84
С.С. Красильников, Н.А. Красильникова, Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â И.А. âóçàõ.Савченко, Ò. 9, ¹ 2,А.В. 2003Смирнов
Светочувствительные приборы с зарядовой связью â àòîìíîì ïðàêòèêóìå ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ С.С. Красильников, Н.А. Красильникова, И.А. Савченко, А.В. Смирнов МГУ, Физический факультет, 119899, Воробьевы Горы, тел.(095) 9391304 e!mai:
[email protected] Излагается опыт применения светочувствительных линейных приборов с зарядовой связью в оптическом подразделении атомного практикума для студентов 3 – го курса физического факультета МГУ .
Светочувствительные линейные Приборы с Зарядовой Связью (ПЗС! линейки) давно уже не являются диковинкой в научной спектральной лаборатории. Оптические многоканальные анализаторы радикально изменили спектральный эксперимент, устранив долгий (и «мокрый») фотопроцесс и кропотливую обработку пластинок и пленок на микрофотометре или компараторе «по точкам». Компьютер с ПЗС!линейкой (и соответствующим интерфейсным модулем) позволяет регистрировать, хранить и обрабатывать спектры значительно более быстро, оперативно и точно, на более высоком уровне культуры обращения с результатом эксперимента. Малый шаг ПЗС!линеек (~ 10 мкм) позволяет за одну экспозицию получать многотысячный массив чисел – спектр и использовать все возможности, предоставляемые компьютером – трансформировать, масштабировать, складывать, применять современные методы анализа и т. д. Высокая (технологическая) стабильность периода ПЗС!линеек позволяет избегать спектральных ошибок, обусловленных механическим сканированием спектра на микрофотометрах или компараторах. Заметно упрощается (и улучшается !) юстировка спектрального прибора. Хроматическая аберрация объективов спектрографов требует корректировки фокусирования в каждом спектральном диапазоне; фокусировка в реальном времени «по наилучшему виду живого спектра» даёт значительно более высокое качество результата. Постоянно снижающаяся цена электронной техники делает стоимость комплекта ПЗС!линейки и компьютера вполне сравнимой (или даже более дешевой) со стоимостью традиционных компараторов и микрофотометров; трудоемкость же и качество обработки спектра, удобство хранения и поиска информации несравнимы. Недостатком линейки является её малая длина (~ 30 мм); это создаёт
Светочувствительные приборы с зарядовой связью в атомном практикуме физического факультета МГУ
85
определённые трудности в работе с «длинными» спектрами широкого спектрального диапазона. Сочленение же «коротких» линеек заметно усложняет регистрирующую часть прибора и повышает её стоимость. Наличие парка старых спектральных приборов вместе с недостаточным финансированием учебного процесса в стране в целом привело к тому, что в студенческих оптических практикумах ПЗС!линейки (и оптический многоканальный анализ) не получили сегодня должного распространения. Финансовая поддержка НИИЯФ МГУ, курирующего атомный практикум для студентов 3!го курса физического факультета, позволяет последовательно внедрять многоканальную регистрацию спектров в оптическом разделе атомного практикума. Во всех экспериментах используются ПЗС!линейка фирмы Toshiba, содержащая 3724 фоточувствительных элемента размером 8x200 мкм, шаг линейки – 11 мкм, спектральная чувствительность линейки изображена на рис. 1.
Рисунок 1. Относительная спектральная чувствительность ПЗС!линейки Toshiba; Сплошная линия – данные фирмы; штриховая линия – экстраполяция .
Режим накопления экспозиций позволяет повысить отношение сигнал / шум и до некоторой степени компенсировать более низкую, по сравнению с ФЭУ, чувствительность ПЗС!линейки. Спектры сохраняются в бинарном или текстовом формате; текстовый формат позволяет использовать для обработки (и представления результата) широко известные стандартные пакеты Origin, Excel, Mathcad, и др. Электронная почта e!mail и Internet дают возможность обмена спектрами и программами обработки и организации виртуального практикума; спектры, записанные на оптических приборах атомного практикума и сохранённые в текстовом формате, размещены на сайте кафедры атомной физики физического факультета МГУ: www.affp.mics.msu.su.
86
С.С. Красильников, Н.А. Красильникова, И.А. Савченко, А.В. Смирнов
Все спектры могут быть обработаны (откалиброваны и измерены) непосредственно в программе управления ПЗС!линейкой. В нашем практикуме спектры обрабатываются либо специализированными программами, либо (также специальными) программами в пакете Mathcad, в последних предусмотрена возможность моделирования спектров. Студент может предложить и реализовать собственный алгоритм обработки спектра. Применение ПЗС!линеек значительно сокращает время, необходимое для выполнения эксперимента и обработки спектров, заметно улучшается точность, достоверность и качество представления результатов . Ниже описываются задачи практикума с применением ПЗС!регистрации спектров и их компьютерной обработки. 1. Изотопический сдвиг. В работе измеряется разность длин волн спектральных линий Hα,β,γ серии Бальмера атомов водорода и дейтерия. Спектральный прибор – дифракционный спектрограф УФ – 85, решетка – 600 штрихов на мм, фокусное расстояние ~ 1300 мм. Объектив имеет значительную хроматическую аберрацию, поэтому реальная линейная дисперсия измеряется по реперному спектру атома ртути – желтому дублету (577,0 и 579,1 нм) и синему триплету (433,9, 434,8 и 435,8 нм). На рис. 2 изображены линии Hγ водорода и дейтерия вместе с триплетом ртути в первом дифракционном порядке; регистрация линии Hγ на фотопластинке требовала очень больших экспозиций и высокой культуры проявления и в условиях практикума не наблюдалась .
