Методические указания по графической части проекта

1. Лист формата А1 разбивается на два форматом А2.

На одном из них размещается оптическая принципиальная схема монохроматора (Л 3).

На втором - калибровочный график зависимости длины хода юстировочного винта от длины волны излучения

l=f (l) [мкм].

2. Оптическая схема выполняется в соответствии с ГОСТ 2.412-81 с учетом результатов, полученных в разделе “Габаритный расчет”.

3. При построении калибровочного графика соблюдать размерность числовых осей согласно выбранному масштабу. За начало оси абсцисс принять наименьшую длину волны спектра.

4. На сборочном чертеже (лист формата А1) выполнить один вид (“сверху”) с полным разрезом. При необходимости применять дополнительные разрезы и виды.

5. Разработку приспособления для расположения призмы в корпусе прибора выполнять с учетом принципов базирования.

6. При размещении и креплении отдельных деталей на сборочном чертеже строго соблюдать их взаимное расположение согласно оптической схеме и выбранный масштаб.

7. Составить подробную спецификацию (до отдельных элементов крепления).

8. На сборочном чертеже должны быть габаритные размеры и присоединительные размеры с указанием допусков.

Теоретическая часть

Призменный монохроматор, как спектральный прибор, предназначен для анализа спектрального состава (спектра) излучения, в данном случае излучения, испускаемого дуговой ртутной лампой.

Принцип работы прибора основан на упорядочном расположении в пространстве излучения различных длин волн. Это достигается с помощью дисперсионной призмы, изготовленной из оптического стекла с большой средней дисперсией.

Типовая оптическая схема монохроматора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Оптическая схема монохроматора.

Излучение, испускаемое ртутной лампой 1 в телесном угле 2U, собирается однолинзовым конденсором 2 в плоскости входной щели 3 монохроматора. Входная щель находится в фокальной плоскости объектива 4, направляющего параллельный пучок лучей на дисперсионную трехгранную призму 5 с углом при вершине А=600. Призма отклоняет лучи на различные углы в зависимости от длины волны излучения l.

Размеры входной щели монохроматора определяют исходя из следующих соображений. Чем меньше ширина S входной и выходной щели, тем выше предел разрешения прибора. Однако минимальный размер ограничивается дифракционными явлениями. Поэтому минимальное значение ширины входной щели, когда дифракционным уширением можно пренебречь, будет равна



Smin = λ ∙ f´об1 / Dсв1 , (1)

где l - максимальная длина волны спектра;

f об1 - фокусное расстояние объектива (переднего);

Dсв.1 - световой диаметр объектива.

Высота входной щели зависит от угла поля зрения переднего объектива и определяется выражением

H1 = 2f´об1 ∙ tgω , (2)

где f´об1 - фокусное расстояние переднего объектива;

w - половина угла поля зрения этого объектива.

Исходя из полученных данных и зная габаритные размеры источника излучения, можно определить основные параметры конденсора:

- увеличение конденсора будет равно

, (3)

где H - высота источника излучения (дуги);

- переднее фокусное расстояние конденсора определяется из выражения

, (4)

где x - расстояние от фокальной плоскости конденсора до источника излучения (рабочий отрезок); выбирается из конструктивных соображений (x ³ Dколбы /2);

-- т. к. конденсор находится в однородной среде, то

fk’= -fk ,

где fk’- заднее фокусное расстояние;

- положение конденсора (его главной плоскости) относительно источника излучения (предметная плоскость)

ak=fk+x ; (5)

- положение конденсора относительно входной щели монохроматора (плоскость изображения) из формулы


(6)

с учетом знаков;

- световой диаметр конденсора

Dсв.к. = а´k ∙ Dсв.об.1 / f´об1 , (7)

где Dсв.об.1 - световой диаметр переднего объектива,

f´об.1 - фокусное расстояние объектива;

- угол охвата конденсора 2U из формулы

tgU=Dсв.к /2ак (8)

Призма является основным элементом оптической части прибора.

Параллельный световой пучок, проходя через призму и отклоняясь к ее основанию, разлагается на монохроматические составляющие. При этом пучки с меньшей длиной волны отклоняются сильнее. В основе этого явления лежит зависимость показателя преломления n материала призмы от длины l, т.е. средняя дисперсия материала.



В спектральном приборе призма устанавливается так, чтобы линия пересечения ее преломляющих граней a и b (см. рис. 2), т.е. переломляющее ребро, была параллельно щели. Плоскость,перпендикулярная преломляющему ребру, называется плоскостью главного сечения призмы. Двугранный угол A, образуемый двумя рабочими поверхностями - это преломляющий угол призмы, равный 60 о.

Рассмотрим ход одного из лучей падающего на призму пучка (рис. 2).

Обозначим через и углы падения луча на грани призмы a и b сответственно. и - углы преломления на этих гранях.

Рис. 2. Ход лучей в призме в главном сечении.

Угол a - это угол отклонения луча призмой. Если обеспечить условие (т.е. направление луча в призме параллельно основанию призмы), то в этом случае угловое увеличение призмы Г=1 и поэтому отсутствует дополнительное уширение изображения щели. Тогда размеры выходной щели будут соответствовать размерам входной, что значительно упрощает расчеты.

Итак,

. (9)

Так как показатель преломления

(10)

призмы для определенной длины волны l постоянен, то и

. (11)

Для обеспечения этого условия для всех длин волн, составляющих спектр излучения, необходимо различное положение призмы по отношению к падающему лучу.

Чтобы рассчитать угол поворота призмы Da относительно точки O для данного спектра излучения, нужно знать показатели преломления лучей с наибольшей и наименьшей длиной волны спектра, т.е. и , и, как следствие, углы падения лучей этих длин волн и .

