АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК G01J3/45 

Изобретение относится к спектроскопии веществ и автоматизированным средствам сбора и обработки информации, а в частности - к автоматическим экспресс-анализаторам состава веществ для определения химического состава вещества в технологии микро- и наноэлектронных средств, в геологии и охране окружающей среды.

Известен «Атомно-абсорбционный спектрометр» (см. патент (а.с.) SU 1482378, G01J 3/42, б.37, 1992 г.), содержащий оптически связанные источник света, осветитель, распылительную камеру, снабженную пневматическим распылителем и горелкой, монохроматор и фотоприемник, а также измерительное устройство с управляющим и информационным входами, соединенное информационным входом с фотоприемником, преобразователь звуковых колебаний в электрические, селективный усилитель, компаратор, устройство выборки и хранения и реле времени, причем преобразователь звуковых колебаний в электрические размещен в объеме распылительной камеры и соединен со входом селективного усилителя, выход которого соединен со входом устройства выборки и хранения и первым входом компаратора, выход устройства выборки и хранения соединен со вторым входом компаратора, вход которого соединен со входом реле времени, а выход реле времени соединен с управляющим входом измерительного устройства. (Признаки, общие с предметом изобретения, выделены курсивом).

Недостатки известного устройства - значительная инерционность в работе и ограниченная достоверность результатов анализа, что обусловлено необходимостью визуализации изображений и их распознания человеком-оператором, что, в свою очередь, не исключает субъективизма в результатах анализа, а также значительные габаритно-весовые и энергетические характеристики.

Известно «Устройство для спектрального анализа элементного состава вещества» (см. патент RU 2007703, G01N 21/63, б.3, 1994 г.), содержащее лазер с блоком питания, оптически связанный через систему фокусировки с анализируемым веществом, которое через приемную оптическую систему, включающую фотоприемник, оптически связанный с анализируемым веществом, генератор импульсов, стробирующий генератор, ЭВМ, систему контроля временного распределения и энергии лазерного импульса, установленную на оптической оси устройства между системой фокусировки и анализируемым веществом, причем первый выход генератора импульсов подключен к блоку питания лазера, второй выход - к первому входу стробирующего генератора, выход которого соединен с первым входом устройства для спектрального анализа излучений, второй выход которого подсоединен к первому выходу ЭВМ, второй выход ЭВМ соединен со вторым входом стробирующего генератора, а третий выход ЭВМ подключен ко входу системы фокусировки, при этом первый вход ЭВМ соединен с выходом устройства для спектрального анализа излучений, а второй вход подключен к системе контроля временного распределения и энергии лазерного импульса. (Признаки, общие с предметом изобретения, выделены курсивом).

