ТОМОГРАФИЧЕСКИЙ АБСОРБЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению, в частности к устройствам для спектрофотометрии.

Известны оптические приборы для измерения температуры пламени путем сопоставления их излучательных и поглощательных характеристик, включающие спектральный прибор с фокусирующей системой, приемник излучения и эталонный источник излучения за исследуемым объектом с расположенным между ними прерывателем излучения [1]. За счет работы прерывателя осуществляется поочередная регистрация собственно излучения пламени и суммарного уровня излучаемой пламенем и прошедшей через него части излучения эталонного источника. Недостаток этого технического решения состоит в ограничении диапазона измерений температуры используемого эталонного источника и в невысоком временном разрешении, определяемом частотой прерывания.

Наиболее близким по технической сути является оптический прибор для измерения излучательных и поглощательных характеристик плазмы, включающий спектральный прибор с фокусирующей системой, фотоэлектрический приемник излучения, зеркало за источником излучения с расположенным между ними прерывателем излучения (прототип) [2]. Здесь в качестве эталонного источника выступает отраженное изображение исследуемого источника излучения. Для того чтобы совместить в пространстве отраженное изображение и собственно источник излучения в случае его пространственной нестационарноcти или неоднородности, может применяться в составе фокусирующей системы ахроматический объектив, совмещаемый с центром кривизны используемого вогнутого зеркала [3]. Зa счет работы прерывателя осуществляется поочередная регистрация собственно излучения плазмы и суммарного уровня излучаемой и прошедшей через плазму части отраженного зеркалом излучения. Такое техническое решение позволяет расширить температурный диапазон, однако временное разрешение остается ограниченным. Это исключает возможность проведения измерений в нестационарных режимах работы источника излучения, особенно когда необходимо обеспечить сканирование его пространственной структуры с целью перерасчета полученных данных к локальным значениям излучательных и поглощательных способностей плазмы, иными словами, невозможен режим томографических измерений [4].

В основу изобретения поставлена задача создания томографического абсорбционного спектрометра, в котором оригинальное выполнение блока формирования просвечивающего излучения позволяет обеспечить высокое временное разрешение и одновременно томографический режим измерения спектрометра. За счет этого возможно проведение измерений в нестационарных режимах работы объекта измерения.

Поставленная задача решается тем, что в томографическом абсорбционном спектрометре, содержащем спектральный прибор с фокусирующей системой, приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения за исследуемым объектом, согласно изобретению блок формирования просвечивавшего излучения представляет собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные участки поверхности в случае использования внешнего эталонного источника излучения или чередующиеся отражающие и неотражающие участки поверхности в случае, если просвечивание осуществляют отраженным излучением самого объекта исследований.

На фиг.1 схематично представлен предлагаемый томографический абсорбционный спектрометр и ход лучей в нем в варианте, когда просвечивание осуществляют отраженным излучением самого объекта исследований, а на фиг.2 - пример регистрируемого приемником изображения сигнала.

Устройство содержит спектральный прибор 1 (условно показан в виде светофильтра), фокусирующую систему, представленную объективами 2 и 3, приемник излучения 4 и блок 5 формирования просвечивающего излучения; показан также в качестве исследуемого объекта плазменный источник излучения 6.

Томографический абсорбционный спектрометр работает следующим образом.

Благодаря тому, что блок 5 формирования просвечивающего излучения представляет собой чередующиеся отражающие и неотражающие участки вогнутой поверхности, в плоскости приемника изображения 4 образуются две группы полос. Интенсивность одной из них - сопряженной с зеркально отражающими участками блока 5 - определяется как собственным излучением исследуемого объекта, так и частью отраженного зеркалом излучения, вновь прошедшего через объект. Эта группа полос соответствует фазе открытого положения прерывателя в случае прототипа. От областей объекта исследований, сопряженных с неотражающими участками блока 5, на приемник излучения 4 попадает только его собственное излучение. Образующаяся от них группа полос соответствует фазе закрытого положения прерывателя. Пример пространственного распределения возникающей при этом освещенности I(r) в плоскости приемника излучения представлен на фиг.2. Таким образом, фактически предлагаемое техническое решение реализует принцип пространственной модуляции излучения вместо временного.

