ЛАМПОВЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2006 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам оптического контроля фракционно-дисперсного состава частиц аэрозоля, и может быть использовано, например, при контроле состояния окружающей среды.

Известно устройство для анализа дисперсного состава частиц аэрозолей [С.П.Беляев, Н.К. Никифорова и др. Оптико-электронные методы анализа аэрозолей. М.: Энергоиздат, 1981. Стр.24-74].

С помощью указанного устройства производится анализ загрязнения воздуха аэрозольными веществами в промышленных и жилых помещениях, а также открытой атмосферы. Конечной целью анализа является как можно более точная оценка дисперсного и химического состава контролируемого аэрозоля и определение с высокой чувствительностью покомпонентной концентрации загрязнителей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в авторском свидетельстве (прототип) [В.Н.Казанов и др. Схема малогабаритного анализатора дисперсного состава аэрозольных частиц. Оптико-механическая промышленность, 1976, №6, стр.50-54].

Устройство содержит последовательно установленные вдоль оптической оси ламповый источник излучения, систему формирования пучка, содержащую линзовый фокусирующий объектив для формирования анализируемого объема, оптическую систему регистрации, содержащую собирающий объектив, оптическая ось которого не совпадает с осью фокусирующего объектива, полевую диафрагму для подавления фоновых засветок и фотоприемник. При этом выходные зрачки фокусирующего и собирающего объектива ограничены круглыми апертурами, а их оптические оси не совпадают.

Устройство работает следующим образом.

Свет от лампового источника излучения собирается системой формирования луча и фокусируется линзовым фокусирующим объективом в пределах телесного угла Ωв в анализируемый объем, через который проходят частицы аэрозоля. При их взаимодействии с лучом возникают вторичные переизлученные потоки света, которые собираются в пределах телесного угла Ω оптической системой регистрации и направляются ею на полевую диафрагму и затем - на фотоприемник. Для того, чтобы избежать засветки фотоприемника возбуждающим излучением, устройство выполнено таким образом, что пространства телесных углов Ωв и Ω не пересекаются, и оптические оси фокусирующего объектива и оптической системы регистрации не совпадают. Далее сигналы направляются на систему обработки, которая может быть внутренним или внешним по отношению к устройству блоком. Анализ сигналов позволяет сделать вывод о пофракционном составе аэрозолей.

Недостатком указанного прибора является низкая чувствительность при оценке концентрации микрочастиц аэрозолей разных фракций по сигналам флуоресценции частиц.

Причиной указанного недостатка является то, что примененные в приборе оптические элементы, осуществляющие фокусировку возбуждающего излучения на струю с пробой и сбор переизлученного индивидуальной частицей сигнала, не обеспечивают оптимальное соотношение апертур телесных углов пространств возбуждения и светосбора Ωв и Ω, соответственно при люминесцентном анализе.

Техническая задача, которую решает предлагаемое устройство, - экспресс анализ многокомпонентных аэрозолей по сигналам светорассеяния и собственной флуоресценции индивидуальных частиц малого размера с возможностью оценки их покомпонентной концентрации с использованием лампового источника возбуждения микрочастиц.

Технические результаты получаемые с помощью предлагаемого изобретения

- достижение при люминесцентном анализе высокой чувствительности по оценке покомпонентной концентрации микрочастиц аэрозолей разных фракций.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для анализа фракционно-дисперсного состава частиц аэрозоля, содержащем последовательно установленные вдоль оптической оси ламповый источник возбуждения, систему формирования пучка света, содержащую фокусирующий объектив для формирования анализируемого объема, оптическую систему регистрации, содержащую собирающий объектив, оптическая ось которого не совпадает с оптической осью фокусирующего объектива, полевую диафрагму и фотоприемники, фокусирующий и собирающий объективы выполнены таким образом, что величины их апертурных внешних половинных линейных углов α и β соответственно, измеренные относительно центра анализируемого объема, имеют значения