Существенным недостатком известного устройства являются его аппаратурная избыточность и низкое быстродействие в работе, что затрудняет получение достоверной информации об элементном составе вещества в реальном масштабе времени, а также значительные габаритно-весовые и энергетические характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, по технической Сущности, является «Спектрофотометр-анализатор» (см. патент RU 2165611, G01N 21/63, б.11, 2001.04.20), содержащий лазер с блоком питания, оптически связанный через первую фокусирующую систему с объектом анализа, который через вторую оптическую систему связан с фотоприемником, генератор импульсов, первый и второй триггеры, соединенные единичными входами со входом запуска спектроанализатора, единичный выход первого триггера соединен со входом управления генератора импульсов, кольцевой регистр сдвига, соединенный шиной сдвига с выходом генератора импульсов, формирователь переднего фронта импульсов, первый элемент И, соединенный первым входом с выходом генератора импульсов, а вторым входом - с единичным выходом второго триггера и со входом управления блока питания лазера, второй элемент И, соединенный первым входом с нулевым выходом второго триггера, вторым входом, через формирователь переднего фронта импульсов, - с выходом старшего разряда регистра сдвига, а выходом - с нулевым входом первого триггера, первую группу элементов И, соединенных первыми входами с выходом фотоприемника, вторыми входами - с единичным выходом второго триггера, а третьими входами - поразрядно с выходами, кроме младшего и старшего разрядов, регистра сдвига, регистр оперативной памяти (памяти кодов спектров анализируемого вещества), соединенный входом обнуления со входом запуска спектроанализатора, а информационными входами - поразрядно с выходами элементов И первой группы, блок памяти кодов спектров эталонных веществ (химических элементов), вторую группу элементов И, соединенных первыми входами с нулевым выходом второго триггера, а вторыми входами - поразрядно с выходами регистра оперативной памяти, блок третьих групп элементов И, соединенных первыми входами с нулевым выходом второго триггера, вторыми входами - поразрядно с выходами регистра сдвига, а третьими входами - поразрядно с выходами соответствующего регистра блока памяти кодов спектров эталонных веществ (химических элементов), устройство сравнения, соединенное поразрядно первыми входами с выходами второй группы элементов И, а вторыми входами - с выходами элементов И третьих групп, распределитель импульсов, соединенный входом с выходом первого элемента И, шаговый электродвигатель, соединенный электрически входами поразрядно с выходами распределителя импульсов, а механически (валом) с оптической призмой, четвертую группу элементов И, соединенных первыми входами с выходом «равно» устройства сравнения, а вторыми входами - поразрядно с выходами, кроме младшего и старшего разрядов, регистра сдвига, и блок регистрации, соединенный входами поразрядно с выходами элементов И четвертой группы, причем устройство сравнения содержит в каждом разряде третий элемент И, соединенный первым входом с первым информационным входом одноименного разряда устройства, вторым входом - со вторым информационным входом одноименного разряда устройства, четвертый элемент И, соединенный первым входом со вторым информационным входом одноименного разряда устройства, первый инвертор (элемент НЕ), соединенный входом с первым входом переноса информации из старшего разряда, а выходом - с третьим входом третьего элемента И, второй инвертор (элемент НЕ), соединенный входом со вторым входом переноса информации из старшего разряда, а выходом - со вторым входом четвертого элемента И, первый элемент ИЛИ, соединенный первым входом с первым входом переноса информации из старшего разряда, а вторым входом - с выходом четвертого элемента И, второй элемент ИЛИ, соединенный первым входом со вторым входом переноса информации из старшего разряда, а вторым входом - с выходом третьего элемента И, элемент И-НЕ, соединенный входами с выходами третьего и четвертого элементов И, пятый элемент И, соединенный первым входом с выходом первого элемента ИЛИ, вторым входом - с выходом элемента И-НЕ, а выходом - с первым входом переноса информации в младший разряд, шестой элемент И, соединенный первым входом с выходом второго элемента ИЛИ, вторым входом - с выходом элемента И-НЕ, а выходом - со вторым входом переноса информации в младший разряд, и третий инвертор, соединенный входом с выходом элемента И-НЕ младшего разряда, а выходом - с выходом «равно» устройства сравнения.

Существенным недостатком известного анализатора спектра излучений являются его ограниченность по быстродействию и надежности в работе, а также значительная аппаратная, габаритно-весовая и энергетическая избыточность.

Задача изобретения - повысить быстродействие и надежность в работе анализатора спектра излучений, а также снизить его аппаратные, габаритно-весовые и энергетические затраты, что достигается за счет использования управляемого, по спектру длин волн, чувствительностью фотоприемника.

Технический результат состоит в повышении быстродействия и надежности в работе анализатора спектра излучений, а также в сокращении его аппаратной, габаритно-весовой и энергетической избыточности, что достигается за счет использования фотоприемника на приборах с зарядовой связью (ПЗС) с управляемой по длине (λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_i, ..., λ_n) волны чувствительностью, преобразования спектров излучений исследуемых веществ в их цифровые представления и сравнения цифровых представлений спектров излучений исследуемых веществ с цифровыми представлениями спектров эталонных веществ, а также в исключении субъективизма в результатах анализа путем автоматизации процесса сбора и обработки информации.

