КИНЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОФОТОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01J3/42 

Техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке аппаратуры для высокоскоростной регистрации кинетики спектров.

Известен кинетический спектрофотометр, содержащий источник излучения, рабочий оптический канал в виде последовательно установленных конденсора, кюветы с веществом и спектрального блока, а также схему обработки из последовательно включенных электронно-оптического преобразователя с разверткой (ЭОП) диссектора для считывания сигнала с экрана ЭОП, осциллографа для визуализации процесса и блок синхронизации [1]
Однако указанный спектрофотометр имеет невысокую точность регистрации, обусловленную наличием целого ряда объективных причин. К числу таких причин относятся, например, колебания яркости источника излучения и вариации интенсивности отдельных спектральных линий во время импульса света, наличие зонных неоднородностей фотокатодов (до 30%) и люминофоров (до 5-6%) ЭОП, а также нестабильность напряжений и токов, питающих преобразователь. Известную долю погрешности вносит также устройство считывания сигнала на базе диссектора.

Указанные причины приводят к искажению яркостных характеристик в исследуемом процессе, что влечет за собой довольно большую погрешность при количественном анализе явлений.

Кроме того, данный спектрофотометр не позволяет исследовать одновременно широкие участки спектра.

Наиболее близким техническим решением к заявленному и принятому за прототип является кинетический спектрофотометр, содержащий последовательно установленные источник излучения, два симметричных оптических канала, спектральный блок, электронно-оптический преобразователь с разверткой (ЭОП), фотодетектор в виде двух ФЭУ с логарифмическими усилителями, подключенными к входам дифференциального усилителя, нагруженного на устройство записи сигнала, и осциллограф, а также блок пуска и синхронизации, подключенный к ЭОП и источнику излучения [2]
К недостаткам указанного спектрофотометра относится низкая точность регистрации кинетики спектральных линий, обусловленная неполной компенсацией ряда нестабильностей измерительного тракта прибора как по линии источника излучения, так и по линии преобразования сигнала в электронных звеньях устройства, а также невозможность исследования широких участков спектра одновременно за один акт запуска установки, что в ряде случаев приводит к расходованию экспериментального материала, как правило дорогостоящего и быстрораспадающегося под воздействием облучения и ионизации.

Цель технического решения повышение точности регистрации кинетики спектров и расширение одновременно исследуемого участка спектра.

Поставленная цель достигается тем, что в высокоскоростной спектрофотометр, содержащий два оптических канала с общим источником излучения на входе и последовательно установленные спектральный блок, ЭОП с разверткой и фотодетектор, а также блок пуска и синхронизации и еще схему обработки сигнала, введена в качестве фотодетектора телевизионная передающая камера, к первому информационному выходу которой последовательно подключены схема выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и ЭВМ, а к второму выходу телевизионной передающей камеры подключены последовательно блок выделения строки и блок стробирования АЦП, выходы которого подключены к схеме выборки и хранения и к АЦП, причем блок пуска и синхронизации соединен двухсторонними связями с ЭВМ и телевизионной передающей камерой, а шестой выход блока пуска и синхронизации подключен к второму входу блока стробирования АЦП, при этом растр телевизионной передающей камеры ориентирован перпендикулярно направлению развертки ЭОП, а спектры обоих оптических каналов имеют одинаковые направления по шкале длин волн и расположены на фотокатоде ЭОП по линии вдоль его "временной" щели один над другим с промежутком между ними d'≥ ρ, где r разрешающая способность ЭОП, мм.

На чертеже приведена блок-схема высокоскоростного спектрофотометра.

Схема содержит импульсный источник света 1, блок питания лампы 2, рабочий и опорный каналы в виде последовательно установленных светоделителя 3, зеркал 4, 5, кювет 6, 8, зеркал 9, 11 и призмы 10. В кювете 6 под действием ионизирующего излучения от источника 7 возникают короткоживущие продукты импульсного радиолиза, влияющие на исходный спектр. В фокальной плоскости спектрального блока 12 расположен фотокатод ЭОР 13. Изображение развертки спектра во времени с экрана ЭОП проектируется объективом 14 на мишень телевизионной передающей трубки камеры 15. К сигнальному выходу камеры 15 подключены последовательно схема выборки и хранения аналогового сигнала 16, АЦП 17 и ЭВМ 18. К второму выходу камеры 15 также подключены последовательно блок выделения строки 20 и блок стробирования АЦП, выходы которого подключены к схеме выборки и хранения аналогового сигнала 16 и АЦП 17. Блок пуска и синхронизации 19 подключен своими выходами к источнику ионизирующего излучения 7, блоку питания импульсной лампы 2, к ЭОП 13 и блоку стробирования АЦП 21, а также соединен двухсторонними связями с телевизионной передающей камерой 15 и ЭВМ 18.

