МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АБСОРБЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2002 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению, в частности к устройствам высокого временного, пространственного и спектрального разрешения.

Известны спектрометрические устройства, содержащие интерферометр Фабри-Перо, спектральный прибор с фокусирующей системой, приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения за исследуемым объектом, например плазмой [1] . Регистрация контуров спектральных линий с просвечиванием и без просвечивания осуществляется поочередно, раздельно во времени. Недостаток этого технического решения состоит в его ограниченной применимости, а именно только для исследования стационарных процессов. Другим принципиальным его недостатком является одноканальный режим, т. е. невозможность одновременного измерения излучательных и поглощательных характеристик исследуемого объекта.

Известны скоростные спектрометры со скрещенной дисперсией, содержащие интерферометр Фабри-Перо, объектив, спектральный прибор предварительной монохроматизации и диссектор. При этом оптическая система является бифокальной, имея различные фокусные расстояния во взаимно перпендикулярных продольных сечениях, причем выходная щель спектрального прибора совмещена, как обычно, с первой фокальной плоскостью, а фотокатод диссектора - со второй (прототип) [2] .

Указанные приборы имеют относительно небольшие габариты, значительные светосилу, спектральное и временное разрешения. Однако они пригодны для измерения только излучательных характеристик различных объектов.

В основу изобретения поставлена задача создания такого многофункционального абсорбционного спектрометра, в котором благодаря разделению лучей, излучаемых собственно плазмой, и суммарного излучения плазмы и просвечивающего излучения, а также введению второго канала регистрации излучения можно осуществлять одновременную регистрацию излучательных и поглощательных характеристик плазмы, т. е. существенно улучшить временное разрешение устройства при сохранении его спектрального разрешения, определяемого интерферометром Фабри-Перо. Дополнительно в основу изобретения поставлена задача создания такого многофункционального абсорбционного спектрометра, в котором благодаря совмещению в пространстве прямого и отраженного лучей для каждой точки исследуемого объекта обеспечивается возможность измерения спектральных характеристик для пространственно неоднородных объектов.

Поставленная задача решается тем, что в спектрометр, содержащий спектральный прибор с фокусирующей системой бифокального типа и приемник изображения, введены второй приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения с апертурной диафрагмой. Согласно изобретению приемники изображения удалены от плоскости выходной щели спектрального прибора на величину разности фокусных расстояний, причем один из них оптически сопряжен с исследуемым объектом, а другой - с исследуемым объектом и одновременно с блоком формирования просвечивающего излучения через действующее отверстие диафрагмы. Оптимальное выполнение последней - в форме полукруга, ограничивающая хорда которого оптически сопряжена с выходной щелью спектрального прибора. Апертурная диафрагма может также дополнительно содержать нейтральный светофильтр, размещаемый симметрично по отношению к ее действующему отверстию. Кроме того, согласно изобретению между блоком формирования просвечивающего излучения с апертурной диафрагмой и исследуемым объектом может быть введена бифокальная осветительная система так, что в продольной плоскости, проходящей поперек выходной щели спектрального прибора, она фокусирует исследуемый объект в центр кривизны вогнутого зеркала, а в перпендикулярной ей продольной плоскости - на поверхность вогнутого зеркала.

На фиг. 1 схематично представлен ход лучей в предлагаемом многофункциональном абсорбционном спектрометре в варианте, когда просвечивание осуществляют отраженным излучением самого объекта исследований, в плоскости поперек выходной щели спектрального прибора, а на фиг. 2 - в плоскости вдоль нее. Фиг. 3 представляет возможные варианты конструкций одного из элементов спектрометра - апертурной диафрагмы. На фиг. 4 представлен ход лучей в многофункциональном абсорбционном спектрометре в варианте, содержащем дополнительную бифокальную осветительную систему в плоскости поперек выходной щели спектрального прибора, а на фиг. 5 - в плоскости вдоль нее.

Устройство содержит блок формирования просвечивающего излучения 1 (в его качестве может использоваться отдельный источник излучения с осветительной системой либо, как показано на фигурах, вогнутое зеркало, отражающее собственное излучение исследуемого объекта), апертурную диафрагму 2, фокусирующую систему, в которую могут входить сферические 3 и 4 и цилиндрическая 5 линзы, между ними может быть введен интерферометр Фабри-Перо 6, спектральный прибор 7 (оптическая схема которого условно представлена одной линзой) с выходной щелью 8 и приемники излучения 9; показан также в качестве исследуемого объекта плазменный источник излучения цилиндрической формы 10; кроме того, на фиг. 4 и 5 осветительная система афокального типа представлена сферической 11 и цилиндрической 12 линзами, а фокусирующая система 13 представлена обобщенно.

Многофункциональный абсорбционный спектрометр работает следующим образом.

