5.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

5.2.1. Щелевой спектрограф

На рис. 5.1 приведена схема щелевого спектрографа. Свет от исследуемого источника фокусируется или падает рассеянным пучком на входную щель. Тонкую входную щель можно рассматривать как источник света, который должен анализироваться. Свет от входной щели превращается в параллельный пучок (коллимируется) коллиматорным зеркалом. Дифракционная (отражающая) решетка разлагает свет в спектр, и фокусирующее зеркало собирает спектр на фотографической пластинке или другом регистрирующем устройстве (см. разд. 5.2.4). Во всех экспериментах, проведенных до настоящего времени, на

входную щель падал рассеянный свет от разряда молнии.

Рис. 5.1. Схема щелевого спектрографа. Свет от источника попадает на входную щель 1. Свет из входной щели превращается коллимирующим зеркалом 2 в параллельный пучок, дифрагирует на дифракционной решетке 3 и фокуси руется зеркалом 4 на фотографической пленке 5.

На входную щель будет попадать весь свет, который находится в «ее поле зрения», и таким образом получающийся спектр может быть результатом излучения света из различных точек пространства. Например, спектры как от коронного разряда в облаке, так и от главного канала разряда могут, по-видимому, накладываться на одну фотопластинку. Более того, диффузный свет одиночного разряда, который достигает щели спектрографа, имеет недостаточную интенсивность, чтобы дать изображение на фотопленке Следовательно, спектрограф должен регистрировать несколько молниевых разрядов, чтобы получить достаточную экспозицию. При этом неважно, какой именно тип разрядов (внутриоблачный, на землю, в воздухе, корона) регистрируется спектрометром во время суммарного времени экспозиции.

Щелевой спектрограф имеет два преимущества перед бесщелевым.

1. Длины волн спектральных линий на щелевом спектрографе можно точно определить, сравнивая их со спектрами, линии которых идентифицированы Положение щели относительно оптики и дифракционной решетки определяет положение линии данной длины волны на пленке. В бесщелевом спектрографе положение источника — канала разряда — определяет положение данной длины волны на пленке.

2. Можно получить очень хорошее разрешение длин волн, т. е. разделить близко расположенные спектральные

линии и исследовать их форму. Разрешение определяется шириной щели; уменьшение ширины щели будет значительно повышать разрешающую способность.

Рис. 52 (см. скан) Спектр молнии в интервале длин волн от 4050 до 4839 А, полученный Воласом [59] с использованием щелевого спектрографа.

В бесщелевом спектрографе эффективная ширина щели равна ширине светящегося канала. Для близких импульсов эта эффективная ширина может быть относительно большой, так что поперечник канала разряда определяет нижний предел разрешения спектра.

На рис. 5 2 показан пример спектра молнии, полученный на щелевом спектрографе Воласом [59]. Основные лцнии епектра Воласа приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 (см. скан) Основные характеристики спектра излучения молнии

Для линий, принадлежность которых установлена без всяких сомнений, даны только длины волн, полученные в лабораторных экспериментах Для длин волн, принадлежность которых вызывает сомнение, даны измеренные длины волн. Они подчеркнуты [60]. Характеристики спектра, не определенные в интервале длин волн даны в [58].

Продолжение (см. скан)

Продолжение (см. скан)

Продолжение (см. скан)

Здесь и везде далее приняты следующие обозначения для атомных спектров: римская цифра после символа элемента обозначает стадию ионизации, а именно: I — нейтральный атом, II — однократно ионизированный атом; арабское число в скобках — номер мультиплета, введенный Ш. Мур [31]. Чем больше номер мультиплета для данного элемента и состояния ионизации, тем выше энергия нижнего энергетического уровня, при переходе на который происходит высвечивание. Для обсуждения обозначений, примененных в описании молекулярных и молекулярно-ионизационных спектров, читатель отсылается к работе [14].

Наиболее значительными особенностями спектра молнии являются линии нейтрального азота нейтрального кислорода однократно ионизированного азота и однократно ионизированного кислорода Верхние энергетические уровни переходы с которых приводят к появлению видимого и инфракрасного излучения, лежат главным образом между над основным состоянием Потенциал ионизации равен Верхние энергетические уровни переходы с которых приводят к появлению линий ближнего ультрафиолета, видимого света и инфракрасных линий, лежат в основном между над основным состоянием Нейтральный кислород излучает видимые и инфракрасные спектральные линии главным образом при переходах с верхних энергетических уровней, лежащих от 10 до выше основного состояния Потенциал ионизации составляет Однократно ионизированный кислород, излучает ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные спектральные линии при переходах главным образом с верхних энергетических уровней между выше основного состояния

5.2.2. Бесщелевой спектрограф

Схема бесщелевого спектрографа, дающего возможность анализировать компоненты вспышки молнии, приведена на рис. 5.3. В бесщелевом спектрографе Сам импульс молнии служит тонким источником освещенности (эффективная щель). Свет от канала разлагается по длинам волн, и изображения канала регистрируются на пленку

в тех длинах волн, в которых излучение канала значительно. На рис. 5.4 показан ближний инфракрасный спектр молнии, полученный бесщелевым спектрографом. На спектрографе, схема которого дана на рис. 5.3, разрешение во времени получается за счет движения регистрирующей пленки. Скорость барабана около 1 об/с.