25°≤α≤45°

45°≤β≤55°,

а в фокусирующий объектив введены зеркальные элементы, обеспечивающие формирование конусообразного пучка света, имеющего внешнюю конусообразную поверхность, ограниченную утлом 2α, и внутреннюю поверхность пучка, ограниченную линейным углом 2α2, при этом 0,1·α≤α2≤0,55·α

Автору неизвестно устройство, в котором использованы признаки, являющиеся отличительными в предлагаемом техническом решении.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 - схема взаимной конфигурации внешних образующих углов фокусирующего α и регистрирующего β объективов и указан центр анализируемого объема. На фиг.3 - расчетные кривые зависимости чувствительности (производительности) прибора при различных уровнях фоновой засветки от величины угла α, под которым световой диаметр выходного элемента фокусирующего объектива виден из анализируемого объема прибора, а также от величины угла светосбора β, на фиг.4 - ход лучей в фокусирующем объективе, содержащем зеркальный элемент с центральным зеркалом.

Предлагаемое устройство состоит из следующих последовательно расположенных вдоль оптической оси прибора элементов:

1 - оптическая ось прибора, 2 - ламповый источник излучения, 3 - система формирования пучка света, 4 - фокусирующий объектив, 5 - анализируемый объем, 6 - сопло подачи пробы, 7 - система регистрации, 8 - собирающий объектив, 9 - полевая диафрагма, 10 - фотоприемники. При этом 11 - оптическая ось собирающего объектива 8, 12 - центр анализируемого объема 5, 13 и 14 - границы вдоль оси Y, соответственно, реального анализируемого объема, размеры которого определяются формой перетяжки возбуждающего луча и струи, и всего пространства в области анализируемого объема, передаваемого через полевую диафрагму 9. Размеры последнего размыты за счет ограниченности глубины резкости собирающего объектива.

Кривыми 15-17 представлена зависимость от угла сбора регистрирующего объектива β производительности анализа Q(α, β, Kn) при различных уровнях коэффициента засветки Kn и угле фокусировки α=40°.

Кривыми 18-20 представлена зависимость Q(α, β, Kn) от ос при разных значениях регистрирующего угла β, при коэффициенте засветки (Kn=0,03).

На фиг.4 представлена схема фокусирующего объектива, содержащего внутреннее зеркало 21 и внешнее 22, которые формируют диаграмму углов, состоящую из полого конуса, с внутренней поверхностью, образованной фигурой вращения половинного апертурного угла α2.

Устройство выполнено таким образом, что оптические оси 1 и 11 фокусирующего 4 и собирающего 8 объективов соответственно проходят через центр 12 анализируемого объема 5 и не совпадают. При этом в пространстве формируются углы фокусировки α и светосбора β соответственно.

Устройство работает следующим образом:

Свет лампового источника 2 собирается системой формирования пучка света 3 и формируется в виде излучения необходимого спектрального диапазона. Фокусирующий объектив 4 фокусирует сформированное излучение на анализируемый объем прибора 5.

В анализируемый объем с помощью сопла подачи пробы 6 подаются частицы аэрозоля. При пересечении частицей аэрозоля анализируемого объема 5 возникает вторичный, переизлученный частицей поток, который преобразуется, собирается и формируется оптической системой регистрации 7. При этом переизлученный частицей свет собирается высокоапертурным собирающим объективом 8, задача которого - формирование светового потока на систему полевых диафрагм 9. При этом полевая диафрагма 9 может являться входным отверстием для спектрального устройства, на фигуре отдельно не показанного. После полевой диафрагмы 9 собранное излучение попадает на фотоприемники 10, вырабатывающие соответствующие электрические сигналы. Размеры полевой диафрагмы 9 согласованы с изображением анализируемого объема 5, которое строится в плоскости первой собирающим объективом 8. При этом через полевую диафрагму 9, по ходу оси 11 объектива 8, передается изображение отрезка, включающего точку центра анализируемого объема 12, края реального анализируемого объема 13 и точку 14, соответствующую размытию границы анализируемого объема за счет конечности глубины резкости объектива 8, отрезок от точки 12 до точки 14 на фиг.2.

Принципы оптимизации оптической системы прибора с ламповым источником состоят в следующем.

