Способ получения спектров комбинационного рассеяния света и спектрометр для их регистрации Советский патент 1986 года по МПК G01J3/44 

1

Изобретение относится к приклад ной оптике и может быть использовано в спектроскопии для измерения положения, формы и интенсивности спектральных линий.

Известны способы и устройства дпя получения спектров комбинационного рассеяния света (КРС), в которых используется щелевое сканирование оптического.спектра с послдующим преобразованием в электрический сигнал.

Недостаткбй данного способа является ограничение сверху скорости прохождения участка спектра инерционностью механических систем развертки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату являются способ получения спектров комбинационного рассеяния света, включающий возбуждение комбинационного рассеяния в образце, формирование спектрального распределения рассеянного света в фокальной плоскости спектрографа, преобразование этого распределения в электрические импульсы, соответствующие отдельным разрешаемым спектральным участкам, цифровую обработку электрических импульсов, а также спектрометр для регистрации спектров комбинационного рассеяния света, содержащий последовательно оптически связанны HCT04HjjK возбуждающего излучения осветитель с исследуемым образцом, спектрограф, преобразователь спектрального распределения, получаемого в фокальной плоскости спектрографа, в электрические импульсы, а также усилитель, многоканальный цифровой накопитель (ЩН) и устройство отображения информации.

Недостатками этих способа и устройства являются низкое значение отнощения сигнал/шум, плохое временное разрешение и низкий уровень автоматизации регистрации.

Временное разрещение способа получения спектров КРС и спектрометра ограничивается инерционностью механических систем разворота ди- фрак1Ц1онньгх решеток, а потеря времени на их возврат в исходное состояние ухудшает отношение сигнал/шу (С/Ш) спектров КРС. Так, в рассматриваемом спектрометре скорость

9г

записи спектра составляет- I с, а потери времени на возврат решеток в исходное состояние 30-40% времени полного рабочего цикла.

Ухудшение отношения С/Ш происходит также и потому, что размеры приемной площадки используемых приемников оптического излучения, как правило, существенно превьш1ают площадь изображения спектральной линии (площади щели). В связи с этим уровень шумов определяется всей приемной площадью приемника /для современных ФЭУ он составляет

,nnn фотоэлектронов v приблизительно 1000 г/,

тогда как полезный сигнал формиру- , ется только с малой части приемника, соответствующей площади щели.

Заметные неудобства данного способа проявляются и при задачах автоматизации процесса получения и обработки спектров КРС с помощью ЭВМ. В этом случае сказываются трудности управления от ЭВМ механическими узлами, особенно при высоких скоростях сканирования.

Целью изобретения является увеличение отношения сигнал/щум, временного разрешения и повьшение уровня автоматизации процесса регистрации.

Это достигается тем, что согласно способу получения спектров комбинационного рассеяния света, включающему возбуждение комбинационного рассеяния в образце, формирование спектрального распределения рассеянного света в фокальной плос-кости спектрографа, преобразование этого распределения в электрические импульсы, соответствующие отдельным разрешаемым спектральным участкам, цифровую обработку электрических импульсов, спектральное распределение исследуемого диапазона преобразуют в электронное изображение, осуществляют щелевое сканирование этого изображения в направлении дис

Персии - для каждого разрешаемого

элемента электронного изображения формируют электрические импульсы, преобразуемые далее в импульсы экспоненциальной формы с длительностью, 55 равной суммарному времени обработки сигналов от нескольких соседних разрешаемых элементов электронного изображения.

в спектрометре для регистрации спектров комбинационного рассеяния света, содержащем последовательно оптически связанные источник возбуждающего излучения, осветитель с исследуемым образцом, спектрограф, преобразователь спектрального распределения, получаемого в фокальной плоскости спектрографа, в электрические импульсы, а также усилитель, многоканальный цифровой накопитель (МЦН) и устройство отображения информации, в качестве преобразователя спектрального распределения в электрические импульсы использован щелевой диссектор, фотокатод которого расположен в фокальной плоскости спектрографа, в спектрометр введены второй усилитель и формирователь экспоненциальных импульсов, вход которого через первый усилитель соединен с выходом диссектора, а выход соединен с входом МЦН, выход регистра адреса МЦН соединен через второй усилитель с отклоняющими пластинами диссектора.