Рис. 5.3. Схема бесщелевого спектрографа, который дает возможность получать спектры отдельных импульсов вспышки молнии. Изменение направления падающего света призмой необходимо для того, чтобы пучок света дифрагированного спектра первого порядка был параллелен направлению падающего света. Благодаря этому спектрограф может быть направлен непосредственно на разряд молнии [33]. 1 — призма; 2 — дифракционная решетка; 3 — линза; 4 — ограничитель высоты канала; 5 — вращающийся барабан с пленкой.

Пленка смещается незначительно за время импульса (период интенсивного свечения которого продолжается сотни микросекунд), но за время между импульсами (десятки миллисекунд) пленка вмещается на значительное расстояние. Бесщелевой спектрограф, который использовал Саланейв, имел отверстие в 1 см, которое вместе с оптическим устройством позволяло получать изображение спектра на пленке от участка канала молнии примерно 100 м длиной при расстоянии до канала 6 км. Полученные спектры первого порядка имели обратную дисперсию около 25 А/мм и разрешающую способность около нескольких ангстрем. Призма, показанная на рис. 5.3, не создает дисперсии, а скорее используется для удобства, поскольку она делает

возможным получение «продольно-прямолинейного» вида спектра молнии. Призма отклоняет падающий и по существу параллельный пучок лучей, испускаемый разрядом, таким образом, что первый порядок спектра от дифракционной решетки, работающей на просвет, параллелен падающему лучу. Таким образом, спектрограф легко согласуется с источником.

Рис. 5.4. Суммированный по вспышке спектр молнии в красной и ближней инфракрасной областях, полученный Саланейвом [45] с использованием бесщелевого спектрографа, принципиальная схема которого показана на рис. 5.3.

Бесщелевой спектрограф имеет следующие преимущества перед щелевым спектрографом: 1) бесщелевой спектрограф можно использовать для исследования отдельного молниевого канала, поскольку в нем потеря света значительно меньше, чем в щелевом приборе; 2) при помощи бесщелевого спектрографа можно исследовать спектральные свойства канала по его длине. Бесщелевой спектрограф обладает следующими недостатками: 1) с его помощью невозможно получить очень точную идентификацию длин волн; 2) для близких от спектрографа импульсов его разрешающая способность ограничена диаметром канала светимости.

На рис. 5.5 приведена схема бесщелевого спектрографа, который дает возможность получить при временном разрешении до микросекунд эмиссионные спектры от участков канала молнии длиной в 10 м.

Некоторые разрешенные во времени спектры молнии даны на рис. 5.6а и 5.6б. Этот спектрограф в принципе аналогичен изображенному на рис. 5.3, за исключением того, что щель ограничителя высоты канала молнии на порядок или более меньше, а скорость вращения барабана на два порядка больше.

Рис. 5.5. Схема бесщелевого спектрографа, дающего возможность получать спектры с разрешением от участка канала молнии в 10 м или менее [33]. Обозначения те же, что на рис. 5.3.

Разрешение во времени определяется временем, которое необходимо для преодоления расстояния, равного изображению щели на пленке. Например, при изображении на пленке щели шириной 1 мм и скорости вращения разрешение во времени составляет 5 мкс. Орвил [33, 36] получал разрешенные во времени спектры, используя изготовленную методом реплики дифракционную решетку фирмы Бауш энд Ломб, в высокоскоростной камере. Эта камера представляет собой ленточную камеру с электрическим приводом для пленки, скорость записи на которой может достигать Полоса пленки смонтирована на внутренней поверхности вращающегося вакуумированного барабана. Спектрограф Орвила имел обратную спектральную дисперсию около и разрешающую способность около 10 А. Время разрешения могло быть для близких ярких импульсов 1 мкс, но практически оно менялось в интервале от 2 до 5 мкс. Большинство спектров Орвил регистрировал на пленке Кодак 2475.

В качестве другого метода регистрации разрешенных по времени спектров молнии Орвил [33, 34] использовал камеру с неподвижной пленкой и с подвижным зеркалом. Хотя камера с вращающимся зеркалом может дать лучшее временное разрешение, чем камера с вращающейся пленкой, однако зеркало в ней должно быть небольшим, в результате чего теряется значительная часть падающето света.

5.2.3. Количественные измерения спектра на фотопленках

В разд. 5.3 мы рассмотрим теорию, которая позволяет определять температуру молнии, концентрацию частиц и давление исходя из измерений профиля и интенсивности спектральных линий. Прежде чем применять теорию, нужно вывести истинные интенсивности и профили линий по измерениям плотности почернения пленки. Реакция фотографической эмульсии (результирующая плотность почернения) на определенную длину волны зависит от интенсивности источника на этой длине волны, чувствительности эмульсии к этой длине волны, длительности экспозиции, влажности и температуры, при которых экспонировалась пленка, и от времени, характера и температуры проявления. Плотность почернения не является линейной функцией экспозиции, причем экспозиция зависит от интенсивности источника и времени. Создание постоянной экспозиции изменением интенсивности и времени выдержки не всегда приводит к постоянной плотности почернения. Это явление известно как нарушение закона взаимозаместимости. Более того, чувствительность пленки не является линейной функцией длины волны. Из сказанного следует, что фотографическая пленка должна быть прокалибрована, если мы хотим получить разумные данные.