Измерения любых сигналов, в том числе световых, измеряемых фотоприемниками, производятся с ошибкой, которую принято характеризовать величиной η отношения сигнал/шум. Для фотоприемника указанное соотношение можно выразить величиной

где N=fs·τ - общее количество полученных за время измерения τ полезных сигнальных фотоотсчетов;

fs и fn - средние частоты возникновения во время прохождения частицы через анализируемый объем сигнальных и шумовых отсчетов фотоприемника соответственно.

При измерениях отношение η не должно быть ниже определенного значения.

Поток флуоресценции в хорошем приближении пространственно изотропен. Поэтому интенсивность регистрируемого сигнала флуоресценции fs в выделенном спектральном диапазоне пропорциональна величине:

fs=Kr·ρв·σф· Ω,

где Ω - величина телесного угла, в пределах которого собирается оптической системой регистрации поток флуоресценции частицы;

ρв - плотность потока возбуждающего излучения в анализируемом объеме прибора;

σф - величина площади поперечного сечения флуоресценции частицы;

Kr - коэффициент пропускания соответствующего регистрирующего канала.

Как известно, величина максимальной плотности потока излучения, которую можно получить в некотором объеме при использовании источника излучения, обладающего величиной габаритной яркости J, равна:

ρв=J·Кпр· Ωв,

где Кпр - коэффициент пропускания оптической системы формирования пучка;

Ωв - величина телесного угла, под которым сфокусированное от источника излучение сходится к изображению светящегося тела источника, которое в приборе совпадает с анализируемым объемом. Теперь выражение для fs можно переписать в виде:

fs=K1·J·σф· Ω· Ωв,

где К1 - коэффициент пропорциональности

Аналогично можно выразить интенсивность шумового сигнала fn:

fn=fз+fт,

где fз и fт - частоты выхода шумового отсчетного электрона, связанные с недостаточно подавленным излучением фоновой засветки в приборе и темнового тока фотоприемника соответственно.

Очевидно, что интенсивность fз в общем случае пропорциональна потоку F1 возбуждающего излучения источника 2, введенному через анализируемый объем 5 в аналитическую часть прибора.

F1˜ρв·Sв=J· Ωв·Sв,

где Sв - площадь поперечного сечения анализируемого объема в направлении, перпендикулярном возбуждающему излучению.

Очевидно также, что величина fз пропорциональна количеству фонового излучения F2, прошедшего на фотоприемник через полевую диафрагму 9, которая является размытым изображением анализируемого объема 5 в направлении оси 11 регистрирующего объектива 8. При этом нетрудно показать, что

F2˜Sp· Ω,

где Sp - площадь поперечного сечения пространства в районе анализируемого объема 5, изображение которого умещается в габаритах полевой диафрагмы 9.

Исходя из этого, можно записать:

fз˜J·Sв·Sp· Ωв· Ω

При анализе аэрозолей, чтобы обеспечить необходимую чувствительность прибора к концентрации определяемой фракции аэрозоля, необходимо за время анализа Т успеть пропустить через прибор определенное количество микрочастиц. При этом скорость анализа микрочастиц определяется производительностью прибора по объемному расходу пробы

Q=v·Sп

где v - линейная скорость струи с пробой;

Sп - площадь поперечного сечения анализируемого объема прибора в направлении, перпендикулярном струе аэрозоля.

Скорость V можно выразить через длительность импульса свечения τ, как

где Z - размер анализируемого объема прибора вдоль струи пробы.

Тогда выражение для объемного расхода преобразуется к виду:

где ϑ - размер анализируемого объема.

Очевидно, что для обеспечения максимальной производительности и чувствительности анализа следует ускорять поток пробы v. Однако, при этом будет уменьшаться время τ прохождения частицы через анализируемый объем. Но, согласно выражению для η, время τ нельзя сделать как угодно малым, так как упадет отношение сигнал/шум измерений и вырастет их ошибка. Из выражения для η можно записать:

В приведенной формуле величину η следует понимать, как заданное минимальное значение отношения сигнал/шум, уровень которого следует выдерживать в процессе измерений для обеспечения возможности анализа микрочастиц по их сигналам свечения.

