Двойной дифракционный монохроматор Советский патент 1984 года по МПК G01J3/18 

« Изобретение относится к области спектрального приборостроения, а точ нее - к дифракционным монохроматорам предназначенным для использования в лабораторных условиях для проведения разли ных спектроскопических исследо ваний, требующих высокой разрешающей способности или увеличенной светосилы при низком уровне рассеянного излучения. Известны монохроматоры, работающи в первом порядке спектра при умеренных угловых дисперсиях L1:. Это не позволяет существенно повысить разре шающую способность или при заданной разрешающей способности - увеличить светосилу монохроматора. Для повьш1ения разрешающей способности необходимо применить высшие порядки спектр но в известных монохроматорах исполь зованию высших порядков спектра препятствует сужение свободного спектрального диапазона, что в свою очередь сужает диапазон спектра, исследование которого возможно при помощи зтого монохроматора. Как известно свободный от перекрытия другими порядками спектральный диапазон опреде ляется формулой ДЛ-Л4/« где Д.Л.- свободный спектральный диапазон;Д./1 - нижняя граница спектральног диапазона; К - порядок спектра. Отсюда видно, что чем порядо спектра, тем уже свободный спектраль ный диапазон. Для уменьшения влияния указанного недостатка теоретически возможно при менитьфильтры для отрезания ненужных спектральных порядков, но практи чески применение этих фильтров весьм ограничено, особенно в области ВУФ излучения, Известные монохроматоры обладают также относительно невысокой светоси лой, обусловленной тем, что в конструкции монохроматоров имеется большое количество отражающих поверхностей. Особенно ощутим этот недостаток в области ВУФ излучения, где коэффициент отражения обычно не превьштает 0,5 (в диапазоне видимого света коэффициент отражения достигает 0,85). - Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 111 двойной дифракционный монохроматор, содержащий две вогнутые дифракционные решетки, входную, промежуточную и выходную щели и сканирующее устройство, содержащее механизм поворота решетки с двигателем и связанной с ним передачей для вращения решетки, в котором оси поворота решеток разнесены в пространстве, а синхронизация поворота решеток осуществляется механически при помощи рычажного механизма С20. Поскольку обе половины монохроматора работают в первом спектральном порядке и имеют одинаковые параметры оптической схемы, то при сканировании спектра обе решетки поворачивают на одинаковые углы, что значительно упрощает конструкцию сканирующего механизма и позволяет выполнить его механическим. Указанный монохроматор положительно отличается от других аналогичных решений тем, что в результате применения вогнутых решеток в нем сведено до минимума количество отражающих поверхностей, что позволяет получить лучшую светосилу. Однако из-за того, чт.о он работает также только в первом спектральном порядке, ему присущи все вытекающие из этого недостатки, описанные вьше: низкая разрешакщая способность или при заданной разреша™ ющей способности - низкая светосила. Также ограничен рабочий спектральный диапазон монохроматора из-за уменьшения эффективности решетки при удале НИИ угла падения луча от значения, соответствующего положению решетки, где имеется максимальная концентрация энергии излучения в первом порядке спектра. Применение рычажного синхронизирующего механизма усложняет конструкцию, прибора; возможные люфты и -большие трудности при устранении вредного влияния температурных и вибрационных воздействий отрицательно влияют на надежность и на точностные характеристики монохроматора. Цель изобретения - повьш1ение разрешающей способности (или светосилы) при заданной разрешающей сттособности) и точности двойного монохроматора с одновременным расширением рабочего спектрального диапазона. Для достижения указанной цели в двойном дифракционном монохроматоре, содержащем оптически связанные входную,щель, дифракционную решетку. 31 промежуточную щель, вторую дифракционную решетку, выходную щель и ска нирующее устройство, содержащее механизм поворота решетки с двигателем и связанной с ним передачей для вращ ния решетки, дифракционные решетки у тановлены под углами падения связанными уравнением Q- kSin t-aiM iM , (SiHoCf«-s;v).tM IKIIK I «-I где ftj - постоянные решеток; ot и d-i - углы падения лучей на соответст1вующие ре ветки Й2 - углы дифракции лучей от соответствующих решеток; k - спектральный порядок, используемый в одной из половин монохроматора. а сканир5гнщее устройство дополнитель но содержит механизм соответствуницег поворота второй решетки, причем оба механизма поворота решеток снабжены датчиком положения решетки, и блок управления, содержащий программатор, компараторы и контроллеры двигателей механизмов поворота, причем выходы программатора подключены к первым . входам компараторов, вторые входы которых соединены с выходами датчи- ков положения решеток, а выходы компараторов подключены к входам контроллеров двигателей механизмов поворота, выходы которых связаны с управ ляющими входами двигателей. При такой конструкции двойного монохроматора повышение разрешающей способности достигается за счет применения высших спектральных порядков а одновременное расширение рабочего спектрального диапазона при, этом обеспечивается применением нескольки пар спектральных порядков в половинах монохроматора, причем каждая такая пара обеспечивает работу монохро матора в своем специфическом участке спектра, определяемом углом блеск решетки и аберрациями оптической системы. Суммарная ширина таких смеж ных участков превьш1ает рабочий спект ральный диапазон монохроматора, рабо тающего только в первых порядках спектра. Повьшение точности достигается за счет применения в сканирующем устройстве двух механизмов поворота 114 решеток, снабженных датчиками положения решетки, и блока управления, содержащего программатор, компарато ры и контроллеры двигателей механизмов поворота решеток. Сканирующее устройство такой конструкции