Технический результат обеспечивается тем, что в анализатор спектра излучений, содержащий лазер с блоком питания, оптически связанный через первую систему фокусировки с анализируемым веществом, спектр излучения которого через вторую оптическую систему поступает на фотоприемник, причем фотоприемник выполнен на приборах с зарядовой связью (ПЗС) с управляемой по длине (λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_i, ..., λ_n) волны чувствительностью к излучению, генератор импульсов, первый и второй статические триггеры, соединенные единичными входами со входом запуска анализатора спектра излучений, единичный выход первого триггера соединен со входом управления генератора импульсов, кольцевой регистр сдвига, соединенный шиной сдвига с выходом генератора импульсов, первый элемент И, соединенный первым входом с нулевым выходом второго триггера, вторым входом - с выходом старшего разряда регистра сдвига, а выходом - с нулевым входом первого триггера, группу вторых элементов И, соединенных первыми входами с выходом фотоприемника, вторыми входами - с единичным выходом второго триггера, а третьими входами - поразрядно с выходами, кроме выходов младшего и старшего разрядов, регистра сдвига, регистр оперативной памяти, соединенный входом обнуления со входом запуска анализатора спектра, а информационными входами - поразрядно с выходами группы вторых элементов И, блок регистров памяти кодов спектров эталонных веществ (кодов спектров химических элементов), группу третьих элементов И, соединенных первыми входами с нулевым выходом второго триггера, а вторыми входами - поразрядно с выходами регистра оперативной памяти, блок групп четвертых элементов И, соединенных первыми входами с нулевым выходом второго триггера, вторыми входами - поразрядно, с выходами, кроме выходов младшего и старшего разрядов, регистра сдвига, а третьими входами - поразрядно с выходами соответствующего регистра блока регистров памяти кодов эталонных веществ (элементов), устройство сравнения, соединенное поразрядно первыми и вторыми входами с выходами групп вторых и третьих элементов И соответственно, группу пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом «равно» устройства сравнения, а вторыми входами - поразрядно с выходами, кроме выходов младшего и старшего разрядов, регистра сдвига, и блок регистрации, соединенный входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И, введены источник постоянного тока, соединенный входом управления с единичным выходом второго триггера, делитель напряжения, соединенный входом с выходом источника постоянного тока, и группа ключей, соединенных силовыми входами с выходами делителя напряжения, а управляющими входами - с выходами, кроме выходов младшего и старшего разрядов, регистра сдвига, а выходом - с управляющим входом фотоприемника.

Таким образом, предлагаемый анализатор спектра излучений отличается от известных наличием фотоприемника на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и с управляемой по длине (λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_i, ..., λ_n) волны чувствительностью к излучению, и дополнительно введенных узлов - источника постоянного тока, делителя напряжения и группы ключей, и соответствующих функциональных связей, что обеспечивает ему повышение быстродействия и достоверности информации, которая достигается преобразованием спектра излучения исследуемого вещества в цифровые коды, сравнением полученных кодов с кодами спектров эталонных веществ (элементов) и выводом результата анализа в реальном масштабе времени, а также снижением аппаратурной, габаритно-весовой и энергетической избыточности, а следовательно, он отличается новизной, обладает возможностью тиражировать на современной элементной базе и применимостью (полезностью) для целей разведки полезных ископаемых и охраны окружающей среды в произвольных условиях его эксплуатации (при транспортабельном исполнении с автономным источником питания).

Функциональная схема анализатора спектра излучений приведена на чертеже.