Рисунок 2. Линии Hγ водорода и дейтерия (верхний спектр) и синий триплет ртути.
2. Тонкая структура головной линии Hα серии Бальмера. Спектральный прибор – призменный стеклянный спектрограф ИСП – 51, скрещенный с интерферометром Фабри−Перо, расстояние между пластинами 6 мм. Капиллярная лампа ТВС!15, даже охлаждаемая вентилятором, даёт значительное доплеровское уширение, позволяющее разрешить лишь две группы линий в тонкой структуре Hα линии (656,5 нм), линия Hβ (486,3 нм) практически не разрешается. Программа компьютерной обработки интерферограммы Фабри−Перо трансформирует распределение интенсивности по радиусу колец в собственно спектр – распределение
Светочувствительные приборы с зарядовой связью в атомном практикуме физического факультета МГУ
87
по волновому числу (или длине волны). На рис. 3 а, б представлены собственно интерферограмма Фабри−Перо и спектры тонкого расщепления, восстановленные по трем кольцам интерферограммы; штриховая линия изображен результат компьютерного моделирования контура H α линии ! свертка семи линий теоретической тонкой структуры (с учётом лэмбовского сдвига) с доплеровским гауссовым контуром. Моделирование наблюдаемого контура с изменяемой аппаратной шириной спектрального прибора позволяет студенту ясно представить, что собственно наблюдает прибор .
Рисунок 3 а. Интерферограмма Фабри!Перо головной линии серии Бальмера .
Рисунок 3 б. Тонкая структура головной линии серии Бальмера (по трём кольцам интерферограммы); штриховая линия – результат моделирования контура линии; внизу – реальная тонкая структура, измеренная методами лазерной спектроскопии.
88
С.С. Красильников, Н.А. Красильникова, И.А. Савченко, А.В. Смирнов
3. Эффект Зеемана наблюдается на синглетной линии 1D2 → 1P1 (636,2 нм) и триплете 3S1 → 3P0,1,2 (433,9, 433,8, 435,8 нм) атома цинка (или кадмия). Спектральный прибор –призменный стеклянный спектрограф ИСП – 51, скрещенный с интерферометром Фабри−Перо, расстояние между пластинами 4 мм. Магнитное поле – до 5500 эрстед. На рис. 4 представлены совмещённые результаты обработки двух спектральных линий : синглетной линии (нормальный лоренцевский триплет , g = 1) и одной из линий триплета 3S1 → 3P0 ( аномальный эффект Зеемана, g = 2) атома цинка .
Рисунок 4. Нормальный лоренцевский триплет, g = 1, и одна из линий триплета
3
1
D 2 → 1P 1 (пунктир)
S1 → P0 (аномальный эффект, g = 2) атома цинка. 3
4. Спектр поглощения молекулярного йода. Длина стеклянной кюветы с сапфировыми окнами, содержащей насыщенные пары над кристаллами йода при комнатной температуре – 40 см. Спектральный прибор − дифракционный спектрограф ДФС!452, решетка – 600 штрихов на мм. Регистрация полного спектра поглощения – системы полос X1Σ → B1П − потребовала «сшивания» трёх спектров ПЗС!линейки; наличие в программе управления линейкой «буфера» позволяет складывать исследуемый и реперный спектры и затем сшивать соседние (по длине волны) спектры по реперным линиям. На рис. 5 представлен спектр поглощения молекулярного йода, «сшитый» (в пакете Mathcad) из трёх участков по реперным линиям атома ртути – желтому дублету (577,0 и 579,1 нм) и зеленой линии (546,1 нм) и содержащий около 10000 каналов, цена канала – около 0,015 нм; спектр калиброван по волновым числам.
Светочувствительные приборы с зарядовой связью в атомном практикуме физического факультета МГУ
89
Рисунок 5. Полосатый спектр поглощения молекулярного йода, система полос X1Σ → B1П.
Рисунок 6. Участок перекрытия колебательных серий.
На рис. 6 представлен (в «растянутом» виде) особо важный участок спектра, где прогрессии перекрываются, возможности пакета Mathcad позволяют «легко и просто» определить волновые числа кантов полос поглощения двух колебательных серий (прогрессий), отмеченных на спектре специальными значками. Определяются параметры основного X 1 Σ и возбужденного B 1 П электронных термов молекулы йода – колебательные кванты, константы ангармоничности и др. 5. Спектральная ширина линии излучения рубинового лазера. Спектральный прибор – интерферометр Фабри−Перо; на рис. 7 изображена часть интерферограммы, отчетливо видны продольные моды свободно генерирующего лазера. Микрофотометрирование фотопластинки (в условиях практикума) не обнаруживало модового характера излучения.
90
С.С. Красильников, Н.А. Красильникова, И.А. Савченко, А.В. Смирнов
Рисунок 7. Интерферограмма Фабри−Перо излучения рубинового лазера.
В заключение отметим, что применение ПЗС!линейки позволяет интенсифицировать общение студента с преподавателем и более подробно обсуждать ход эксперимента и качество результата.