Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI
I. Zagadnienia do opracowania. 1. Charakterystyka przyrządów spektralnych: pryzmatycznych, siatkowych, interferometrów. 2. Zasada działania przyrządu spektralnego: a) różnica pomiędzy spektrografem a monochromatorem; b) układ optyczny spektrografu; c) element dyspersyjny: siatka, pryzmat; d) wielkości charakteryzujące przyrządy spektralne: obszar widmowy, zdolność rozdzielcza, dyspersja liniowa, świetlność spektrografu, powiększenie; e) aparaturowa szerokość linii widmowej. 3. Kamera CCD: a) budowa kamery CCD; b) zasada działania. 4. Charakterystyka czułości widmowej detektorów promieniowania. 5. Linie widmowe: a) kształt i szerokość linii widmowej; b) jakościowa i ilościowa analiza spektrum. 6. Kryteria rozróżnialności linii spektralnych. 7. Wielkości fotometryczne. II. Zadania doświadczalne. 1. Zapoznać się z układem pomiarowym przedstawionym na Zdjęciu 1. Zdjęcie 1. Widok stanowiska pomiarowego do rejestracji emisyjnych widm liniowych: 1 kamera CCD; 2 szczeliny; 3 spektrograf; 4 zasilacz lampy rtęciowej; 5 zestaw komputerowy; 6 lampa rtęciowa; 7 uchylne lusterka. Instytut Fizyki Doświadczalnej 1.
2. Włączyć zasilanie poszczególnych elementów układu. 1. Przed włączeniem zasilania skręcić obie szczeliny 2 na Zdjęciu 1 do minimum!!! 2. Wartość liczby zliczeń powinna być niższa od liczby 6 10 5 Zachować następującą kolejność: włączyć listwę zasilającą, do której są podłączone kamera CCD oraz spektrograf upewniając się czy przełącznik umieszczony na obudowie zasilacza kamery jest ustawiony w pozycji II; włączyć komputer (włącznikiem na przedniej płycie obudowy); włączyć zasilanie spektrografu (włącznikiem po prawej stronie obudowy); włączyć lampę rtęciową (włącznikiem na tylnej ściance zasilacza); lampę rtęciową należy włączyć przynajmniej pół godziny przed rozpoczęciem pomiarów. 3. Uruchomić program pod nazwą Andor Solis for Spectroscopy umożliwiający sterowanie spektrografem oraz kamerą CCD poprzez wybór ikony umieszczonej na pulpicie 1, Zdjęcie 2. Zdjęcie 2. Widok ekranu po uruchomieniu systemu: 1 ikona programu Andor Solis for Spectroscopy sterującego spektrografem i kamerą CCD. 4. Przed rozpoczęciem pomiarów sprawdzić, czy temperatura kamery CCD widoczna na wskaźniku 1 na Zdjęciu 3 ustaliła się na 60 ⁰C. Instytut Fizyki Doświadczalnej 2.
5. Wybrać jako tryb pracy kamery tryb FVB. W tym celu dokonać kolejno następujących wyborów w menu: Acquisition, Setup Acquisition, Setup CCD, Readout Mode 16,25 μs a szybkość przesuwu Readout Pixel Shift ustalić jako 100 khz AT 16 bit. 6. Na podstawie danych z punktu II.5. obliczyć efektywny czas pracy kamery CCD. 7. Zarejestrować widma lampy w funkcji czasu ekspozycji kamery wykonując kolejne polecenia doświadczalne z punktów II.8. II.13. 8. Określić metodę zbierania danych. Wyboru metody zbierania danych pomiarowych dokonuje się poprzez wybranie kolejno w menu: Acquisition, Setup Data Type lub naciskając kombinację klawiszy Ctrl+D. Przy rejestracji widm emisji ustawić odczyt danych z kamery z korekcją tła ang. Counts (Background corrected). 9. Dla najkrótszego czasu ekspozycji ustawić jak najmniejsze szerokości szczelin 2, Zdjęcie 1, tak aby liczba zliczeń nie przekraczała 100. 10. Używając ikony rotora siatek dyfrakcyjnych 6, Zdjęcie 3, wybrać jedną siatkę dyfrakcyjną, a następnie przy pomocy suwaka 3, Zdjęcie 3 określić obserwowany zakres spektralny. W przypadku lampy rtęciowej należy wybrać siatkę o 1200 rys/mm oraz zakres spektralny z centrum przy 580 nm. Zdjęcie 3. Widok ekranu programu sterującego spektrografem i kamerą CCD: 1 wskaźnik temperatury pracy kamery CCD (kolor czerwony kamera nie osiągnęła zadanej temperatury, kolor niebieski kamera osiągnęła zadaną temperaturę); 2 okno dialogowe, wywołane z menu głównego Hardware, umożliwiające uruchomienie chłodzenia kamery CCD oraz wpisanie temperatury; 3 suwak prezentujący wybrany zakres spektralny, obserwowany na kamerze CC;, 4 zakładki Detector i Grating umożliwiające wpisanie przesunięcia względnego dla detektora i siatki dyfrakcyjnej; 5 menu przycisków; 6 zakładka umożliwiająca wybór siatki dyfrakcyjnej; 7 wybór modu pracy kamery CCD i wyświetlania wyników. 11. Zasłonić szczelinę wejściową spektrografu, zarejestrować tło naciskając Ctrl+B lub w menu wybrać kolejno Acquisition, Take Background. Instytut Fizyki Doświadczalnej 3.