С учетом последней формулы выражение для Q можно привести к виду:

где значения fn и fs определяются приведенными выше выражениями для них;

Кс - коэффициент пропорциональности.

Очевидно, что максимальная производительность и чувствительность анализа будет обеспечиваться прибором при максимально возможной величине Q.

Однако возможности увеличения функции Q ограничены. Получение его максимального значения требует оптимизации конфигурации оптической схемы прибора.

Рассмотрим условия получения оптимальных соотношений элементов.

Ограничимся случаем, когда в шумовом сигнале роль темновых токов пренебрежимо мала по сравнению с шумами, связанными с фоновым излучением засветки. Можно показать, что наличие темновых токов не повлияет на полученные ниже выводы. Однако с целью упрощения анализа будем считать fт=0.

Это условие часто выполняется путем выбора фотоприемника, у которого темновые токи не влияют на измерения.

С учетом вышеизложенного можно записать:

где Kn - коэффициент пропорциональности, характеризующий уровень шумов прибора за счет фоновой засветки.

Как видно из фиг.2,

Sв=(Z·X).

Размеры анализируемого объема вдоль координат Х и Y приблизительно совпадают.

При этом Sp - площадь сечения пространства около анализируемого объема, соответствующего размерам полевой диафрагмы 9, являющейся размытым изображением поперечного сечения анализируемого объема 5. Изображение в плоскости диафрагмы объема 5 размывается из-за конечной глубины резкости объектива 8, а также из-за его аберраций, которые быстро увеличиваются с увеличением светосилы, то есть угла β объектива.

Из фиг.2 видно, что даже для идеального [А.С.Дубовик. Прикладная оптика. М.: Недра, 1982, стр.32-61] объектива размытие анализируемого объема в силу конечности глубины резкости первого приведет к величине площади передаваемого на фотоприемники поперечного сечения:

Sp˜Z·Y·(1+tg²(β))²

Зависимость аберраций от величины угла можно ввести с учетом того, что сферические аберрации при малых углах имеют 3-й порядок малости, то есть пропорциональны углу в 3-й степени. Объективы имеют скомпенсированные аберрации. Однако значение остаточных аберраций также быстро увеличивается при росте апертурного угла объектива. Рост общих аберраций ускоряется при увеличении поля изображения. Поэтому мы ввели влияние аберраций объектива в виде:

Sp˜Z·Y·(1+tg²(β))²·(1+0,018·β³)².

Нетрудно увидеть, что аберрационный сомножитель, последний в правой части, в выражении для площади изображения диафрагмы Sp, соответствует размытию линейного размера при угле β=30° на ˜16%. При характерном размере анализируемого объема Z˜0,1 мм это составит 0,016 мм, что характеризует объектив, как весьма высококачественный. С учетом всего вышеизложенного можно записать:

С учетом вышеизложенного можно записать для производительности:

где Kc - коэффициент пропорциональности.

В выражении для Q учтено также влияние на сигнал величины аберраций фокусирующего объектива в зависимости от угла α.

Из полученного выражения видно, что для реализации максимальной производительности, а значит и чувствительности прибора, необходимо максимизировать величину анализируемого объема ϑ. При этом, чтобы уменьшить влияние шумов, необходимо каждый раз стремиться к минимальному размеру Z анализируемого объема в сечении, поперечном зондирующему лучу света.

Необходимо соблюдать условие:

Со·ϑ≪1,

где Со - верхний предел общей счетной концентрации исследуемого аэрозоля.

В этом случае максимальная величина анализируемого объема

ϑ˜0,1·Со^-1

не зависит от величин Ω и Ωв.

Пространства телесных углов, в которых фокусируется возбуждающее излучение, Ωв, и собирается переизлученный частицей свет, Ω, не должны иметь взаимного пересечения. В противном случае возбуждающее излучение, мощность которого на много порядков выше мощности переизлученного частицей света, попадет в оптические тракты фотоприема и насытит их высокоинтенсивной фоновой помехой, которая полностью подавит слабый импульсный полезный сигнал.