Разность этих углов и будет составлять угол поворота призмы Da :

Δα = i1 max – i1 min = i’2 max – i’2 min (12)

Показатели преломления для различых длин волн nl можно определить из формулы Гартманна:

. (13)

Принимая a =1, составляется система уравнений для трех постоянных неизвестных: n0 , c, l0 , используя известные nl [1].

После этого рассчитываются требуемые nl и определяется Dα, используя выражения 10 и 12.

Задний объектив монохроматора 6 (рис.1) аналогичен по своим параметрам переднему объективу 4. Он фокусирует вышедшие из призмы параллельные монохроматические пучки лучей в фокальной плоскости, где размещается неподвижная выходная щель 7.

Поворачивая призму относительно точки O (рис.2),можно получить на выходной щели монохроматора монохроматическое изображение входной щели для всех длин волн l, составляющих спектр излучения.

Взаимное расположение призмы и переднего и заднего объективов выбирается конструктивно, т.к. система работает в параллельных пучках лучей.

Размеры призмы выбираются с учетом светового диаметра падающего на нее пучка лучей Dсв.об.1, припусков для крепления призмы D, и угла падения пучка лучей максимальной длины волны на грань a, т.е.

a = b = c = ( Dсв.об.1 / cos i1max ) + Δ . (14)

Поворот призмы осуществляется качанием юстировочного столика,на котором она закреплена, относительно точки O (рис.3) с помощью юстировочного винта.

Рис. 3.

Максимальное значение плеча d max силы P, создаваемой поступательным движением юстировочного винта и обеспечивающей поворот призмы на угол Δα составит:

dmax = 0,5 а / cos Δα . (15)

Линейное перемещение юстировочного винта определяется из формулы:

tgΔα = l / dmax , (16)

где l - max линейное перемещение юстировочного винта,

а - длина юстировочного столика, равная основанию призмы.

Причем разрешение прибора Δαmin между ближайшими спектральными линиями будет зависить кроме всего и от величины d.

Для обеспечения поворота призмы, закрепленной на юстировочном столике, можно применить винтовой механизм, преобразующий вращательное движение винта в поступательное.

, (17)

где l - перемещение винта;

P - шаг резьбы (выбирается, как и диаметр резьбы, из справочника по конструктивным соображениям);

j - угол поворота винта (рад).

Так как длина хода винта l равна линейному смещению юстировочного столика относительно оси O (рис. 3), то будет справедливо выражение:

d tg( Δα) =Pφ/2π , (18)

Для определения параметров отсчетного барабана юстировочного винта (a, n, D) необходимо знать разрешение спектрального прибора.

Наименьшая разность длин волн Dl, разрешаемая монохроматором, должна соответствовать удвоенной минимальной ширине щели , определяемой по формуле 1.

Тогда Δαmin (минимальный угол поворота призмы) можно определить из выражения:

Δλ = 2S min =f ‘об . tg(Δαmin ) (19)

Из формулы 18 можно определить Фmin барабана:

Φmin = 2πd . tg(Δαmin ) / P. (20)

Зная минимальный угол поворота отсчетного барабана, определяют количество делений на барабане:

.

n = 2π / Фmin (21)

Как правило, в микрометрических механизмах для удобства измерений отсчетный барабан разбивают на 100; 200 делений. Поэтому, из этих чисел выбирают ближайшее большее по сравнению с расчетным (в противном случае уменьшение Dсв. призмы приведет к срезанию светового пучка, падающего на призму). Но, чтобы не изменилась точность измерений монохроматора ( Δαmin ), необходимо уточнить величину d по формуле 20 с учетом выбранного количества делений n и, как следствие, - размеры призмы.

Тогда, цена деления a отсчетного барабана, равная min линейному перемещению винта, будет равна

, (22)

где P - шаг резьбы.

Цена деления a измеряется в мкм.

Расстояние между делениями принять равным 0,5 мм или 1мм.

Исходя из этого и зная количество делений n, легко вычислить диаметр барабана.

Из возможных четырех видов кинематических схем винтовых механизмов выбирается наиболее рациональный.

На точность винтового механизма большое влияние оказывает вид резьбы (метрическая, трапецеидальная). Выбор вида резьбы определяется достаточной точностью винтового механизма, расчетным шагом резьбы P, размерами юстировочного столика призмы.

Диаметр резьбы выбирают, исходя из соображений достаточной жесткости при ее нарезании и работе.

Рекомендуются следующее соотношение длины винта к его среднему диаметру:

L £15¸20dср. (23)

Важным моментом кинематического расчета является выбор оси вращения юстировочного столика призмы и ее фиксации в корпусе прибора.

Естественно, ось вращения должна лежать в плоскости, перпендикулярной основанию призмы и проходящей через вершинный угол A призмы.

Согласно принципам базирования при креплении оси вращения призмы необходимо использовать высшие контактные пары (контакт по точкам или по линии).

Возможны следующие варианты фиксации оси вращения (рис. 4 а, б):

Рис. 4.

В первом случае (рис. 4а) ось вращения проходит через точки А и Б, являющимися контактами между юстировочным столиком 2 призмы 1 и корпусом 3 при помощи установочных винтов 4 с коническим концом.

Во втором случае (рис. 4б) ось вращения проходит по линии контакта MN между юстировочным столиком 2 и клином 5, закрепленном на корпусе 3 монохроматора.

Но оба варианта требуют принятия дополнительных мер для полного ограничения пяти степеней свободы юстировочного столика. Выбрать и обосновать дополнительные способы крепления предлагается студентам.


0878698610614507.html
0878736905094882.html

0878698610614507.html
0878736905094882.html
    PR.RU™