СПОСОБ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ Российский патент 1995 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к оптике и может быть применено в устройствах, предназначенных для измерений спектральных характеристик.

Известен способ спектрофотометрии с использованием модуляции [1] включающий пропускание излучения через двойной оптический канал, включающий канал образца и канал сравнения, и модуляцию потока излучения с последующим выделением и регистрацией заданной области спектра.

Известный способ требует точного соблюдения отношения частот модуляции сигнала на входе и на выходе канала, так как в противном случае на детектор попадает паразитный сигнал, обусловленный неразделимостью сигнала, прошедшего через образец, и сигнала тепловой помехи, излученного образцом. Таким образом, недостатком известного способа являются повышенные требования к избирательности усилителя, так как паразитный сигнал за счет тепловой помехи имеет удвоенную частоту.

Известен способ спектрофотометрии, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому [2] Он включает пропускание излучения через двойной оптический канал, содержащий подканал образца и подканал сравнения, модуляцию потока излучения на входе и на выходе канала, выделение и регистрацию заданной области спектра.

Известное решение требует тщательного согласования двух модуляторов по частоте и по фазе, так как при их рассогласовании возникает погрешность, связанная с неразделимостью сигналов, прошедшего через образец и излученного им. Таким образом, недостатком прототипа является необходимость тщательного согласования частот и фаз двух модуляторов, что предполагает жесткую связь между модуляторами, а это ухудшает функциональные и эксплуатационные возможности прибора.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и эксплуатационных характеристик за счет исключения тепловых помех от образцов произвольной геометрии.

Цель достигается тем, что по способу спектрофотометрии, включающему пропускание излучения через двойной оптический канал и модуляцию потока излучения на входе и на выходе канала с последующим выделением и регистрацией сигнала, прошедшего через образец, в соответствии с изобретением модуляцию потока излучения на выходе канала производят с частотой f, определяемой соотношением
f ≥
(1) где τ постоянная времени детектора; U/U_о доля паразитного излучения образца; Т период модуляции на входе канала.

Цель достигается тем, что в спектрофотометре, содержащем источник оптического излучения, входной модулятор пучка, двухлучевой оптический канал, модулятор пучка на выходе канала, монохроматор и детектор излучения, в соответствии с изобретением модуляторы на входе и на выходе оптического канала установлены с возможностью взаимного перемещения.

Сущность изобретения заключается в возможности записи истинного спектра пропускания образца любой температуры и произвольных размеров в двухлучевом режиме, при этом не требуется жесткого согласования частот и фаз двух модуляторов, что позволяет устанавливать их произвольно относительно друг друга. Это накладывает условие (1) на частоту выходного модулятора, но одновременно за счет возможности перемещения модуляторов достигается наиболее удобное расположение оптических элементов относительно образца.

На фиг. 1 представлена оптическая блок-схема спектрофотометра; на фиг. 2 графически исследована зависимость (1) f от U/U_o; на фиг. 3 приведены примеры спектров.

Спектрофотометр содержит источник 1 оптического излучения, входной модулятор 2, разделяющий поток на два пучка, двухлучевой оптический канал, включающий канал 3 образца и канал 4 сравнения, выходной модулятор 5 (сводящий пучки), монохроматор 6 и детектор 7 излучения. Входной 2 и выходной 5 модуляторы имеют независимые приводы от двигателей и в схеме не связаны ни механически, ни электрически.

Способ осуществляют с помощью спектрофотометра следующим образом. Оптическое излучение источника 1 пропускают через модулятор 2 пучка на входе, где оно модулируется с частотой ω Т^-1, а затем модулированное излучение направляется в двухлучевой оптический канал, причем оно проходит через образец (А), установленный в канале 3, и параллельно в канал 4 сравнения. На выходе двухлучевого оптического канала излучение из обоих каналов поступает на модулятор 5 пучков, вращающийся с частотой, определяемой соотношением (1), которое следует из известной теории линейных цепей при предельном условии, что максимально нескомпенсированным остается излучение образца в течение не более одного полупериода вращения модулятора 5. После выходного модулятора излучение попадает в монохроматор 6 и на детектор 7 с последующей регистрацией спектра пропускания образца.