обеспечивает более высокую точность согласования угловых положений решеток, благодаря отсутствию рычажного синхронизирующего механизма с длинным (780 мм) стержнем (которь является источником температурных и вибрационных ошибок, влияющих на надежность и точность монохроматора), а также за счет скомпенсирования системаtHческих кинематических погрешностей механических передач путем автоматического расчета и задавания уточненных углов поворота по внесенным в память программатора поправочным данным (определяемых экспериментально при калибровании). Учитывание калибровочных данжпс позволяет также автоматически вычислить для индикации истинную длину волны с более высокой точностью. На фиг. 1 изображена принципиальная схема монохроматора; на фиг.2 оптическая часть монохроматора с прохождением через него лучей, поясняющая содержащиеся в описании математические уравнения; на фиг. 3 графики, пояснякщие выбор комбинаций спектральных порядков в зависимости от требуемого поддиапазона спектра. Двойной дифракционный монохроматор состоит из ог тической части 1 и сканирующего устройства 2. В состав первого входят входная щель 3/ первая вогнутая дифрак1|ионная решетка 4, про межуточная щель 5, вторая вогнутая диф ракционная решетка 6, и выходная щель 7. В состав сканирующего устройства 2 входят два механизма 8 поворота решеток и блок 9 управления. Каждый механизм 8 поворота включает двигатель 10 с редуктором 11, винтовой механизм 12, синусный механизм 13 и датчик 14 положения решетки. Винтовой механизм 12 связан с выходным валом редуктора 11, а к гайке винтового механизма 12 жестко прикреплен толкатель синусного механизма 13. К рычагу синусного механизма 13 прикреплена дифракционная решетка 4 (или 6), причем ось поворота рычага проходит через центр решетки и паралS1лельна к ее штрихам. Датчик 14 положения решетки в конкретном варианте выполнения установлен на валу винтового механизма 12. Блок 9 управления содержит програ матор 15, предназначенный для выработки сигналов для управления решетками 4 и 6, учитывая зависимость (2), компараторы 16 и 17, контроллеры 18 и 19 для управления двигателями 10. Выходы программатора 15 подключены к первым входам 20 и 21 компараторов 16 и 17, вторые входы 22 и 23 которых соединены с выходами датчиков 14 положения решеток 4 и 6. Выходы компараторов 16 и 17 соединены с входами контроллеров 18 и 19, выходы которых подключены к двигателям 10. В конкретном варианте реализации предусмотрено, что программатор 15 содержит память, необходимую для вве дения функции (1) и некоторых других факторов, и операционн блок, необходимый для вьфаботки выходных сигналов для компараторов 16 и 17. Предложенный двойной дифракционный монохроматор работает следующим образом. , Сперва проводят установку необходимого начального положения решеток 4 и 6 (углы oi и ) в зависимости от исследуемого излучения, В память программатора 15 занесена программа работы монохроматора, которая учитывает последовательность дискретных значений длин волн с временной диаграммой сканирования, скорость непрерывного сканирования, диапазон и порядок сканирования, спектральные порядки решеток и т.д. Переключением програ14матора на диапазон исследуемо го излучения; программатор 15 выраба тывает сигналы, определяющие углы падения oCj (сигналы пропорциональ ные им) решеток 4 и 6. Эти сигналы подаются на входы 20 и 21 компараторов 16 и 17. На другие входы 22 и 23 этих элементов попадают сигналы указывакяцие реальные положения решеток 4 и 6. Компараторы 16 и 17 вырабатывают сигналы, необходимые для вращения решеток 4 и 6 до достиже- ния углами ei и ott нужных величин; эти сигналы усиливаются контроллераьш 18 и 19 и подаются на двигатели 10, которые вращаясь, изменяют угловое положение решеток 4 и 6. В результате этого изменяется сигнал и на вы11ходе датчиков 14 и когда сигналы на обоих входах компараторов 16 и 17 равны, вращение решеток 4 и 6 прекращается, т.е. они установлены под нужные углы падения лучей оС«и . Выбор комбинаций спектральных порядков, необходимых для налаживания програ1 4ы в памяти прогршчматора 15, поясняется ha фкг. 3, где дана диа грамма зависимости меязду углом поворота решёток и длиной болны излучения в зависимости от порядка спектра. . На этой фигуре применены следующие обозначения: Д. - длина волны излучения; cf;, я di - углы поворота дифракционных решеток от положения, соответствующего нулевому, порядку спектра; и ) - углы поворота соответствующих решеток при выполнении УСЛОВИЯ блеска, . при положении максимальной концентращш выходного излучения; А г - спектральные порядки решеток; Л Дг-Н - границы поддиапазонов длины волны для различных пар спектральных порядков. Из фиг. 3 видно, что весь рабочий спектральньЕй диапазон (Л... л) хожет быть разбит на поддиапазоны, в каждом из которых используется одна пара спектральных порядков 1/ и удовлетворяющих требованию , 1,1, и для которых при сканировании по длинам волн, углы поворота решеток 4 и 6 остаются вблизи значений и , определякидапс условие блеска. Например, если исследуемое излучение Л находится в диапазоне АЧ -Х , целесообразно работать в спектральных порядках 2 и 3. После установки начального положения монохроматор готов к работе. Излучение входит в монохроматор через входную щель 3 и падает на первую вогнутую дифракционную решетку 4, от которого дифрагированное в спект- ; ральном порядке ti излучение сфокусируется в меридиональном сечении на промежуточной щели 5. Прошедшее через щель 5 излучение падает на вторую вогнутую дифракционную решетку 6, от которого дифракционное в спект71ральном порядке Kj излучение сфоку сируется в меридиональном сечении на выходной щели 7. Прошедшее через щель 7 монохроматическое излучение выходит из монохроматора.. Сканирование по длинам воля прО исходит путем согласованного поворота решеток 4 и 6 вокруг осей, параллельных к штрихам решеток 4 и 6 и проходящих через центры соответству(шцих решеток 4 и 6, Необходимый для управления двигателями 10 сигнал в ходе сканирования вырабатывается . в блоке 9 управления: программатор 15 на основе программы аложенной в его памяти и в основном реализунщей уравнение (2), вырабатьшает раз ные для решеток 4 и 6 (посколь ку рещетки работают в различных спек ральннх порядках) законы измёкения угла поворота во времени для того, чтобы обеспечить постоянное отношение угловых скоростей решеток 4-и 6, равное I К,(1 / IKil или поскольку .1 Ktl . sl.K/l +М , то это отношение следующее: /( ). При этом программа в программаторе 15 учитывать и дополнительные факторы, например, поправки в угловы положениях решеток согласно внесенным заранее в память программатора 1 калибровочньм полиномам для компенсации систематических кинематических погрешностей механизмов 8 поворота решеток и т.