Кинетический спектрофотометр работает следующим образом.

Световой поток от импульсного источника света 1 поступает одновременно в рабочий (элементы 3, 4, 6, 9, 10, 12) и опорный (элементы 3, 5, 8, 11, 10, 12) каналы, идентичные в спектральном и фотометрическом отношениях. На выходе спектрального блока 12 формируются два спектра, имеющие одинаковое направление по шкале длин волн и лежащие на одной прямой линии. Указанные спектры проецируются на фотокатод ЭОП 13 вдоль его "временной" щели с наличием между ними промежутка d ≥ r, где r разрешающая способность ЭОП в мм. В результате развертки процесса во времени на экране ЭОП 13 образуются два светящихся полуполя (рабочее и опорное), изображение которых с помощью объектива 14 переносится на мишень передающей телевизионной трубки камеры 15. Растр указанной трубки ориентирован перпендикулярно направлению развертки ЭОП, в результате каждая строка растра пересекает оба полуполя.

Сигнал с выхода телевизионной камеры 15 поступает на схему выборки и хранения 16, которая обеспечивает слежение за амплитудой входного аналогового сигнала во время выборки и последующее хранение текущего значения этого сигнала по команде на время обработки его АЦП 17.

Блок выделения строки 20 определяет номера заданных рабочих строк растра путем деления полной кадровой частоты и осуществляет стробирование схемы выборки и хранения аналогового сигнала строки (через блок 21). Блок стробирования АЦП 21 управляет работой АЦП 17 по рабочей строке тактируемого от блока пуска и синхронизации 19, фиксируя необходимое количество точек оцифровки на рабочей строке. Далее сигнал с АЦП 17 в цифровом виде поступает в ЭВМ 18, где хранится, а затем и обрабатывается в соответствии с алгоритмом: при холостом ходе (без воздействия на вещество ионизации) цифровые коды рабочего полуполя делятся на коды опорного полуполя, образуя серию коэффициентов K_xi; в режиме регистрации, когда в рабочей кювете 6 изменяется спектральная прозрачность вещества, процесс обработки сигналов аналогичен вышеописанному, давая другую серию коэффициентов K_pi. Конечный результат о количественной стороне исследуемого процесса (спектральное изменение оптической плотности или оптического пропускания вещества) получается как частное от деления коэффициентов K_pi/K_xi.

Принципиальная возможность компенсации в предложенном спектрофотометре всех зонных неоднородностей фотодетекторов тракта и нестабильностей питающих напряжений, а также флюктуаций источника излучения и неравномерностей хода развертки может быть показана на примере любых двух точек, принадлежащим рабочему и опорному полуполям.

Пусть на фотокатоде ЭОП в точки А и В, имеющие в общем случае разные чувствительности "γ_A" и "γ_B", проецируются от одного источника излучения две одинаковые спектральные линии шириной Δλ, создающие на фотокатоде близкие по величине облученности "Е_А" и "Е_В". Фототоки, вызванные этими потоками, будут равны соответственно
i_A= γ_A•E_A; i_B= γ_B•E_B. (1)
При развертке этих электронных потоков в плоскости экрана ЭОП будут получены две светящиеся линии А-А и В-В, промодулированные по всей длине развертки по яркости как за счет флюктуации интенсивности источника излучения, так и за счет неравномерности свойств фотокатода и люминофора ЭОП, а также за счет нелинейности его развертки и нестабильности питания.

Количество освещения (экспозиция) от отдельных точек уже этих линий, например, от "а" и "б" будут определяться через выражения вида
H_a= γ_A•E_ah_a′/θ, (2)
H_B= γ_B•E_Bh_b′/θ, (3)
где h_a′, h_b′ светоотдача люминофора в точках а' и б' экрана;
θ параметр, зависящий от конструкции преобразователя и режимов его работы.

Отношение экспозиций в этих точках а' и б' позволяет определить сквозной коэффициент, показывающий различия световой эффективности в указанных точках, т.е.

