Калибровка спектрографа, оснащенного цифровой камерой, по длинам волн и спектральной чувствительности

            (3.5)

      Для определения коэффициента пропускания  τ предполагалось, что он зависит  только от длины волны, и использовалось выражение, полученное из экспериментальных данных в работе [5]:

            (3.6)

где для 300нм≤λ≤460нм, коэффициенты d₀, d_1,..., d₈ имеют значение и соответственно, а постоянные N и D – 380 и 80 соответственно. Для 460нм≤λ≤700нм d₀, d_1,..., d₇ – ; . Для 700нм≤λ≤1200нм d₀, d_1,..., d₅ , имеют значения .

      Для используемой нами калибровочной лампы в паспорте указана яркостная температура на длине волны 650 нм. Яркостная температура на определенной длине волны равна температуре абсолютно черного тела того же углового размера, что и излучающее тело, и дающего такой же поток излучения на данной длине волны. Поэтому, исходя из того, что при длине волны равной 650 нм плотность мощности излучения чёрного и серого тела равны, можно найти истинную температуру вольфрамового излучателя:

           (3.7)

где - яркостная температура АЧТ взятая из характеристики лампы, - истинная температура вольфрама.

      Подставив в (3.4) формулы (3.1) и (3.3) и сократив на постоянные, получается:

          (3.8)

      или

           (3.9)

где .  
 

      Чтобы выполнялось уравнение (3.6), с помощью встроенной в Excel процедурой «поиск решения»¹ была найдена истинная температура . Для удобства дальнейшего использования Wсер. была пронормирована при истинной температуре (рис. 3.6).  

        
 
 

      Далее была проведена обработка полученных экспериментальных точек, изображенных на рисунке 3.1, т.к. данные точки имеют небольшое отклонение от кусочно-гладкой кривой, то их необходимо сгладить. Сглаживание проводилось с помощью встроенной в Excel функцией ЛИНЕЙН, которая аппроксимирует известный точки графика полиномом (для данного случая использовалось k=3), где y – интенсивность I, а x – длина волны λ. Для аппроксимации весь диапазон разбивался на интервалы (~(50÷100) нм). Относительная погрешность использованного метода в диапазоне 425 нм≤λ≤825 нм для 10.8 А составляет <2%, а для 14.5 А – <1%.  

      

        
 
 

      После сглаживание необходимо ещё учесть шум, который был найден аналитически, как показано на рисунке 3.3, путем вычитания от кривой интенсивности.

      Интенсивность можно выразить через плотность  мощности излучения и длину волны:

            (3.10) 
 
 
 

      3.4 Получение коэффициента  спектральной чувствительности 

      Далее подставляя (3.10) в (3.1) и преобразовывая, получается формула для калибровочного коэффициента:

            (3.11)

      Полученная  спектральная зависимость K от длины волны приведена на рисунке 3.8. 

 

        
 

      Из  графика (рис. 17) видно, что левый край кривой для разных сил тока отличается. По нашему мнению это обусловлено тем, что при 10.8 А лампа обладает малой мощностью свечения по сравнению с 14.5 А. Поэтому можно считать, что коэффициент полученный для более яркого источника является наиболее достоверным.

      Полученный коэффициент зависит только от длины волны, поэтому его можно использовать и для пересчета полученной интенсивности для любого другого источника, изучаемого в данном диапазоне длин волн. 

      3.5 Получение истинного  спектра свечения  газоразрядной калибровочной лампы 

      Найденная спектральная чувствительность была применена  к спектру газоразрядной лампы (3.9), использованной для калибровки по длинам волн.

        
 

      Полученный  скорректированный спектр, можно  использовать для предварительной  калибровки других спектральных приборов, как по длинам волн так и относительной интенсивности.

 

Заключение 
 

      В ходе выполнения курсовой работы было изучено устройство и принцип работы спектрального прибора состоящего из спектрографа SL 100M и цифровой камеры HS 102H и предназначенного для измерения спектров свечения исследуемых образцов в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн.

      Изучена справочная и научная литература, посвященная устройству спектральных приборов, их юстировке и настройке, а также принципам спектральной калибровки. Разработана методика и проведена калибровка спектрографа по длинам волн и спектральной чувствительности при помощи эталонной лампы.

      Результатом работы явилось создание калибровочных файлов для штатного программного обеспечения цифровой камеры HS 102H. На откалиброванном приборе был получен истинный спектр газоразрядной лампы, содержащей атомы неона, аргона и ртути, с правильной относительной интенсивностью атомарных линий. 

 

список использованных источников 
 

      

1. Руководство по эксплуатации цифровой камеры HS 102H / СООО «Proscan специальные инструменты», 2007 – 2010.
2. Инструкция по эксплуатации линзового спектрографа с компенсацией астигматизма SL 100M / СП «Solar TII», 2010.
3. Таблицы спектральных линий Изд. 3/ А.Н. Зайдель и др. – Москва: Издательство «Наука», 1969.
4. Левшин, Л.В. Оптические методы исследования молекулярных систем. Ч. 1. Молекулярная спектроскопия / Л.В.Левшин, А.М.Салецкий. – Москва: Издательство МГУ, 1994.
5. Physica XX / Relation between brightness, temperature, true temperature and colour temperature of tungsten. Luminance of tungsten / G.A.W. Rutgers, J.C. De Vos. – Arnhem: Research Department of the N.V. Kema, 1954 – 715-716 p.
6. Неизвестный С.И. Никулин О.Ю. / Приборы с зарядовой связью – основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС/ Специальная техника, №5, 1999.
7. Characteristics and use of FFT-CCD area image sensor. Technical Information SD-25 / Проспект фирмы Hamamatsu, 2003.
8. Physica XX / A new determination of the emissivity of tungsten ribbon / J.C. De Vos. – Arnhem: Research Department of the N.V. Kema, 1954.
9. Латыев, Л.Н. / Вольфрам как стандартный материал монохроматического излучения / Л.Н. Латыев, В.Я. Чеховской, Е.Н. Шестаков – Москва: Институт Высоких Температур Академии Наук СССР – 1972.
10. Ma, C. K. Calculation of the spectral dependence of the radiance temperature of the high-stability tungsten strip lamp / C. K. Ma, R.E. Bedford, A.A. Gaertner – Ottawa: National Research Council of Canada, 2001.

 

Приложение а 
 

      Конечная  калибровочная таблица 

ПРИЛОЖЕНИЕ  Б 
 

      Таблица сравнения значений ε предложенных Латыевым и полученных из полинома (3.2)