п. Вьфаботанные программатором 15 необходимые текущие значения углов поворота решеток 4 и 6 подаются на первые входы 20 и 21 компараторов 1о и 17, на другие входы 22 и 23 которы поступают сигналы от датчиков 14 положения решеток 4 и 6. Компараторы 16 и 17 сравнивают заданные программатором 15 величины углов поворота решеток 4 и 6 с их действительными значениями по датчикам 14 и вьщают сигналы ошибки на контроллеры 18 и 1 которые осуществляют отработку рассогласования положения решеток 4-и 6 соответствующим преобразованием (уси лением, расщеплением по фазе и т.п..) сигналов компараторов 16 и 17. Вслед ствие этого двигатели 10 через редук торы 11, винтовые механизмы 12 и синусные механизмы 13 приводят во вращение решетки 4 и 6. Вращение решеток 4 и 6 прекращается, если сигналы на обоих входах .компараторов 17 и 18 становятся равными. 118 Следует отметить, что данный выше пример конкретного выполнения не является ограничивакяцим в отношений типа двойного монохроматора. Предложенньй принцип построения двойного дифракционного монохроматора и разработанная система управления им применимы также к двойным монохроматорам с двумя плоскими дифракционными решетками с соответствующей фокусирующей оптикой (например, с применением оптических схем Черни-Турнера, Эберта-Фасти и т .п.), В случае применения их усложняется оптическая часть монохроматора за счет включения в схему дополнительных отражающих поверхностей, но зависимость между углами поворота решеток и длины волны излучения в зависимости от выбранных порядков спектра идентична описанной, и блок управления не имеет (в Схемном отношении) никаких отличий от заявленного. I Технико-экономический эффект от применения предлагаемого монохромато ра заключается в существенном повышении качества изучения спектров. Во-первых, это выражается в повышении разрешающей способности и уширенйи рабочего спектрального диапазона. Это достигается за счет увеличения угловой дисперсии путем исполь зования высших спектральных порядков, причем в разных половинах монохроматора используются разные порядки спектра и К. Выбором спектральных порядков таким образом, что разница абсолютных значений их равняется единице, достигается, что свободный от перекрытия другими порядками спектральный диапазон , т.е. равен свободному диапазону монохроматора, работающего в первом порядке спектра ,(так как выбранные подобным образом спектральные порядки для разнызс половин монохроматора не имеют общего делителя кроме единицы). Например, двойной монохроматор, работающий в спектральных порядках до пятого и шестого (в соответствующих половинах монохроматора), имеет при системе сложения дисперсий угловую дисперсию до 11 раз вьш1е, чем у прототипа. Это позволяет существенно повысить разрешающую способность (или светосилу при заданной разрешающей способности) особенно в коротковолновой области спектра. По данным лабораторных испытаний и математического моделирования хода лучей разрешающая способнос Предлагаемого монохроматора на порядок выше,чем у прототипа. BnaroAajjjr применению в монохроматоре нескольких пар спектральных порядков общий рабочий спектральный диапазон несколько шире чем у прототипа. Во-вторых, электронное управление сканирующим устройством обеспечивает высокую точность сканирования. Поскольку в заявленном монохроматоре решетки в ходе сканирования должны поворачиваться по различным законам, применение механической системы управления практически невозможно, особенно учитывая, что законы поворота решеток необходимо оперативно изменять. Теоретически конечно возможно создание подобной механической системы управления, но она громоздка неточна и практически неприменима. Повьшенная точность сканирования заключается в уменьшении ошибки согласования угловых положений решеток и в повьш1ении точности отсчета длины волны излучения, проходящего через монохроматор. | В монохроматорах с механической си хронизацией решеток (как в прототипе ошибка синхронизации обычно составля ет 0,1 ... 0,5 нм (в единицах длин волн),. Если учесть, что реально изме ренная воспроизводимость положения р шетки находится на уровне 0,01 нм и обычно наблюдается монотонный характер изменения систематической погрешности отсчета длины волны, то заданием в память программатора калибровочных ПОЛИНОМОВвторой степени или данных для интерполяции между заданными точками, обеспечивается точность согласования угловых положений решеток (а также точность индикации истинной длины волны) на уровне 0,01 .., 0,03 нм. Таким образом, точность предлагаемого монохроматора примерно на порядок вьшхе, чем у известных приборов. Ошибка согласования угловых положений решеток скомпенсируется в двойных монохроматорах расширением промежуточной щели (в монохроматорах со сложением дисперсий) или выходной щели (в монохроматорах с вычитанием дисперсий), что приводит к повьшению уровня паразитного излучения,выходящего из монохроматора. и обуславливает тем самым ухудшение отношения сигналшум при спектроскопических, измерениях Таким образом, повьшение точности сканирования в заявленном монохроматоре позволяет применять более узкую промежуточную (или выходную) щель и следовательно повысить качество спектроскопических измерений (из-за уменьшения количества паразитного излучения).

