Спектральное разрешение (Фокусное расстояния, диаметра круга Роуланда) и аналитика спектрометров

Спектральное разрешение

В соответствии с критерием Релея, две спектральные линии считаются разрешёнными, если провал суммарного контура 20% или более (смотрите левый рисунок).

Но на практике найти рядом две одинаковые по интенсивности и ширине линии, бывает весьма проблематично. Поэтому, на практике, хорошей оценкой спектрального разрешения по Релею Δλ_R является так называемая «полуширина» спектральной одиночной линии δλ_R. Полуширина линии определяется как ширина спектральной линии на половине высоты. Высота линии I_max — это интенсивность максимума спектрального контура, отсчитываемая от спектрального фона. (смотрите правый рисунок, нажмите на картинку, чтобы увеличить ее)

Δλ_R ≅ δλ_R

Спектральное разрешение по критерию Релея

Оценка спектрального разрешения на практике

Как спектральное разрешение влияет на результаты?

Среди потенциальных покупателей оптико-эмиссионных спектрометров иногда бытует мнение, что, чем лучше спектральное разрешение спектрального прибора в спектрометре, тем лучше аналитические результаты, даваемые спектрометром. Поскольку с ростом фокусного расстояния или диаметра круга Роуланда спектральное разрешение, как правило, также увеличивается (если, конечно, при этом число штрихов дифракционной решетки не уменьшается), то считают также, что спектрометры с большими фокусными расстояниями или большими диаметрами круга Роуланда дают и лучшие аналитические результаты.

На первый взгляд кажется, что это так и есть.

А в действительности является заблуждением, поддерживаемым (с понятной выгодой для себя) некоторыми производителями, которые выпускают спектрометры с высоким спектральным разрешением, но не выпускают более дешевые спектрометры с более низким спектральным разрешением.

На самом деле есть еще такое понятие, как светосила спектрального прибора, которая, говоря простыми словами, характеризует то количество света, которое дойдет в спектральном приборе до фотоприемника. Так вот, природа устроена так, что, чем лучше спектральное разрешение спектрального прибора, тем меньше света доходит до фотоприемника. То есть спектральный прибор с самым-самым наилучшим спектральным разрешением даст столь слабый по интенсивности спектр, что он попросту утонет в шумах фотоприемника и мы вообще не получим никакого аналитического сигнала, а значит и говорить о каких бы то ни было аналитических результатах вообще не придется!

Таким образом, наилучшие аналитические результаты даст не тот спектрометр, в котором спектральный прибор имеет лучшее спектральное разрешение, а тот, в чьем спектральном приборе достигнут наиболее оптимальный компромисс между спектральным разрешением и светосилой для данной аналитической задачи.

Аналитика спектральных приборов Искролайн

Многолетняя аналитическая практика проведения анализов металлов и сплавов специалистами ООО «Промоптоэлектроника» на различных искровых спектрометрах показывает, что величин спектрального разрешения, лежащих в диапазоне 0.02 — 0.06 нм, достаточно для удовлетворения требованиям соответствующих ГОСТов при решении большинства (90-95%) рутинных аналитических задач. И пользователям, чьи задачи успешно решаются спектрометрами с таким спектральным разрешением, совсем нет никакой необходимости переплачивать (и существенно переплачивать, — на 30-100%!) за спектрометры, в которых спектральные приборы имеют заметно лучшее спектральное разрешение (например, 0.01 нм и менее).

На изображениях представлены участки искрового спектра образца углеродистой стали (образец УГ2и) полученные слева — на спектрометра Искролайн 100, а справа — на спектрометре Искролайн 300. Данные картинки иллюстрируют ситуацию, когда рядом с аналитической линией находится линия спектральной помехи. Хорошо видно, что обе линии не «налезают» друг на друга и разрешаются. На спектрах справа линии разрешаются лучше, но и на спектре слева четко видно, что линии не мешают друг другу. Поэтому в данном примере спектрометр с более слабым спектральным разрешением анализирует исследуемый элемент ничуть не хуже спектрометра с более высоким спектральным разрешением.
Искролайн 100 Спектральное разрешение 0.02 - 0.04 нм	Искролайн 300 Спектральное разрешение 0.007 - 0.01 нм
Аналитическая линия никеля 315.505 нм, участок спектра 0.4 нм
Аналитическая линия серы 180.7311 нм, участок спектра 0.5 нм

Аналитические методики приборов

Кроме того, как уже упоминалось выше, спектральные приборы с относительно не высоким спектральным разрешением обладают, как правило, заметно большей светосилой, поэтому, например, на искровых спектрометрах с такими спектральными приборами реализуется возможность проводить анализы металлов и сплавов с небольшими (буквально в 3-5 сек) временами экспозиции, в течение которых образец практически не нагревается. А неизменность температуры анализируемой пробы при измерениях очень благоприятно сказывается на сходимости и воспроизводимости результатов.

Тем не менее, существует достаточное количество сложных аналитических задач, где высокое спектральное разрешение является одним из определяющих факторов достижения нужных аналитических результатов. В связи с этим ведущие производители оптико-эмиссионных спектрометров выпускают не один какой-то тип спектрометра, а несколько типов, в том числе и с разным спектральным разрешением.

Именно поэтому ООО «Искролайн» выпускает линейку оптико-эмиссионных спектрометров серии Искролайн, в которой Искролайн 100 представляет собой настольный малогабаритный спектрометр со спектральным разрешением 0.02 нм (на длине волны Fe-194 нм) и спектральным диапазоном 174-441 нм, а напольные спектрометры Искролайн 300 имеет спектральное разрешение 0.007 нм (на той же длине волны) и спектральный диапазон 174-915 нм.

Эта серия спектрометров решает почти 100% аналитических задач в области количественного спектрального экспрессного анализа металлов и сплавов, обеспечивая метрологические результаты в 2-10 раз лучшие, чем требования соответствующих ГОСТов.

Специалисты ООО «Промоптоэлектроника» всегда готовы помочь выбрать спектрометр, наиболее подходящий для решения аналитических задач клиента.