СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01J3/12 

Изобретение относится к спектроскопии и может быть использовано для исследования спектрального состава электромагнитных излучений по длинам волн (частот), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействующих с излучением, а также для спектрального анализа.

Известны методы регистрации спектров, основанные на пространственном разделении длин волн (λ)- спектрально-селективной фильтрации [Физическая энциклопедия. Т. 4 / под ред. Прохорова А.М. / М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. С. 611-515]. В спектральных приборах, реализующих данные методы, исследуемый поток со спектром f(λ) посылается на спектрально-селективный фильтр, который выделяет из потока в окрестности каждой λ′ некоторые интервалы Δλ и может перестраиваться непрерывно или дискретно, осуществляя сканирование спектра во времени t по некоторому закону λ′(t). Выделенные компоненты Δλ посылаются на приемник оптического излучения, запись сигналов с которого дает функцию времени F(t). Переход от аргумента t к аргументу λ позволяет получить функцию - F(λ) наблюдаемый спектр.

Основой оптических схем спектральных приборов этой группы является диспергирующий элемент, обладающий угловой дисперсией Δϕ/Δλ, что позволяет в фокальной плоскости изображение входной щели в излучении разных λ. Им может быть спектральная призма, дифракционная решетка, эшелетт, интерферометр Фабри-Перо. Если в фокальной плоскости прибор, имеющий в фокальной плоскости одну выходную щель, представляет собой монохроматор, то имеющий светочувствительный элемент - спектрограф. Указанные спектральные приборы обычно строятся на основе монохроматоров, в которых сканирование осуществляется поворотом дифракционных решеток.

Основными недостатками этих методов, ограничивающими разрешающую способность приборов на их основе, являются высокие требования к точности изготовления диспергирующего элемента [Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю. Н. / Техника и практика спектроскопии, М.: Наука, 1976, с. 162], оптической системы и механизма позиционирования диспергирующего элемента.

Известен спектрометр, в котором монохроматор представляет собой герметичную камеру, в которой неподвижно закреплено 4 эшелетта. Свет, входящий через входное окно, последовательно отражается от них, и монохромататизированный свет выходит из выходной щели. Камера соединена с пневматической системой, при помощи которой в ней с высокой точностью и стабильностью создается повышенное или пониженное давление газа. При изменении давления заполняющего камеру газа изменяется его показатель преломления и создается различное пространственное разделение лучей с разной длиной волны. Достигается разрешающая способность до 5•10⁵ [Rev. Sci. Instrum. 1990. Vol. 61. 10. Р. 2546-2548].

Известна группа методов, основанных на спектрально-селективной модуляции, при которой разделение длин волн осуществляется не в оптической, а в электрической части спектрального прибора. В этих методах исследуемый поток с спектром f(λ) посылается на устройство, способное модулировать некоторой частотой ω₀ = const интервал длин волн Δλ в окрестности длины волны λ′ настройки, оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование проводится так, чтобы различные последовательно модулировались частотой ω₀. Выделяя составляющую ω₀ в сигнале с приемника излучения с помощью фильтра, получают спектр F(λ) [Физическая энциклопедия / под ред. Прохорова А.М. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. С. 611-515].

Недостатками этой группы методов являются использование оптических схем, требующих тщательной юстировки, сложность математической обработки сигнала с приемника излучения и низкая скорость регистрации.

Известна группа методов определения спектров, основанных на наблюдении резонанса, возникающего при совпадении перестраиваемой частоты излучения сканирующего лазера с частотой квантовых переходов в исследуемой среде. Резонанс наблюдается самыми различными методами (двойной магнитооптический резонанс, оптоакустический, оптогальванический эффект и.т.д.), которые определяют многообразие типов лазерной спектроскопии, их применимость и конструкции спектрометров. Лазер с перестраиваемой частотой генерации является монохроматором с аппаратной функцией ~10 кГц. Точное измерение его длины волны - сложная техническая задача. Для этого применяется интерференционный или гетеродинный метод. В любом случае требуется высокостабильный эталонный лазер с точно известной длиной волны генерации. Методы лазерной спектроскопии позволяют снизить влияние доплеровского уширения и выделять переходы внутри уширенных полос. За счет этого достигается разрешающая способность до 10¹². Недостатками методов является использование дорогостоящего, громоздкого, конструктивно сложного в исполнении оборудования [Летохов B. C. , Чеботаев В.П. / Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. М.: Наука, 1990. С. 1-15].

Задачей изобретения является разработка способа определения спектра электромагнитного излучения с высокой разрешающей способностью без использования спектрально-селективной или спектрально-модуляционной фильтрации, лазеров с перестраиваемой частотой в качестве монохроматоров и резонансных способов детектирования на компактном и несложном в конструктивном исполнении приборе.