Излучение исследуемого объекта 10 через фокусирующую систему 3-5 попадает в спектральный прибор 7. Здесь происходит его разделение по спектральным составляющим, фокусируемым в первой фокальной плоскости спектрального прибора 7, часть которых проходит через его выходную щель 8, как показано на фиг. 1. Однако в плоскости, перпендикулярной направлению дисперсии спектрального прибора 7, фокусирование исследуемого излучения происходит дальше - на величину разности фокусных расстояний ΔF (фиг. 2). Это обусловлено бифокальными свойствами фокусирующей системы 3-5 и оптической системы спектрального прибора 7, т. е. различием их фокусных расстояний во взаимно перпендикулярных продольных сечениях. Такое свойство обеспечивается астигматизмом спектрального прибора; оно может быть усилено введением цилиндрической линзы 5 в состав фокусирующей системы, как показано на фиг. 1 и 2. Именно во второй фокальной плоскости размещены приемники излучения 9. Таким образом, точечный источник излучения на выходе предлагаемого устройства имел бы вид двух черточек: вертикальной - в плоскости выходной щели и горизонтальной - в плоскости приемников излучения 9. Существенно, что продольное распределение излучения вдоль черточек на выходе устройства соответствует его угловому распределению из исследуемого объекта.

Применение апертурной диафрагмы 2, содержащей действующее отверстие в форме полукруга, ограничивающая хорда которого оптически сопряжена с выходной щелью спектрального прибора (см. фиг. 3а), позволяет разделить телесные углы, в которых распространяется исследуемое излучение источника 10, на две части (фиг. 1). В одной из них распространяется только излучение источника 10, а в другой - такое же излучение и, дополнительно, его часть, прошедшая через диафрагму 2, отраженная сферическим зеркалом 1 и испытавшая на обратном пути дополнительное поглощение в плазме источника 10. Сечение той части телесного угла, в которой дополнительно распространяется отраженное излучение, представлено в плоскости фиг. 1 штриховкой. Как отмечалось выше, благодаря применению спектрального прибора 7 с фокусирующей системой 3-5, обладающего различными фокусными расстояниями в продольных взаимно перпендикулярных сечениях, оптическая схема устройства обеспечивает преобразование углового распределения излучения в двух частях телесного угла в пространственное. Так как один из приемников излучения оптически сопряжен только с источником излучения 10, а второй - с этим же источником и одновременно с блоком формирования просвечивающего излучения 1, то в результате реализуется, фактически, двухлучевая схема абсорбционного спектрометра.

Одновременно в продольной плоскости, проходящей вдоль высоты выходной щели 8, как показано на фиг. 2, изображение источника излучения 10 резко отображается в плоскости приемников излучения 9. Это обеспечивает возможность регистрации радиального профиля излучения каким-либо сканирующим приемником излучения, например диссектором. В результате последующего применения вычислительных методов томографии можно перейти от наблюдаемых - интегральных вдоль соответствующих хорд - интенсивностей излучения к локальным излучательным способностям плазмы [3] . Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает получение исходной информации, достаточной для определения локальных характеристик плазмы и, следовательно, может быть отнесено к томографическим.

В случае применения для формирования просвечивающего излучения отдельного высокотемпературного источника излучения устройство работает подобным образом, однако действие вогнутого зеркала 1 заменяется осветительной системой, предназначенной для фокусировки этого источника в плоскость исследуемого объекта 10. Для обеспечения при этом возможности проведения пирометрических измерений подобно [4] , например, различных пламен, апертурная диафрагма 3 может дополнительно содержать нейтральный светофильтр, как показано на фиг. 3б. Его целесообразно размещать симметрично по отношению к действующему отверстию.

В качестве приемника изображения 9 легко может применяться двухканальный диссектор либо твердотельные приемники изображения, в частности на основе приборов с зарядовой связью, обеспечивая при этом быстродействие абсорбционного спектрометра.

Наконец, в составе спектральной части прибора может использоваться интерферометр Фабри-Перо 6, скрещенный с монохроматором предварительной монохроматизации, в качестве которого выступает спектральный прибор 7. Это позволяет подобно [3] измерять одновременно с пространственным распределением излучения по радиусу источника также контуры выбранной спектральной линии.

Однако такой спектрометр имеет ограниченное применение в случае пространственно неоднородных объектов исследований. Дело в том, что внеосевые пучки в таком приборе после отражения от вогнутого зеркала возвращаются в объект исследований не по тому же оптическому пути, а симметрично по отношению к оптической оси. Это ограничение устраняется введением между блоком формирования просвечивающего излучения с апертурной диафрагмой и исследуемым объектом бифокальной осветительной системы. Ход лучей в продольной плоскости такого спектрометра, проходящей поперек выходной щели спектрального прибора, представлен на фиг. 4. Он полностью аналогичен представленному на фиг. 1. Действительно, цилиндрическая линза 12 фокусирует изображение источника излучения 10 в центр кривизны вогнутого зеркала 1; с этой же точкой на оптической оси системы совпадает местоположение сферической линзы 11, поэтому ее влияние на ход лучей минимально. Таким образом, как и на фиг. 1, благодаря наличию апертурной диафрагмы 2 перед вогнутым зеркалом 1 здесь осуществляется разделение телесных углов, в которых осуществляется распространение излучения. В одном из них распространяется только излучение источника 10, а в другом - такое же излучение и, дополнительно, его часть, прошедшая через осветительную систему 11 и 12, апертурную диафрагму 2 и затем, после отражения от вогнутого зеркала 1, испытавшая на обратном пути дополнительное поглощение в плазме источника 10. Сечение того из телесных углов, в котором распространяется отраженное излучение, представлено в плоскости фиг. 4 штриховкой.