На фиг. 1 представлена блок-схема спектрометра для регистрации КРС; на фиг. 2 и 3 - процесс сглаживания спектра формирователем экспоненциальных импульсов, на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу спектрометра.

Спектрометр для регистрации КРС содержит лазерный источник 1 возбуждения КРС в образце 2, спектраль ный прибор 3 - спектрограф для раз ложения спектра по шкале частот. Щелевой диссектор 4 помещен в фокальной плоскости спектрографа так что его щель параллельна спектральным линиям, а направление сканирования совпадает со шкалой частот. Диссектор 4 предназначен для сканирования оптического спектра и преобразования распределения зетового потока по поверхности фотокатода в электрический сигнал.

Вьрсод щелевого диссектора 4 соединен с входом импульсного усилителя 5 сигнала, который запускает формирователь 6, соединенный с МЦН 1, горизонтальные пластины осциллографа 8 и отклоняющие пластины диссектора соединены с выходами усилителя 9 напряжения развертки, управляющего перемещениями

215009

луча осцитшографа и электронного изображения в диссекторе. Вход блока 9 соединен с выходом X ЩИ 7, который осуществляет поканальную

5 обработку сигналов, поступающих с усилителя 5 через формирователь экспоненциальных импульсов на вход Y МЦН. К выходам X и У МЦН подключены также средства отображения и

10 контроля информации - самопишущий потенциометр 10 и осциллограф 8.

В случае применения импульсных источников возбуждения КРС в приборе предусмотрена возможность стро)5 бкрования приемно-усилительного

тракта. В этом режиме работы достигается уменьшение регистрируемых диссектора в Q раз, где Q - скважность лазерных импульсов.

2Q Стробирование осуществляется блоком 1, представляющим собой двух - входовой логический элемент 2И-НЕ. На один из его входов подается 1, синхронная с лазерным импульсом,

25 а на другой - усиленные блоком 5 одноэлектронные импульсы с диссектора.

Спектрометр для регистрации КРС работает следующим образом.

Источник возбуждения КРС - оптический квантовый генератор (ОКГ) 1 облучает исследуемый образец 2. Рассеянное в образце излучение поступает на вход спектрографа 3, в фокальной плоскости которого образуется спектр, характерный для данного образца, т.е. набор излучений разных частот и интенсив- ностей. Щелевой диссектор 4 преобразует оптический спектр, спроектированный на его фотокатод, в электрический сигнал, соответствующий распределению потока излучения в спектре. Интенсивность спектров КРС обычно невелика, так что выходной сигнал с диссектора представляет собой импульсы тока, соответствующие отдельным фотоэлектронам. Указанные импульсы усиливаются усилителем 5 до некоторой

50 амплитуды Uj и запускают формирователь 6j преобразующий каждый одно электронный и iпyльc с диссектора в экспоненциальный импульс Uj, по длительности соответству55 ющий времени обработки в нескольких соседних каналах МЦН 7.

Назначение и работа формирователя поясняются фиг. 2 и 3, на

30

35

40

45

5

которых изображены участки одного и того же условного спектра: пунктир - истинное распределение интенсивности, вертикальные линии - число отсчетов (одноэлектрон- ных импульсов) в ряде соседних каналах МЦН. Известно, что фото- электронньш эффект, лежащий в основе работы фотокатодов, является квантовым процессом, подчиняющимся статистике Пуассона. Это означает, что число фотоэлектронов N1 регистрируется с относительной точностью т.е. с отношением сигнал/шум D; -{мТ. Этот случай показан на фиг. 2 и 3 - процесс сглаживания информации по соседним К каналам МЦН. Очевидно, во втором случае достигается выигрыш в отношении сигнал/шум, так как

-, .

ZL N; iN7.