Анализатор спектра излучений содержит лазер 1, блок 2 питания лазера, соединенный выходом со входом лазера 1, первую оптическую фокусирующую систему 3, оптически, по входу, связанную с лазером 1 и, по выходу, с объектом анализа (анализируемым веществом) О, вторую оптическую фокусирующую систему 4, связанную по входу с анализируемым веществом О, источник постоянного тока 5, фотоприемник 6 на приборах с зарядовой связью (ПЗС) с управляемой по длине (λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_i, ..., λ_n) волны чувствительностью к излучению, оптически связанный через вторую фокусирующую систему 4 с объектом анализа О, генератор 7 импульсов, вход 8 запуска анализатора спектра излучений, первый 9 и второй 10 статические триггеры, соединенные единичными входами со входом 8 запуска анализатора спектра, кольцевой регистр 11 сдвига, соединенный шиной сдвига с выходом генератора 7 импульсов, а выходом старшего разряда со входом обнуления триггера 10, формирователь 12 переднего фронта импульсов, соединенный входом с выходом старшего разряда регистра 11, делитель напряжения 13, соединенный входом с выходом источник постоянного тока 5, первый элемент И 14, соединенный первым входом с нулевым выходом триггера 10, а вторым входом, через формирователь 12 переднего фронта импульсов, - с выходом старшего разряда регистра 11 сдвига, группу 15 вторых элементов И, соединенных первыми входами с выходом фотоприемника 6, вторыми входами - с единичным выходом триггера 10, а третьими входами - поразрядно с выходами, кроме выходов младшего и старшего разрядов, регистра 11 сдвига, регистр 16 оперативной памяти (памяти кодов спектров анализируемого вещества), соединенный входом обнуления со входом 8 запуска анализатора спектра, а информационными входами - поразрядно с выходами группы 15 элементов И, блок 17 памяти кодов спектров эталонных веществ (химических элементов), группу третьих 18 элементов И, соединенных первыми входами с нулевым выходом триггера 10, а вторыми входами - поразрядно с выходами регистра 16 оперативной памяти, блок 19 групп четвертых элементов И, соединенных первыми входами с нулевым выходом регистра 10, вторыми входами - поразрядно с выходами, кроме выходов младшего и старшего разрядов, регистра 11 сдвига, а третьими входами - поразрядно с выходами одноименных регистров блока 17 памяти кодов спектров эталонных веществ (химических элементов), устройство сравнения 20, соединенное первыми и вторыми входами с выходами групп 18 и 19 элементов И соответственно, группу ключей 21, соединенных первыми входами с одноименными выходами делителя напряжения 13, вторыми входами - с одноименными выходами регистра сдвига 11, а выходом - со входом фотоприемника 6, группу 22 пятых элементов И, соединенных первыми входами поразрядно с выходами, кроме выходов младшего и старшего разрядов, регистра сдвига 11, а вторыми входами - с выходом "равно" устройства сравнения 20, и блок регистрации 23, соединенный входами поразрядно с выходами группы 22 элементов И.

Анализатор спектра излучений работает следующим образом.

В исходном состоянии генератор 7 импульсов заторможен, в регистрах блока 17 памяти кодов спектров эталонных веществ (химических элементов) зафиксированы коды спектров эталонных веществ, триггеры 9 и 10 обнулены, содержимое выходов остальных узлов - нулевое, а блок 23 регистрации обнулен (цепи установки анализатора спектра в исходное состояние на схеме не показаны).

