СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРА Российский патент 2009 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к спектральному анализу химического состава веществ, а именно к средствам формирования оптического спектра, и может быть использовано в устройствах атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного анализа, а также в других спектрофотометрических устройствах.

В настоящее время при производстве наиболее ответственных узлов и агрегатов в машиностроении особо актуальной является задача контроля качества используемых материалов, например сплавов, включающих большое количество исходных компонентов и определяющих свойства изготавливаемой детали. Для этого, проводят спектральный анализ химического состава сплава и делают заключение о возможности применения указанного материала для изготовления ответственной детали. Анализируемые вещества могут содержать десяток и более примесных элементов, влияющих на отдельные характеристики материала, например твердость, пластичность и т.п. Аналитические спектральные линии примесных элементов как правило расположены в диапазоне оптического спектра 170-900 нм. Поэтому желательно иметь спектрометр, охватывающий данный диапазон спектра. При этом, устройство должно быть малогабаритным, чтобы его легко можно было бы разместить в заводских лабораториях, лабораториях учебных учреждений и т.д.

Известен способ формирования оптического спектра, включающий пропускание входного светового пучка через входную щель, разделение прошедшего через щель света по длинам волн с помощью вогнутой дифракционной решетки и вывод интересующего участка спектра через выходное окно (см. Павлычева Н.К. «Спектральные приборы с неклассическими дифракционными решетками». Казань, издательство Государственного технического университета, 2003 г., стр.144-152). Прибор имеет фокусное расстояние 1000 мм, что является оптимальным для получения качественного спектра для атомно-эмиссионного анализа.

Основным недостатком известного способа является ограниченный спектральный диапазон, одновременно регистрируемый прибором и составляющий от 230 до 350 нм. Для расширения спектрального диапазона в полихроматоре ВЕГА (ДФС-458) применяются сменные дифракционные решетки, что позволяет расширить спектральный диапазон с 230 до 700 нм. Однако это не позволяет одновременно производить измерения во всем спектральном диапазоне без замены решеток.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ формирования оптического спектра, включающий пропускание входного светового пучка через входную щель, расположенную на круге Роуланда, разделение прошедшего через щель света по длинам волн с помощью первичной вогнутой дифракционной решетки, расположенной напротив входной щели на круге Роуланда, вывод интересующих участков спектра через выходные окна, расположенные напротив дифракционной решетки и установленные на поверхности круга Роуланда, а также направление сходящегося светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку и не подвергшегося разложению (нулевой порядок спектра) на мнимую входную щель, расположенную на круге Роуланда и направление прошедшего через нее света на дополнительную вогнутую дифракционную решетку, также установленную на круге Роуланда и формирующую дополнительный участок спектра в дополнительном окне, расположенном на поверхности круга Роуланда (см. журнал «Аналитика и контроль», 1999 г., №2, стр.44-49).

Известный способ, реализованный в атомно-эмиссионном спектрометре «CIROS» позволяет обеспечить достаточно широкий спектральный диапазон измерения при относительно небольших габаритных размерах. Спектрометр «CIROS», имеющий фокусное расстояние 750 мм, позволяет одновременно регистрировать диапазон 120-800 нм, состоящий из двух спектральных диапазонов, расположенных на одном круге Роуланда, за счет использования дополнительной дифракционной решетки.

Основным недостатком известного способа формирования оптического спектра являются, использование мнимой входной щели, дополнительно формируемой на круге Роуланда, направляющей свет на дополнительную дифракционную решетку, приводит к существенным потерям света, которые могут составлять более 50%, что также может сказываться на качестве проводимого спектрального анализа.

Технической задачей, решаемой данным изобретением является устранение указанного недостатка, а именно, создание новой оптической схемы, позволяющей получать компактные спектрометры с высоким качеством спектрального анализа в широком спектральном диапазоне.

Указанная техническая задача в способе формирования оптического спектра, включающем пропускание входного светового пучка через входную щель, разделение прошедшего через щель света по длинам волн с помощью первичной вогнутой дифракционной решетки, вывод интересующих участков спектра через выходное окно и направление светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку и не подвергшегося разложению на дополнительную вогнутую дифракционную решетку, формирующую дополнительный участок спектра в дополнительном выходном окне, решена тем, что дополнительную решетку устанавливают на пути сходящегося светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку по центру осевой линии сходящегося светового пучка между его первичной дифракционной решеткой и положением фокуса сходящегося пучка.

Благодаря указанному расположению дополнительной дифракционной решетки удается существенно сократить оптический путь сходящегося светового пучка и тем самым уменьшить габариты корпуса спектрометра при сохранении основных преимуществ прототипа.

Для исключения потерь сходящегося светового пучка, размеры рабочей поверхности дополнительной дифракционной решетки выбирают не менее поперечного размера сходящегося светового пучка.

Для обеспечения заданной точности и предполагаемых габаритных размеров оптической компоновочной схемы, параметры дополнительной дифракционной решетки рассчитывают, исходя из заданного диапазона спектра, величины допустимых оптических искажений спектральных линий, а также положения и размера дополнительного выходного окна.