Фиг2

t h h % h

IMWICMWN

Л/

Ф1Л.9

ДВОЙНОЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ МОНОХРОМАТОР, содержащий оптически свя занные входнуК) щель, дифракционнук) решетку, промежуточную щель, вторую дифракционную решетку, выходную цель . и сканирующее устройство, содержащее механизм поворота рещетки с двигате- i лем и связанной с ним передачей для вращения решетки, отличающий с я тем, что, с цепью повышения разг решающей способности с одновременным .расширением рабочего спектрального диапазона и пов1Е«1ения точности прибора, .дифракционные решетки установ-. лены под углами.падения, связанньми уравнением , g4l ;SfhOti -Sinu )l ikSth(t S frayi Тк1 где (э% и - постоянные решеток; Ct и oLj - углы падения лучей на соответствующие решетки; А и 2 углы дифракции лучей от соответствующих решеток; k - спектральньА порядок, используемый в одной , из половин монохроматора, а сканирующее устройство дополнитель но содержит механизм соответствующего поворота второй решетки, причем оба механизма поворота решеток снабжены датчиком положения решетки, и блок управления, содержащий программатор, кся4параторы и контроллеры : двигателей механизмов поворота, причем выходы программатора подключены к nepBi f входам компараторов, вторые входы которых соединены с выходами 1 датчиков положения решеток, а выходы компараторов подключены к входам конт роллеров двигателей (механизмов пово J рота, выходы которых связаны с управ ляющими входами двигателей.