Предложен способ определения спектра электромагнитного излучения, заключающий в себе подачу указанного излучения на фотоэлемент с внешним фотоэффектом, регистрацию вольтамперной характеристики указанного фотоэлемента, в котором дифференциальную интенсивность излучения в интервале частот от v до v+Δv определяют как величину, прямо пропорциональную падению фототока при увеличении запирающего напряжения, приложенного к фотоэлементу от U до U+ΔU, при этом v связана с U следующим соотношением:
hv=А_вых+U•е, (1)
a ΔU связана с Δv соотношением
Δv/ΔU = e/h, (2),
где v - частота указанного электромагнитного излучения, Гц,
U - запирающее напряжение, В,
е - заряд электрона, Кл,
h - постоянная Планка, Дж/Гц,
А_вых - работа выхода электрона из фотокатода, Дж,
Δv - спектральное разрешение, Гц,
ΔU - шаг изменения запирающего напряжения, В.

Согласно предлагаемому способу, излучение с определяемым спектром, без какого-либо предварительного спектрального изменения подается на фотоэлемент с внешним фотоэффектом. Увеличение запирающего напряжения приводит к уменьшению числа электронов, которые могут покинуть фотокатод в единицу времени (фототока) при постоянном спектре излучения, так как возрастает энергия электрического поля, удерживающего электроны в материале катода. При этом разность сил фототока (ΔI_ф) при текущем (U) следующем (U+ΔU) значениях напряжения прямо пропорциональна интенсивности излучения в диапазоне частот от v до v+Δv-Ф(v, v+Δv). Эта величина отвечает разности интегральных интенсивностей излучения в диапазоне частот от v_гp до v - Ф (v_гp, v) и от v_гp до v+Δv, - Ф(v_гр, v+Δv) (фиг. 1), где v_гp - частота, соответствующая по формуле (1) значению запирающего напряжения, при котором фотоэмиссия электронов из фотокатода практически невозможна, то есть сила фототока мала настолько, что недоступна для измерения, v - частота, соответствующая напряжению U, a Δv - диапазон частот, соответствующий шагу изменения напряжения ΔU (фиг. 1).

Коэффициентом пропорциональности между падением фототока I_ф при увеличении запирающего напряжения на ΔU и интенсивностью излучения в соответствующем ему диапазоне частот Ф(v,v+Δv) является дифференциальная чувствительность фотоэлемента к излучению данной частоты S(v). To есть:

Хотя она не постоянна в рабочем спектральном диапазоне фотоэлемента, это не является препятствием для определения истинного спектра излучения при использовании предлагаемого метода. Если изучается спектр излучения испускания (эмиссионная или люминесцентная спектроскопия), то истинный спектр источника излучения определяется как отношение зарегистрированного прибором спектра к функции спектральной чувствительности фотоэлемента. Она вводится в расчет либо в аналитическом виде из справочных данных, либо определяется экспериментально для данного фотоэлемента по спектру эталонного источника излучения [Ишанин Г.Г. / Фотоприемники на внешнем фотоэффекте. Л.: 1981, 78 с. ]. При изучении спектров поглощения/пропускания изучаемых образцов (абсорбционная спектроскопия), истинный спектр определяется как отношение рабочего спектра к предварительно зарегистрированному контрольному (компенсационный метод), при этом знание абсолютной спектральной характеристики фотоэлемента не требуется.

Таким образом, по вольтамперной характеристике можно получить интегральный спектр излучения (фиг. 1), а по вычисляемой дифференциальной вольтамперной характеристике восстановить исследуемый спектр падающего на фотокатод излучения (фиг. 2). Из вышесказанного следует, что спектральное разрешение прибора (Δv), использующего данный метод, определяется шагом изменения запирающего напряжения ΔU. Это дает основание утверждать, что при шаге изменения запирающего напряжения ΔU, равном 1 мкВ, спектральное разрешение устройства, использующего указанный принцип, составляет 240 МГц или 0,008 см^-1 или 0,00005 нм (при 220 нм), а разрешающая способность 4,4•10⁶.

Изобретение относится к области спектроскопии. Способ включает подачу указанного излучения на фотоэлемент с внешним фотоэффектом, регистрацию вольтамперной характеристики указанного фотоэлемента, в котором интенсивность излучения в интервале частот от v до v+Δv определяют как величину, прямо пропорциональную падению фототока при увеличении запирающего напряжения, приложенного к фотоэлементу, от U до U+ΔU. Техническим результатом изобретения является получение спектра с высокой разрешающей способностью на компактном и несложном в конструктивном исполнении приборе. 2 ил.

Способ определения спектра электромагнитного излучения, заключающий в себе подачу указанного излучения на фотоэлемент с внешним фотоэффектом, регистрацию вольтамперной характеристики указанного фотоэлемента, в котором интенсивность излучения в интервале частот от v до v+Δv определяют как величину, прямо пропорциональную падению фототока при увеличении запирающего напряжения, приложенного к фотоэлементу, от U до U+ΔU, при этом v связана с U следующим соотношением:
h•v = А_вых + U•e,
а ΔU связано с Δv соотношением
Δv/ΔU = e/h,
где v - частота указанного электромагнитного излучения, Гц;
U - запирающее напряжение, В;
е - заряд электрона, Кл;
h - постоянная Планка, Дж/Гц;
А_вых - работа выхода электрона из фотокатода, Дж;
Δv - спектральное разрешение, Гц;
ΔU - шаг изменения запирающего напряжения, В.