Заявленный способ формирования оптического спектра позволяет существенно уменьшить габаритные размеры спектрометров при сохранении удовлетворительного качества спектральных линий в широком диапазоне оптического спектра с минимальной потерей интенсивности, что не имеет аналогов среди известных в настоящее время спектрометров, а следовательно, удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена оптическая схема полихроматора для реализации заявляемого способа, включающая: 1 - входная щель; 2 - первичная вогнутая дифракционная решетка; основное выходное окно 3, расположенное на круге Роуланда; 4 - точка фокуса сходящегося светового пучка, не подвергшегося разложению на первичной решетке; 5 - дополнительная дифракционная решетка; 6 - дополнительное выходное окно; 7 - корпус устройства.

Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Излучение, прошедшее входную щель 1, попадает на первичную вогнутую дифракционную решетку 2. Дифрагированный пучок света выходит через окно 3, расположенное на круге Роуланда, а не дифрагированный сходящийся пучок света с точкой фокуса 4, попадает на дополнительную вогнутую дифракционную решетку 5, расположенную на оси падающего входящего пучка света, и выходит через дополнительное выходное окно 6. Габаритные размеры корпуса 7 показывают на сколько удалось уменьшить габариты устройства за счет установки дополнительной дифракционной решетки между первичной дифракционной решеткой 2 и положением фокуса сходящегося пучка 4.

Пример. Для обследования геологических образцов был изготовлен макет устройства со следующими характеристиками.

Спектрометр имеет фокусное расстояние 1000 мм и позволяет одновременно регистрировать диапазоны спектра 200-400 нм и 400-900 нм. Основная дифракционная решетка имеет следующие характеристики: голографическая решетка, радиус кривизны дифракционной решетки 1000 мм, частота штрихов дифракционной решетки 3600 штр/мм.

Дополнительная дифракционная решетка имеет следующие характеристики: радиус кривизны дифракционной решетки 500 мм, частота штрихов дифракционной решетки 500 штр/мм. Дополнительная решетка устанавливается в нулевом порядке основной решетки на расстоянии 200 мм от вершины последней.

В качестве многоканального фотоприемника, установленного в основном и дополнительном выходных окнах, использовался анализатор МАЭС (Производитель ООО «ВМК-Оптоэлектроника». Сертификат об утверждении типа средств измерений №9760 от 19.04.2006 г.).

В результате получена спектральная информация со следующими характеристиками:

- в диапазоне 200-400 нм обратная линейная дисперсия составляет 0,26 нм/мм,

- в диапазоне 400-900 нм обратная линейная дисперсия составляет 8,75 нм/мм.

На опытном образце спектрометра удалось одновременно получить в исследуемых геологических пробах информацию о таких примесях, как железо, медь, кремний, вольфрам, никель, цинк, свинец, олово, молибден, хром, сурьма, и т.п, требующих высокое разрешение спектра в диапазоне 200-350 нм в связи с очень плотным расположением мешающих спектральных линий основы, и информацию об атомах щелочных и щелочно-земельных металлов, таких как литий, натрий, калий, рубидий, цезий, барий, кальций, характеристические линии которых расположены в области 400-900 нм, являются настолько сильными, что не чувствуют влияния слабых мешающих линий основы и других атомов, поэтому не требуют высокого спектрального разрешения.

Благодаря использованию дополнительной дифракционной решетки удалось достичь идентичности спектральной информации в обоих диапазонах спектра, при этом энергии светового потока в нулевом порядке основной решетки достаточно для анализа примесей щелочных металлов.

Изобретение относится к спектральному анализу химического состава веществ, а именно к средствам формирования оптического спектра, и может быть использовано в устройствах атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного анализа, а также в других спектрофотометрических устройствах. Способ включает пропускание входного светового пучка через входную щель, разделение прошедшего через щель света по длинам волн с помощью первичной вогнутой дифракционной решетки, вывод интересующих участков спектра через выходные окна и направление светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку и не подвергшегося разложению на дополнительную вогнутую дифракционную решетку. Дополнительную решетку устанавливают на пути сходящегося светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку на оси сходящегося светового пучка между первичной дифракционной решеткой и положением фокуса сходящегося пучка. Технический результат - создание новой оптической схемы, позволяющей получать компактные спектрометры с высоким качеством спектрального анализа в широком спектральном диапазоне. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования оптического спектра, включающий пропускание входного светового пучка через входную щель, разделение прошедшего через щель света по длинам волн с помощью первичной вогнутой дифракционной решетки, вывод интересующих участков спектра через выходные окна и направление светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку и не подвергшегося разложению на дополнительную вогнутую дифракционную решетку, формирующую дополнительный участок спектра в дополнительном окне, отличающийся тем, что дополнительную решетку устанавливают на пути сходящегося светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку на оси сходящегося светового пучка между первичной дифракционной решеткой и положением фокуса сходящегося пучка.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры рабочей поверхности дополнительной дифракционной решетки выбирают не менее поперечного размера сходящегося светового пучка.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры дополнительной дифракционной решетки рассчитывают, исходя из заданного диапазона спектра, величины допустимых оптических искажений спектральных линий, положения и размера дополнительного выходного окна.