Величина телесного угла в пространстве возбуждающего излучения

Ωв=2π(1-cos(α)),

где, в соответствии с фиг.2, α - половина апертурного линейного угла, ограничивающего конусное пространство телесного угла Ωв, в котором фокусируется возбуждающее излучение.

В соответствии с описанием работы устройства-прототипа для телесного угла собирающего объектива можно записать:

Ω=2π(1-cos(β))-f(α),

где

Для каждого Z максимальный анализируемый объем получится при выполнении условия:

ϑ˜Z·X·Y˜Z³·ctg(α).

Отсюда

Z˜(ϑ·tg(α))^(1/3).

С учетом вышеизложенного выражение для производительности анализа можно привести к виду:

На фиг.3 кривыми 15-17 представлена зависимость от апертурного внешнего половинного линейного угла регистрирующего объектива β производительности анализа Q при различных уровнях коэффициента засветки Kn и угле фокусировки α=40°.

Из представленной зависимости видно, что только при отсутствии засветки, Kn=0, производительность анализа монотонно увеличивается с ростом светосбора регистрирующего объектива β. Этот случай не реализуем на практике. При наличии шумов в зависимости Q от β имеется максимум, который соответствует оптимальному углу светосбора

β˜(45-55)°

В кривых 18-20 зависимости Q от α также имеется максимум. Указанная зависимость при разных значениях регистрирующего угла β при небольшом коэффициенте засветки (Kn=0,03) приведена на фиг.3.

Видно, что максимум в зависимости Q от α наблюдается при величине угла

α˜(25-45)°.

Наши исследования показали, что аналогичные выводы можно сделать и при других реально допустимых значениях засветки, Kn.

Представленные на фиг.3 зависимости 18-20 Q(α) от α свидетельствует о том, что в области максимума эта зависимость является слабой. Так, в области

25°≤α≤45°

значение Q (α) для всех возможных ситуаций анализа изменяется не больше, чем на 30%. При уходе аргумента α из указанной области значений производительность пробы может уменьшиться на порядок и более.

Таким образом, можно сделать вывод, что для получения наибольшей чувствительности прибора к отдельным фракциям, необходимо применить оптическую систему, в которой телесный угол, в пределах которого возбуждающее излучение фокусируется в анализируемый объем прибора, должен быть ограничен снаружи линейным углом, значение половины которого находится в пределах

25°≤α≤45°.

При этом величина половины линейного угла, ограничивающего телесный угол светосбора системы регистрации, должна иметь значение:

45°≤β≤55°.

Приведенные условия свидетельствуют о том, что оба объектива в оптимизированном устройстве - формирующий и собирающий - должны обладать большими угловыми апетурами α и β соответственно или, что тоже самое, большой светосилой.

Так, например угловая апертура

2α=60°

соответствует светосиле

R=1,7.

При этом объективы должны строить не размытое за счет аберраций изображение предмета размером (0.1-0.5 мм) в диапазоне длин волн 200-400 нм. Объективы работают с конечного расстояния до предмета на конечное расстояние до изображения.

Как известно из литературы (Л.A.Запрягаева, И.С.Свешникова. Расчет линзовых объективов. М. МИГАиК, 1980. 129 с., стр.56-62), чтобы достичь указанного качества для линзового объектива необходимо применение до 10 линз. Поэтому линзовые объективы указанного качества обладают низким коэффициентом пропускания и большим уровнем фоновой засветки, возникающей за счет рассеяния света на линзах. Для обеспечения ахроматизма в объективах целесообразно использовать такие материалы, как крон и флинт, которые непрозрачны в ультрафиолетовой области, работа в которой необходима для рассматриваемого прибора, т.к. указанная область обеспечивает наиболее универсальное возбуждение имеющегося в атмосфере аэрозоля.

В то же время известно [Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов и др. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 1981, стр.268-270], что объективы с применением зеркальных элементов типа объектива Кассегрена обеспечивают высокое качество изображений при больших угловых апертурах и малом уровне рассеянного света.

