Связь спектрального разрешения (фокусного расстояния, диаметра круга Роуланда) и аналитических результатов

Авторы:
сотрудники компании

Cпектральное 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 ΔλR является так называемая «полуширина» спектральной одиночной линии δλR. Полуширина линии определяется как ширина спектральной линии на половине высоты. Высота линии Imax — это интенсивность максимума спектрального контура, отсчитываемая от спектрального фона. (смотрите правый рисунок, нажмите на картинку, чтобы увеличить ее)

ΔλR ≅ δλR

Спектральное разрешение по критерию Релея
Спектральное разрешение по критерию Релея
Как на практике оценивают спектральное разрешение
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 бóльшими фокусными расстояниями или бóльшими 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.

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 улеродистой 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 боллее слабым спектральным разрешением анализирует исследуемый элемент ничуть не хуже спектрометра с более высоким спектральным разрешением.
Искролайн 100
Cпектральное разрешение 0.02 - 0.04 нм
Искролайн 300
Cпектральное разрешение 0.007 - 0.01 нм
Аналитическая линия никеля 315.505 нм на спектре улеродистой стали (образец УГ2и). Спектр снят на спектрометре Искролайн 100 c разрешением 0.02 - 0.04 нм. Аналитическая линия никеля 315.505 нм на спектре улеродистой стали (образец УГ2и). Спектр снят на спектрометре Искролайн 300 c разрешением на этом участке спектра 0.007 - 0.01 нм.
Аналитическая линия никеля 315.505 нм, участок спектра 0.4 нм
Аналитическая линия серы 180.7311 нм на спектре улеродистой стали (образец УГ2и), участок спектра 0.5 нм, спектральное разрешение разрешение 0.02 - 0.04 нм Аналитическая линия серы 180.7311 нм на спектре улеродистой стали (образец УГ2и), участок спектра 0.5 нм
Аналитическая линия серы 180.7311 нм, участок спектра 0.5 нм

Кроме того, как уже упоминалось выше, спектральные приборы с относительно не высоким спектральным разрешением обладают, как правило, заметно бóльшей 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.