По сигналу "Пуск", подаваемому в форме короткого импульса высокого потенциала на вход 8 запуска анализатора спектра излучений, триггеры 9 и 10 переводятся в единичное состояние, а регистр 16 оперативной памяти (памяти кодов спектров анализируемого вещества) обнуляется. Высоким потенциалом с единичного выхода триггера 9 открывается генератор 7 импульсов и на его входе генерируются эталонные по частоте, амплитуде и форме импульсы, а высоким потенциалом с единичного выхода триггера 10 включаются источники 2 питания лазера 1 и постоянного тока 5, а также открывается по вторым входам группа 15 элементов И. Источник постоянного тока 5 на своем выходе генерирует постоянный потенциал U_п=const, а на соответствующих выходах делителя напряжения 13 устанавливаются потенциалы U_i, дискретно от U_imin до U_imax. Каждым импульсом с выхода генератора импульсов 7 содержимое регистра 11 сдвигается в старший (следующий начинается с первого) разряд, а через ключи 21, с соответствующего i-го выхода делителя 13 напряжения, напряжение U_i дискретно по величине напряжения и во времени поступает на вход управления фотоприемника 6 на ПЗС, при этом экстремум спектральной чувствительности фотоприемника 6 на дискрету (от λ_i к λ_n+1) смещается вдоль оси длин волн λ, причем спектральная чувствительность фотоприемника 6 зависит от U_i, так что λ_i=f(U_i). С включением источника 2 включается лазер 1, инфракрасный луч значительной мощности которого через первую фокусирующую систему 3 облучает объект О анализа (анализируемое вещество). Под действием луча высокой энергии, с выхода лазера 1, вещество О излучает линейчатый (дискретный по частотам, по длинам волн) спектр в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях. На оптический вход фотоприемника 6 попадает полный спектр (λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_i, ..., λ_n) излучений вещества, а на выходе фотоприемника генерируется сигнал только при условии наличия в спектре излучения колебаний с длиной волны λ_i=f(U_i), т.е. только той длины волны, на селекцию которой фотоприемник 6 подготовлен по U_i. Таким образом, каждым импульсом по входу ключей 21 фотоприемником 6 сканируется линейчатый спектр излучений вещества пробоотбора. Но с каждым импульсом с выхода генератора 7 импульсов, через регистр 11 сдвига последовательно во времени по третьему входу открывается один из элементов И группы 15 и содержимое фотоприемника 6 - "0", при отсутствии излучения с данной длиной волны λ_i=f(U_i), или - "1", при наличии излучения с данной длиной волны λ_i=f(U_i), фиксируется в соответствующем триггере регистра 16 оперативной памяти, так что за полный цикл сканирования содержимое ("0" и/или "1") пробегает от младшего (первого) разряда регистра 11 до его старшего (n-го) разряда, последовательно открывая элементы И группы 15 и параллельно с этим изменяя чувствительность фотоприемника 6 на Δλ_i, т.е. он облучается всем, от инфракрасной до ультрафиолетовой области, спектром волн излучения анализируемого вещества, в регистре памяти 16 фиксируется код спектра объекта О. С установлением единичного потенциала на входе старшего (n-го) разряда регистра 11 сдвига триггер 10 обнуляется, нулевым потенциалом с единичного выхода триггера 10 обеспечивается выключение блока 2 питания и лазера 1, закрываются ключи 21 и закрывается группа 15 вторых элементов И, а высоким потенциалом с нулевого выхода триггера 10 первые входы элементов И группы 18 и элементы И группы 19 оказываются под высоким потенциалом, содержимое регистра 16 оперативной памяти через элементы И группы 18 поступает на первые входы устройства сравнения 20, что соответствует окончанию этапа сбора информации и подготовки к этапу ее анализа. Следующими импульсами с выхода генератора импульсов 7 высокий, единичный потенциал, повторно обегает (последовательно от младшего до старшего разряда проходит) регистр 11 сдвига, при этом высокий потенциал последовательно поступает на вторые входы одного из элементов И группы 19 и выходы соответствующего регистра блока 17 памяти кодов спектров эталонных веществ (химических элементов), через элементы И группы 19, соединяются со вторыми входами устройства сравнения 20. По результатам сравнения содержимого регистра 16 оперативной памяти (памяти кодов спектров анализируемого вещества), и каждого из регистров постоянной памяти, блока 17 памяти кодов спектров эталонных веществ (химических элементов), на выходе "равно" устройства сравнения 20 генерируется единичный потенциал в том и только том случае если в анализируемом спектре имеются излучения по всем длинам волн λ_i зафиксированным в данном эталонном спектре блока 17. По достижении «1»-ей старшего разряда в регистре 11 сдвига, при его повторном обегании, через формирователь 12 импульсов и элемент И 14, триггер 9 обнуляется, а генератор импульсов 7 стопорится. Процесс сбора информации и ее анализ окончены, в блоке регистрации 23 зафиксированы номера (имена) химических элементов, обнаруженных в объекте анализа О (в исследуемом веществе).