Прюэйт [41] рассмотрел измерения относительной интенсивности линий на суммированных по импульсам спектрах Саланейва. Он провел калибровку пленки, которая применялась для регистрации спектров молнии на спектрографе Саланейва. В качестве источника света использовалась ксеноновая разрядная трубка, продолжительность свечения разряда в которой (200 мкс)

приблизительно равнялась продолжительности молнии, так что ошибки из-за нарушения закона взаимозаместимости были сведены к минимуму. Были построены кривые зависимости относительной экспозиции от плотности почернения. Кривая зависимости экспозиции от длины волны для непрерывного спектра ксенона, предоставленная изготовителем, была использована для калибровки по длинам волн. Чтобы получить относительную интенсивность линий, значительно отличающихся по длинам волн, необходимо внести поправку на поглощение в атмосфере и на виньетирование в спектрографе. Дополнительные детали относительно процесса калибровки даны в работе [41].

Орвил [33, 36] описал процесс калибровки, использованный для определения относительных интенсивностей спектральных линий для спектров с достаточным временным разрешением. Методика аналогична использованной в [41], исключая то, что для устранения нарушения взаимозаместимости использовался ксеноновый источник со временем светимости 3 мкс.

5.2.4. Спектроскопия с использованием фотоэлектрических детекторов

Достоинством фотографической пленки при регистрации спектров является то, что она обеспечивает постоянную и по существу непрерывную регистрацию спектров в зависимости от длины волны и времени. Неудобство пленки заключается в ее нелинейности и связанной с этим проблеме калибровки, сравнительно малой чувствительности и довольно узком интервале регистрируемых интенсивностей. В то время как фотографическая пленка может в лучшем случае регистрировать изменение интенсивности на три порядка, фотоэлектрические приборы могут реагировать на изменения интенсивности в интервале семи порядков и выше. Кроме того, фотоэлектрические приборы являются более чувствительными детекторами света, чем пленка, и могут давать на выходе ток, который прямо пропорционален интенсивности, причем измерения интенсивности производятся в большей части рабочего интервала. Основное неудобство фотоэлектрической методики

при получении характеристик спектра молнии в зависимости от длины волны и времени заключается в том, что необходимо использовать несколько фотоэлектрических приборов, чтобы перекрыть заданный интервал длин волн. Число этих приборов зависит от требуемой разрешающей способности. Рассмотрим несколько фотоэлектрических систем, которые были предложены или использованы для исследования спектра молнии.

Щелевой прибор, схема которого приведена на рис. 5.1, может быть приспособлен для фотоэлектрической регистрации спектров молний при замене пленки фотоэлементами или фотоумножителями. Для регистрации интенсивности одной спектральной линии необходимы два фотодетектора: один — для измерения интенсивности на заданной длине волны, причем будет измеряться интенсивность линии плюс интенсивность непрерывного спектра на этой длине волны, и другой — для измерения непрерывного спектра вблизи спектральной линии. Затем интенсивность непрерывного спектра следует вычесть из суммы интенсивностей линии и непрерывного спектра, в результате чего получится интенсивность спектральной линии. В общем случае исследуемая область спектра изолируется от других на выходе спектрометра выходной щелью, за которой помещается фотодетектор. Выходной сигнал с фотодетектора подается на осциллограф и затем фотографируется. Чтобы полностью использовать описанную выше систему, часть канала разряда должна быть сфокусирована на входную щель.

Определенная полоса длин волн может быть эффективно отделена от пучка света без призмы или дифракционной решетки. При этом можно 1) использовать интерференционный или другой фильтр перед фотодетектором или 2) поверхность, которая чувствительна только к определенной полосе длин волн. Первый метод применим для исследования области длин волн шириной до нескольких ангстрем, в то время как последний обычно предназначен для областей длин волн шириной в несколько тысяч ангстрем.

Для исследования временных изменений излучения спектральных линий нейтральных и ионизированных элементов и непрерывного излучения от молнии Кридер

[23, 24] использовал первый метод. Второй метод применен Кридером и др. [25, 26] для оценки абсолютной мощности излучения молнии в интервале длин волн примерно с 4000 до 11000 А. Измерения абсолютной мощности были проведены калиброванным фотодиодом.

Вероятно, в недалеком будущем для регистрации молниевых спектров с хорошим световым выходом и высоким разрешением во времени будут использоваться электронно-оптические преобразователи и усилители изображения. Они могут обеспечить высокоскоростные покадровые или ленточные фотографии спектров, поданных на их вход. Спектроскопические системы с электронно-оптическими преобразователями и оптическими усилителями успешно использовались в лабораториях,