Vi.ra Величина К ограничивается сверху шириной регистрируемого 1 онтура, выраженной соответствующим числом ка- налов, и в каждом конкретном случае имеет оптимальное значение. Пратически операция сглаживания выполняется в реальном времени раз- мазьшанием одноэлектронных импульсов по нескольким соседним каналам МЦН. Эту функцию вьтолняет формирователь 6 экспоненциальных импульсов. Он представляет собой последовательно включенные ждущий мультивибратор (запускаемьй усиленными одноэлектронными импульсами) и интегрирующую цепочку с постоянной времени , равной времени прохожде9 6

ния k каналов МЦН. Длительность импульса мультивибратора , поэтому каждый последующий экспоненциальный импульс может быть сформи- рован, не дожидаясь окончания предыдущего (фиг. 3 . Тем уменьшается мертвое время формирователя, т.е. увеличивается динамический диапазон скорости счета при заданной длительности ь размазывающего (экспоненциального) импульса.

Развертка спектра в направлении дисперсии осуществляется путем подачи управляющего напряжения на отклоняющие пластины диссектора 4. Это напряжение пилообразной формы поступает из блока 9 развертки, который усиливает напряжение развертки, задаваемое МЦН 7. Тем саMbD-i осуществляется автоматическая . синхронизация развертки X МЦН и шкалы частот исследуемого спектра. Окончательный спектр вьшодится из памяти МЦН на самопишущий потенциоме тр 10, а также контролируется на экране осциллографа 8.

В данном спектрометре КРС временное разрешение, т.е. время сканирования каждого спектра- 20 мс, что в 25-100 раз вьше такового для известных спектрометров, и ограничивается в данном случае лишь имеющимся в МЦН набором скоростей.

Уровень шума щелевого диссектора

составляет приблизительно 5-15 имп/с что в 5-50 раз меньше шумов фотоумножителей, применяемых для регистрации КРС.

u

&

/

pye.J

Si-VfTi

фиг. 2

2

1. Способ получения спектров комбинационного рассеяния света, включающий возбуждение комбинационного рассеяния в образце, формирование спектрального распределения рассеяного света в фокальной плоскости спектрографа, преобразование этого распределений в электрические импульсы, соответствующие отдельным разрешаемым спектральным участком, цифровую обработку электрических импульсов, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум, временного разрещения и повьшения уровня автоматизации процесса регистрации, спектральное -распределение исследуемого диапазона преобразуют в электронное изображение, осуществляют щелевое сканирование этого изображения в направлении дисперсии - для каждого разрещаемо- го элемента электронного изображения формируют электрические импульсы, преобразуемые далее в импульсы экспоненциальной формы с длительностью, равной суммарному времени обработки сигналов от нескольких соседних разрешаемых элементов электронного изображения. 2. Спектрометр для регистрации спектров комбинационного рассеяния света, содержащий последовательно оптически связанные источник возбуждающего излучения, осветитель с исследуемым образцом, спектрограф, преобразователь спектрального распределения, получаемого в фокальной плоскости спектрографа, в электрические импульсы, а также усилитель, многоканальный цифровой накопитель ( ЩН) и устройство отображения информации, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум, временного разрешения и повьшения уровня автоматизации регистрации, в качестве преобразователя спектрального распределения в электрические импульсы использован щелевой диссектор, фотокатод которого расположен в фокальной плоскости спектрографа, в спектрометр введены второй усилитель и формирователь экспоненциальных импульсов, вход которого через первый усилитель соединен с выходом диссектора, а выход соединен с входом МЦН, выход регистра адреса .ЩН соединен через второй усилитель с отклоняющими пластинами диссектора. с S 1(Л ел о о со

11111П1ПИМ1111И11МИ1{П1(М11ПИ1 ИМ1111111М111111111

Каналы fiЦH(оцифровка и)

Фиг.

Составитель В.Алехнович Редактор Н.Швыдкая Техред М.Гергель

Заказ 900/51 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ГОШ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор А.Зимокосов