Предлагаемый анализатор спектра излучений реализуем на автономном питании, с ограниченными габаритно-весовыми параметрами и энергоемкостью, может быть выполнен в приемлемом конструктивном исполнении, транспортабельным. Его габаритно-весовые характеристики и энергоемкость снижены, а надежность в работе повышена, по сравнению с анализатором спектра, принятого за прототип. Он может быть использован в произвольных условиях эксплуатации, в т.ч. в технологических подразделениях производства электронной техники, в работе геологических и экологических экспедиций, он обеспечивает получение, в реальном масштабе времени, информации о содержимом, по химическим элементам, состава вещества.

Источники информации

Патент SU 1482378, G01J 3/42, б.37, 1992 г.

Патент RU 2007703, G01N 21/63, б.3, 1994 г.

Патент RU 2165611, G01N 21/63, б.11, 2001 г.

Изобретение относится к области спектроскопии. Анализатор содержит лазер с блоком питания, первую и вторую фокусирующие системы, фотоприемник на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и с управляемой по длине (λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_i, ..., λ_n) волны чувствительностью к излучению, генератор импульсов, первый и второй триггеры, кольцевой регистр сдвига, формирователь переднего фронта импульсов, первый элемент И, группы вторых и третьих элементов И, блок четвертых элементов И, группу пятых элементов И, регистр оперативной памяти, блок регистров памяти кодов элементов, устройство сравнения, блок регистрации, источник постоянного тока, делитель напряжения и группу ключей. Технический результат - упрощение эксплуатации при получении объективной в реальном масштабе времени информации о химических элементах в составе вещества. 1 ил.

Анализатор спектра излучений, содержащий лазер с блоком питания, оптически связанный через первую фокусирующую систему с объектом анализа, который через вторую оптическую систему связан с фотоприемником, генератор импульсов, первый и второй триггеры, соединенные единичными входами со входом запуска анализатора спектра излучений, единичный выход первого триггера соединен со входом управления генератора импульсов, кольцевой регистр сдвига, соединенный шиной сдвига с выходом генератора импульсов, формирователь переднего фронта импульсов, соединенный входом с выходом старшего разряда регистра сдвига, первый элемент И, соединенный первым входом с нулевым выходом второго триггера, вторым входом - с выходом формирователя переднего фронта импульсов, а выходом - с нулевым входом первого триггера, группу вторых элементов И, соединенных первыми входами с выходом фотоприемника, вторыми входами - с единичным выходом второго триггера, а третьими входами - поразрядно с выходами, кроме младшего и старшего разрядов, регистра сдвига, регистр оперативной памяти, соединенный входом обнуления со входом запуска анализатора спектра, а информационными входами - поразрядно с выходами вторых элементов И группы, блок регистров памяти кодов элементов, группу третьих элементов И, соединенных первыми входами с нулевым выходом второго триггера, а вторыми входами - поразрядно с выходами регистра оперативной памяти, блок групп четвертых элементов И, соединенных первыми входами с нулевым выходом второго триггера, вторыми входами - поразрядно с выходами регистра сдвига, а третьими входами - поразрядно с выходами соответствующего регистра блока регистров памяти кодов элементов, устройство сравнения, соединенное поразрядно первыми входами с выходами группы третьих элементов И, а вторыми входами - с выходами групп четвертых элементов И, группу пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом «равно» устройства сравнения, а вторыми входами -поразрядно с выходами, кроме младшего и старшего разрядов, регистра сдвига, и блок регистрации, соединенный входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и с управляемой по длине (λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_i, ..., λ_n) волны чувствительностью к излучению и введены источник постоянного тока, соединенный управляющим входом с единичным выходом второго триггера, делитель напряжения, соединенный входом с выходом источника постоянного тока и группа ключей, соединенных силовыми входами с одноименными выходами делителя напряжения, управляющими входами - поразрядно с выходами регистра сдвига, а выходом - с управляющим входом фотоприемника.