Объектив Кассегрена формирует конусообразный пучок света, имеющий внешнюю конусообразную поверхность, ограниченную линейным углом 2α. При этом внутренняя поверхность пучка, образующаяся из-за экранирующего действия малого зеркала объектива 21, ограничена линейным углом 2α2. Для максимального пропускания объектива половинный угол α2 должен быть как можно меньше. Для объектива Кассегрена характерно соотношение:

0,1·α≤α2≤0,5·α.

Таким образом, можно записать, что для оптимального прибора фокусирующий объектив должен содержать элемент из двух зеркал с центральной экранировкой пучка. При этом апертурный угол объектива ограничен снаружи конусной поверхностью, образующая которой имеет угол

25°≤α≤45°,

а изнутри - конусной поверхностью, ограниченной углом

0,1·α≤α2<0,5·α.

Можно оценить, во сколько раз указанное техническое решение позволит увеличить производительность анализа по сравнению с прототипом.

Зададимся углами: α=40°, α2=10°, β=45°. Уровень засветки зададим величиной Kn=0.03.

Из графиков фиг.3 видно, что эти параметры соответствуют величине производительности Q˜0.12 условных единиц.

Применим для расчета значения улов, использованных в устройстве-прототипе:

α=14°, угол β=20°.

Нетрудно рассчитать, что эти параметры соответствуют величине производительности Q меньше 0.01 условных единиц. Видно, что производительность уменьшилась более, чем в 10 раз. Следует помнить, что в устройстве-прототипе должен быть применен многолинзовый объектив. Для угла фокусировки 2α˜80° указанный объектив должен содержать не менее 5 линз. Если учесть, что приблизительно такой же объектив должен быть установлен на светосборе около источника излучения, ясно, что пропускание, например, в ультрафиолетовой области для такой оптической системы будет ˜10%. Таким образом, производительность прототипа будет более чем на порядок хуже производительности предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство может быть использовано в областях производства и жизнедеятельности, где требуется экспрессный и чувствительный анализ фракционного состава многокомпонентного аэрозоля, например при контроле за выбросами химических и микробиологических производств, чистоты воздуха в промышленных и населенных зонах, при защите от биологического терроризма и при космических исследованиях с целью обнаружения жизни в атмосфере других планет.

Сущность: свет от лампового источника излучения собирается зеркально-линзовым фокусирующим объективом в анализируемый объем, через который проходят частицы аэрозоля. Переизлученные потоки света собираются оптической системой регистрации и направляются ею на полевую диафрагму и затем - на фотоприемники. Для того, чтобы избежать засветки фотоприемников возбуждающим излучением, устройство выполнено таким образом, что пространства телесных углов фокусировки и светосбора не пересекаются, и оптические оси фокусирующего объектива и оптической системы регистрации не совпадают. Далее сигналы направляются на систему обработки. Анализ сигналов позволяет сделать вывод о пофракционном составе аэрозолей. Пространства углов фокусировки возбуждающего и сбора вторичного потоков излучения оптимизированы с целью достижения максимальной покомпонентной чувствительности анализа. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности анализа. 4 ил.

Устройство для анализа фракционно-дисперсного состава частиц аэрозоля, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси ламповый источник возбуждения, систему формирования пучка света, содержащую фокусирующий объектив для формирования анализируемого объема, оптическую систему регистрации, содержащую собирающий объектив, оптическая ось которого не совпадает с оптической осью фокусирующего объектива, полевую диафрагму и фотоприемники, отличающееся тем, что фокусирующий и собирающий объективы выполнены таким образом, что величины их апертурных внешних половинных линейных углов α и β, соответственно измеренные относительно центра анализируемого объема, имеют значения

25°≤α≤45°;

45°≤β≤55°,

а в фокусирующий объектив введены зеркальные элементы, обеспечивающие формирование конусообразного пучка света, имеющего внешнюю конусообразную поверхность, ограниченную углом 2α, и внутреннюю поверхность пучка, ограниченную линейным углом 2α2, при этом 0,1·α≤α2≤0,55·α.