Из формулы (4) видно, что на величину K_x не влияет изменение во времени яркости спектра, напряжения питания ЭОП, а также нелинейность развертки, так как указанные изменения будут строго коррелированы во времени как на входе преобразователя, так и внутри его при переносе изображения электронными пучками. Абсолютная величина этого коэффициента зависит только от положения зон неодинаковой яркости свечения экрана ЭОП.

В режиме регистрации, когда изменяется прозрачность исследуемого вещества в рабочем канале, отношение экспозиций для тех же точек изображения будет иметь вид

где облученность фотокатода;
α коэффициент пульсации яркости источника излучения;
модуль изменения прозрачности исследуемого вещества, т.е. регистрируемая величина.

Указанная величина может быть получена как частное от деления коэффициентов K_p и K_x, т.е.

Принцип нахождения величины остается справедливым для любой координаты экрана. На абсолютную величину зарегистрированного параметра теперь уже не влияют зонные характеристики преобразователя и устройства считывания сигнала с экрана ЭОП.

Таким образом, повышение точности регистрации сигнала обеспечивается всей совокупностью признаков: введением в качестве фотодетектора считывания передающей телевизионной камеры и ориентацией ее растра перпендикулярно направлению развертки ЭОП, что позволило сравнивать текущее значение сигналов от двух идентичных точек рабочего и опорного полуполей. Использование соответствующей схемы обработки сигнала, включенной между телевизионной камерой и устройством отображения информации, позволило в совокупности реализовать метод повторно-последовательной обработки сигнала, принципиально устраняющего влияние на точность измерения таких негативных факторов, как нестабильность питающих ЭОП напряжений, зонных неоднородностей собственно ЭОП и системы считывания сигнала с экрана, а также нелинейность развертки и ряд других факторов, ранее лимитировавших точность регистрации яркости спектров во времени.

При этом повторяемость яркости вспышек источника света и его спектральная нестабильность не имеют значения для данной схемы, так как их колебания носят во времени строго коррелированный характер как на входе ЭОП, так и внутри его при переносе электронного изображения на экран.

Величина погрешности в предложенном техническом решении определяется случайными погрешностями, связанными с нестабильностью растра передающей трубки 15 и дискретизацией АЦП 17.

Однако значение этих составляющих мало. Так, например, нестабильность растра телевизионной трубки ЛИ-450 вызывает погрешность порядка 0,7-0,8% а погрешность дискретизации АЦП (число разрядов 2⁷) 0,35%
Источники информации:
1. Современное состояние и перспективы развития высокоскоростной фотографии и кинематографии и метрологии быстропротекающих процессов.-М. 1972, с. 55-56.

2. Патент США N 3.547.542. 1970 (прототип).

Использование: область измерительной техники. Сущность изобретения: спектрофотометр состоит из импульсного источника света, рабочего и опорного оптических каналов, спектрального блока, ЭОП с разверткой и устройства считывания сигнала с экрана ЭОП на базе передающей ТВ-трубки. Между ТВ-трубкой и ЭВМ включена схема повторно-последовательной обработки сигнала, состоящая их схемы выборки и хранения аналогового сигнала, АЦП, блока выделения строки и блока стробирования АЦП. 1 ил.

Кинетический спектрофотометр, содержащий два оптических канала с общим источником излучения на входе и последовательно установленные спектральный блок, электронно-оптический преобразователь с разверткой (ЭОП) и фотодетектор, а также блок пуска и синхронизации, подключенный к ЭОП и источнику излучения, и схему обработки сигнала, отличающийся тем, что в него введена в качестве фотодетектора телевизионная передающая камера, к первому сигнальному выходу которой последовательно подключены схема выборки и хранения аналогового сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и ЭВМ, а к второму выходу телевизионной передающей камеры последовательно блок выделения строки и блок стробирования АЦП, выходы которого подключены к схеме выборки и хранения и к АЦП, при этом блок пуска и синхронизации подключен к второму входу блока стробирования АЦП, растр телевизионной передающей камеры повернут перпендикулярно направлению развертки ЭОП, а спектры обоих оптических каналов имеют одинаковое направление по шкале длин волн и расположены на фотокатоде ЭОП по линии вдоль его "временной" щели один над другим с промежутком между ними d ≥ ρ, где ρ - разрешающая способность ЭОП, мм.