§ 17. Спектральные приборы

 

Для целей анализа может служить любой прибор, поведение которого так или иначе зависит от частоты воздействия на него. Такого рода приборы можно назвать спектральными.

В основе действия спектральных приборов лежит одно из следующих явлений: интерференция, преломление при наличии дисперсии, резонанс [1].

Первые два явления используются для построения целого ряда спектральных приборов в оптике. Интерференционным путем получаются оптические спектры в интерференционных спектроскопах, а также в диффракционной решетке. Спектр может быть получен также при помощи призмы, если показатель преломления заметно зависит от частоты, или, другими словами, если имеет место дисперсия фазовой скорости [2].

Мы не будем останавливаться на теории этих приборов; нас интересует только общая их характеристика. Наиболее существенно, что названные спектральные приборы являются анализаторами, но анализаторами волновыми; они специально приспособлены для анализа волн, падающих на анализатор. Поэтому они как раз весьма удобны в оптике.

Резонатор — прибор, использующий для анализа явление резонанса, — более универсален, так как может применяться как для анализа волн, для чего его следует поместить в волновое поле, так и для анализа сосредоточенных воздействий. В оптике анализ посредством резонатора нельзя осуществить только потому, что мы еще не в состоянии построить электрический резонатор на частоты порядка 10¹⁴ герц, с которыми мы имеем дело в оптике[3]. Для радиочастот резонатор уже вполне осуществим, не говоря уже о более низких ультразвуковых и звуковых частотах. А так как анализ различных явлений (кроме оптических) сводится, как уже говорилось, к анализу электрического тока главным образом в цепях с сосредоточенными постоянными, то возможные решения задачи анализа размежевываются в настоящее время так: в оптике применяются исключительно волновые анализаторы, т.е. интерференционные спектроскопы, диффракционные решетки и призматические спектроскопы; для всех остальных явлений, происходящих с частотами от радиочастот и ниже и допускающих преобразование анализируемой величины в электрическую (ток или напряжение), анализ осуществляется при помощи резонаторов.

Простейшим электрическим резонатором является колебательный контур, состоящий из сосредоточенных индуктивности, емкости и активного сопротивления. Однако эта простейшая форма в ряде случаев оказывается непригодной.

Во-первых, затухание обычного контура довольно велико, а вследствие этого разрешающая способность анализатора мала (об этом подробнее говорится в следующих параграфах). Обычный способ преодоления этого затруднения состоит в замене электрического резонатора механическим, обладающим, как правило, значительно меньшим затуханием. Схема анализатора с применением механического резонатора усложняется: механический резонатор включается между двумя преобразователями. Первый преобразователь превращает ток в механическую силу и возбуждает резонатор. Второй преобразователь воспринимает механическое колебание резонатора и снова преобразовывает это механическое колебание в электрическое. Очень удобно совместить преобразователи и собственно резонатор в одном элементе; так возникают пьезоэлектрические и магнитострикционные резонаторы. Кварцевая пластинка пьезоэлектрического резонатора является одновременно и преобразователем и колебательной системой. То же относится и к магнитострикционному стержню.

Во-вторых, зачастую практически невозможно построить резонатор на заданную частоту в виде системы с сосредоточенными постоянными. В этих случаях используют один из резонансов системы с распределенными постоянными. Но здесь интересно отметить, что резонанс в такой системе — например, в отрезке линии или в стержне — есть волновое явление, и здесь мы снова возвращаемся к принципам, используемым в оптике. Ведь волновой резонанс в отрезке линии представляет собой не что иное, как результат интерференции; отрезок линии как спектральный прибор решительно ничем не отличается по существу происходящих в нем явлений от интерференционного спектроскопа. Таким образом, намеченная выше граница со спектральными приборами оптики не так уж резка. Для полноты картины следует отметить, что диффракционная решетка применялась для анализа явлений ультразвуковой частоты. Для этой цели изучаемое явление превращалось в ультразвуковое излучение в воздухе (эта операция необходима, так как решетка есть волновой анализатор). Волна попадала на соответствующих размеров диффракционную решетку. Диффракционный спектр наблюдался при помощи ультразвукового микрофона. Едва ли такая сложная схема целесообразна. В дальнейшем мы уделим основное внимание анализу посредством резонаторов.

 

 

предыдущая                           оглавление                      следующая