционного анализа следующий. Исходными данными 
являются две функции. Первая – зарегистрированный спектр 
 
1I
 , в 
котором важным является положение спектральной линии на фотоприемнике и не учитывается ее интенсивность, фон под линией, вид 
линии, поэтому зарегистрированный спектр заменен меандром, как 
показано на рис. 1. Второй исходной функцией является 
 
2I
  – это 
набор спектральных линий из базы данных, представленный также в 
виде меандра. Далее из этих двух функций рассчитывается функция 

корреляции 
12
1
2
( )
( ) 
(
)
K
I
I
d





 

  


, представленная на рис. 2. 

 

 
Рис. 1. Замена пиков зарегистрированного спектра на набор  
меандров