В продольной плоскости, проходящей вдоль выходной щели спектрального прибора, действие цилиндрической линзы 12 минимально (фиг. 5). В результате реализуется известная осветительная система [5] , включающая вогнутое зеркало, центр кривизны которого совмещается с ахроматическим объективом. Она позволяет добиться совмещения в пространстве собственно источника излучения 10 и его отраженного изображения, в том числе при поперечных смещениях источника. Это особенно важно в случае пространственной нестационарности или неоднородности источника излучения. Таким образом решается дополнительная поставленная задача создания такого многофункционального абсорбционного спектрометра, в котором благодаря совмещению в пространстве прямого и отраженного лучей для каждой точки исследуемого объекта обеспечивается возможность измерения спектральных характеристик для пространственно неоднородных объектов. Предложенное техническое решение сохраняет такие преимущества, как высокое временное, пространственное и спектральное разрешения. Последнее свойство легко реализуется при введении в оптическую схему прибора, например между отдельными линзами фокусирующей системы 13, интерферометра Фабри-Перо. Предлагаемое устройство обеспечивает также получение исходной информации, достаточной для определения локальных характеристик плазмы и, следовательно, может быть отнесено к томографическим.

Предлагаемое устройство прошло экспериментальную проверку в Киевском университете им. Тараса Шевченко. В качестве спектрального прибора использовался обладающий значительным астигматизмом монохроматор МДР-12, скрещенный с интерферометром Фабри-Перо ИТ-28-30. Для регистрации получаемого изображения на его выходе применен диссектор ДИ-16. В качестве осветительной системы использован объектив-ахромат с фокусным расстоянием 75 мм, а в качестве блока 1 формирования просвечивающего излучения - вогнутое зеркало с радиусом кривизны 150 мм. Исследовалось самопоглощение спектральных линий меди, излучаемых свободногорящей электрической дугой между медными электродами. При этом удалось обнаружить тонкую структуру спектральной линии меди 510,5 нм, обусловленную ее самопоглощением, что свидетельствует о работоспособности предложенного устройства.

Источники информации
1. И. Д. Баранова, Н. С. Цхай. Определение концентрации атомов в плазме //Журнал прикладной спектроскопии. -1977. Т. 26, вып. 3. С. 413-416.

2. А. с. 1763903 (СССР). Скоростной спектрометр //Веклич А. Н. , Жовтянский В. А. , Новик О. М.

3. В. А. Жовтянский. Скоростная томографическая спектроскопия плазмы //Инженерно-физич. журнал. 1992. Т. 62, 5. С. 758-764.

4. А. Гейдон, И. Герл. Ударная труба в химической физике высоких температур. - М. : Мир. 1966. С. 234.

5. И. В. Подмошенский, В. М. Шелемина. Определение поглощения аналитических спектральных линий дуги и искры //Оптика и спектроскопия. - 1959. Т. 6, вып. 6. С. 813-815.

Изобретение относится к спектроскопии. Сущность изобретения состоит в том, что устройство содержит спектральный прибор с фокусирующей системой бифокального типа, блок формирования просвечивающего излучения с апертурной диафрагмой и два приемника изображения. Оба приемника удалены от плоскости выходной щели спектрального прибора на величину разности фокусных расстояний. Один из них оптически сопряжен с исследуемым объектом, а другой - с исследуемым объектом и одновременно с блоком формирования просвечивающего излучения через действующее отверстие диафрагмы. Технический результат: улучшение временного разрешения устройства при сохранении его спектрального разрешения. 3 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Многофункциональный абсорбционный спектрометр, содержащий спектральный прибор с фокусирующей системой бифокального типа и приемник изображения, отличающийся тем, что в него введены второй приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения с апертурной диафрагмой, оба приемника изображения удалены от плоскости выходной щели спектрального прибора на величину разности фокусных расстояний, причем один из них оптически сопряжен с исследуемым объектом, а другой - с исследуемым объектом и одновременно с блоком формирования просвечивающего излучения через действующее отверстие диафрагмы. 2. Многофункциональный абсорбционный спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что действующее отверстие апертурной диафрагмы выполнено в форме полукруга, ограничивающая хорда которого оптически сопряжена с выходной щелью спектрального прибора. 3. Многофункциональный абсорбционный спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что апертурная диафрагма дополнительно содержит нейтральный светофильтр, размещаемый симметрично по отношению к ее действующему отверстию. 4. Многофункциональный абсорбционный спектрометр по п. 2, отличающийся тем, что между блоком формирования просвечивающего излучения с апертурной диафрагмой и объектом излучения введена бифокальная осветительная система так, что в продольной плоскости, проходящей поперек выходной щели спектрального прибора, она фокусирует исследуемый объект в центр кривизны вогнутого зеркала, а в перпендикулярной к ней продольной плоскости - на поверхность вогнутого зеркала.