12. Zarejestrować i zapisać widma dla 11 różnych czasów ekspozycji kamery: 10 µs, 50 µs, 100 µs, 500 µs, 1 ms, 5 ms, 10 ms, 50 ms, 1 ms, 500 ms, 1 s. Wszystkie zapisane widma należy scałkować w tych samych granicach i utworzyć wykres intensywność w funkcji czasu ekspozycji kamery. 13. Zarejestrowane widma można zapisać na kilka sposobów; w celu poddania ich dalszej obróbce należy zapisać je w postaci kodu ASCII wybierając kolejno następujące opcje w menu: File, Export as ASCII, Signal lub Background, Reference, Lamp Calibration. W trakcie wykonywania ćwiczenia pamiętać, że wraz ze wzrostem czasu ekspozycji i szerokości szczeliny wzrasta tło, a w związku z tym widmo tła należy rejestrować każdorazowo po zmianie jednego z wyżej wymieniowych parametrów przysłaniając źródło światła. 14. Oszacować efektywny czas pracy kamery CCD i porównać z obliczonym. 15. Zarejestrować widma lampy rtęciowej w funkcji szerokości szczeliny wejściowej spektrografu zmienianej w zakresie od 0,05 do 1,5 mm wykonując kolejno czynności II.16. II. 18. 16. Ustawić czas ekspozycji kamery większy lub równy efektywnemu. 17. Skręcić do minimum szerokości obu szczelin 2 na Zdjęciu 1, a przy pomocy suwaka 3, Zdjęcie 3 określić obserwowany zakres spektralny. 18. Zarejestrować i zapisać 12 widm w funkcji szerokości szczeliny wejściowej spektrografu, zmieniając jej szerokość od 0,05 do 1,5 mm. 19. Scałkować zmierzone widma a otrzymane wartości nanieść na wykres typu : I = I₀*r + B, gdzie I₀ natężenie początkowe, r szerokość szczelny, B wielkość stała związana z poziomem tła. 20. Sprawdzić kryterium rozdzielczości Rayleigha dla dwóch wybranych linii emisyjnych. W tym celu wykonać kolejno polecenia z punktów II.21. II.25. 21. Ustawić czas ekspozycji kamery CCD większy lub równy efektywnemu. 22. Używając ikony rotora siatek dyfrakcyjnych 6, Zdjęcie 3 wybrać siatkę dyfrakcyjną o liczbie rys 1200 na mm. 23. Przy pomocy suwaka 3, Zdjęcie 3 ustalić obserwowany zakres spektralny z centrum na 580 nm. 24. Ustawić szerokości obu szczelin 2 na Zdjęciu 1 na minimum. 25. Zarejestrować i zapisać 12 widm w funkcji szerokości szczeliny wejściowej spektrografu, zmieniając ją od 0,05 do 1,5 mm. 26. Zarejestrowane widma poddać obróbce poprzez dopasowanie pasm krzywą Lorentza. 27. Określić spełnienie kryterium Rayleigha dla dwóch wybranych linii widmowych. 28. Zarejestrować widma emisyjne dla dwóch siatek dyfrakcyjnych: 100 rys/mm i 1200 rys/mm wykorzystując opcję sklejania widm postępując według opisu z punktów II.29. II.34. 29. Używając ikony rotora siatek dyfrakcyjnych 6, Zdjęcie 3 wybrać siatkę dyfrakcyjną o liczbie rys 100 na mm. 30. Ustalić zakres pomiarowy taki sam dla obu siatek np.: zakres długości fal od 400 do 700 nm. 31. Zarejestrować i zapisać widmo dla siatki 100 rys/mm. Instytut Fizyki Doświadczalnej 4.
32. Używając ikony rotora siatek dyfrakcyjnych 6, Zdjęcie 3 wybrać siatkę dyfrakcyjną o liczbie rys 1200 na mm. 33. Użyć opcji zszywania widma wybierając kolejno: Acquisition, Setup Acquisition, Step n Glue 1, Zdjęcie 4. Dobrać zakres pomiarowy oraz stopień przekrywania się widm. Zdjęcie 4. Ekran programu sterującego spektrografem i kamerą CCD pokazujący menu umożliwiające pomiar widma poprzez sklejanie zakresów pomiarowych: 1 wybór zakresu długości fal. 34. Zarejestrować i zapisać widmo dla siatki 1200 rys/mm. 35. Porównać pomiary wykonane dla dwóch siatek dyfrakcyjnych w punktach II.31. i II.34. III. Zestaw przyrządów. 1. Spektrograf firmy Andor Shamrock, model SR 500i. 2. Kamera CCD firmy Andor, model idus 401. 3. Lampa rtęciowa. 4. Zasilacz lampy rtęciowej. 5. Szczeliny regulowane. 6. Lusterka uchylne. 7. Zestaw komputerowy. Instytut Fizyki Doświadczalnej 5.
IV. Literatura. 1. W. Demtröder Spektroskopia laserowa, PWN, Warszawa,1993. 2. R.I. Sołouchin Optyka i fizyka atomowa, PWN, Warszawa1982. 3. Sz. Szczeniowski Fizyka doświadczalna, Tom IV, PWN, Warszawa 1983. 4. D. Kunisz Fizyczne podstawy emisyjnej analizy widmowej, PWN, Warszawa 1973. 5. J.H. Moore, C.C. Davies, M.A. Coplan Building Scientific Apparatus, Westview Press, 2002 6. A.P. Arya Fundamentals of Atomic Physics, Allyn & Bacon, Inc., Boston 1971. 7. W. Demtröder Laser Spectroscopy. Basic Concepts and Instrumentation, Springer, 1988. 8. S.P. Davies Diffraction Grating Spectrographs, Winston, N.Y. 1970. 9. P. Bousquet Spectroscopy and its Instrumentation, A. Hilger, London 1971. 10. A.P. Thorne Spectrophysics, Chapman and Hall Science Paperbacks, London 1974. 11. F. Mayinger, O. Feldmann Optical Measurements, Springer, 2001. Instytut Fizyki Doświadczalnej 6.