Существенно, что благодаря объективу 3 поверхности отражающих участков блока 5 фокусируются в среднее сечение объекта исследования, а последнее с помощью объектива 2 - на поверхность приемника изображения. Таким образом, в предлагаемом томографическом абсорбционном спектрометре пространственное распределение интенсивностей, регистрируемых приемником изображения, в каждой из групп полос соответствует распределению суммарных излучательных способностей по сечению исследуемого объекта излучения. В результате последующего применения вычислительных методов томографии можно перейти от наблюдаемых - интегральных вдоль соответствующих хорд - интенсивностей излучения к локальным излучательным способностям объекта. Таким образом, предлагаемый прибор обеспечивает получение информации, достаточной для определения локальных характеристик объекта и, следовательно, может быть отнесен к томографическим [4].

Характерный размер отражающих и неотражающих участков поверхности блока 5 формирования просвечивающего излучения или, иными cловами, периода пространственной модуляции целесообразно выбирать таким образом, чтобы он соответствовал характерному размеру неоднородности исследуемого источника излучения. Для практических применений достаточно, чтобы на радиус последнего приходилось около десяти периодов пространственной модуляции.

В случае применения в качестве блока формирования просвечивающего излучения 5 внешнего эталонного источника излучения устройства работает аналогичным образом. При этом пространственная модуляция излучения достигается за счет его экранирования системой чередующиеся прозрачных и непрозрачных полос перед ним либо перед его изображением. Требования к периоду пространственной модуляции остаются неизменными.

Предлагаемое устройство прошло экспериментальную проверку в Киевском университете им. Тараса Шевченко. В качестве спектрального прибора использовался монохроматор МДР-12 с диссектором ДИ-14 на выходе для регистрации получаемого изображения. В качестве объектива применялся ахромат с фокусным расстоянием 75 мм, а в качестве блока 5 формирования просвечивающего излучения - вогнутое зеркало с радиусом кривизны 150 мм, перед отражающей поверхностью которой устанавливались в качестве непрозрачных участков натянутые проволочки с шагом 0,2 мм. Исследовалось самопоглощение спектральных линий меди, излучаемых свободногорящей электрической дугой между медными электродами. Выходной сигнал диссектора для линии меди 510,5 нм (о самопоглощении которой известно из независимых исследований) оказался промодулированным подобно фиг.2, что свидетельствует о работоспособности предложенного устройства.

Источники информации
1. Физические измерения в газовой динамике и при горении. М.: ИИЛ. 1957, с.291.

2. L.Bober, S.Tankin. Emission and absorption measurements on a strongly self-absorbed argon atom line // J. Quant. Spectrosc. Radiat.Transfer. 1969. V.9. P.855-874.

3. И. В. Подмошенский, В.М. Шелемина. Определение поглощения аналитических спектральных линий дуги и искры // Оптика и спектроскопия. 1959. Т.6. вып.6. С.813-615.

4. В. А. Жовтянский. Скоростная томографическая спектроскопия плазмы // Инженерно-физич. журнал. 1992. T.62, N5. С.758-764.

Область применения - оптическое спектральное приборостроение, в частности спектрофотометрия. Томографический абсорбционный спектрометр содержит спектральный прибор с фокусирующей системой, приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения за исследуемым объектом. Последний представляет собой зеркало с чередующимися отражающими и неотражающими участками поверхности в случае, если просвечивание осуществляют отраженным излучением самого объекта исследований. В случае же использования внешнего эталонного источника излучения этот блок представляет собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные участки поверхности, через которую осуществляют просвечивание объекта исследований. Техническим результатом является реализация принципа пространственной модуляции излучения вместо широко применяемого временного, что позволяет осуществлять скоростные измерения поглощательных и излучательных характеристик различных нестационарных объектов излучения, в частности плазмы, с пространственным разрешением. 2 ил.

Томографический абсорбционный спектрометр, содержащий спектральный прибор с фокусирующей системой, приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения за исследуемым объектом, отличающийся тем, что блок формирования просвечивающего излучения представляет собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные участки поверхности в случае использования внешнего эталонного источника излучения или чередующиеся отражающие и неотражающие участки поверхности в случае, если просвечивание осуществляют отраженным излучением самого объекта исследований.