На фиг. 2 показана зависимость (1) частоты вращения выходного модулятора f от задаваемого уровня паразитного сигнала U/U_о при использовании в качестве детектора болометра с τ 0,02 с и частоте модуляции на входе ω Т^-1 9 Гц. Например, при заданном уровне паразитного сигнала U/U_о 0,4% частота f должна быть не меньше 100 Гц.

Взаимное расположение модуляторов 2 и 5 определяется размерами анализируемого образца и в предлагаемом устройстве является произвольным, так как не требуется согласование двух модуляторов по фазе.

Примеры конкретного выполнения.

Снимали спектр холодного образца раствора NF₃ в сжиженном Ar при 90 К с области 640 см^-1 в оптическом слое 10 см с помощью прибора ИКС 24 без двойной модуляции (фиг. 3а). Уровень тепловых помех от образца (различие между истинным и наблюдаемым спектрами) составляет ≈20%
Измеряли спектр того же образца, снятый на предлагаемом спектрофотометре при частоте модуляции f на выходе двойного оптического канала 100 Гц, обеспечивающей регистрацию паразитного теплового сигнала как в способе-прототипе (0,5% ). Для контроля уровня тепловых помех от холодного образца сравнивали положение оптического клина при записи "холодного нуля" (заслонка помещалась между входным модулятором 2 и образцом А, фиг. 1) и "теплового нуля" (заслонка между образцом А и модулятором 5). Разницы в положении клина в том и другом случае не отмечено. Таким образом, можно сделать вывод о том, что уровень паразитного теплового сигнала меньше, чем возможно зафиксировать на данном приборе с отношением сигнал/шум ≈1% Если увеличить частоту модуляции f до 1 кГц, то ориентировочный уровень паразитного теплового сигнала не превысит 0,04% (см.фиг.2). Определяли спектр того же образца, записанный на приборе-прототипе ПЕРКИН-ЭЛЬМЕР, с уровнем тепловых помех 0,5% (фиг.3в), результат совпадает с полученным на предлагаемом спектрофотометре (фиг.3б).

Выводы. С помощью предлагаемого спектрофотометра при применении модуляции с частотой в соответствии с формулой (1) удается, за счет исключения тепловых помех от образца получить тот же результат, что и при применении прототипа, но для произвольной геометрии и более простым способом, так как не требуется сложной электроники и точной оптической механики для согласования фаз двух модуляторов. Кроме того, в предлагаемом устройстве взаимное расположение двух модуляторов произвольно, что упрощает компоновку устройства.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в упрощении устройства по сравнению с прототипом и, кроме того, возможности использовать в качестве базы для него двухлучевых отечественных спектрофотометров, что удешевляет стоимость исследований.

Способ спектрофотометрии включает пропускание оптического излучения через двойной канал и модуляцию потока излучения посредством модуляторов, установленных на входе и выходе канала с возможностью взаимного перемещения. Частоту модуляции излучения на выходе оптического канала определяют исходя из заданного заранее отношения сигнал/шум. 3 ил.

СПОСОБ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ, включающий пропускание оптического излучения источника через двойной оптический канал, содержащий подканал образца и подканал сравнения, модуляцию потока излучения посредством модуляторов, установленных на входе и выходе канала, выделение и регистрацию посредством детектора заданной области спектра образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа путем исключения тепловых помех от образцов произвольной геометрии при одновременном упрощении аппаратурного оснащения способа, модуляцию проводят посредством модуляторов, установленных с возможностью взаимного перемещения, причем частоту f модуляции излучения на выходе оптического канала определяют из соотношения

где τ постоянная времени детектора;
u/u₀ относительный уровень теплового излучения образца, величину которого определяют, как ~ 1/2 заданного заранее соотношения сигнал/шум;
T период модуляции на входе канала.