Способ спектрометрии Советский патент 1987 года по МПК G01J3/28 

Изобретение относится к оптическому спектральному анализу и может быть использовано при создании спектрометров для исследования различных источников, излучающих в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.

Целью изобретения является повышение точности измерений спектральной интенсивности и расширение динамического диапазона измерений.

На фиг. 1 представлена схема,поясняющая принцип осуществления способа спектрометрии; на фиг„ 2 - график зависимости сигнала на выходе одной из двух секций электронных зеркал от наименьшего из задерживающих потенциалов U при регистрации отдельной спектральной линии на фиг.З график зависимости сигнала на выходе двух секций электронных зеркал от наименьшего из задерживающих потенциалов и при регистрации отдельной спектральной линии.

Порядок осуществления предлагаемого способа заключается в следующем.

Анализируемое излучение пропускают через рабочий газ, находящийся внутри двух секций параллельных пар электронных зеркал, к которому приложено магнитное поле Н с составляющей, перпендикулярной направлению

распространения излучения.

I

К системе двух секций I, II прикладывают регулируемые потенциалы. Каждая секция состоит из пары электронных зеркал 1 и 2 и 3 и 4 расположенных взаимно параллельно. При этом на задерживающие электроды 1а, 2а электронных зеркал секции I подают регулируемые потенциалы Uj и U (1 + )U| соответственно, где | - величина, равная относительной разрешающей способности, ее значение выбирается из конкретно поставленной задачи.

На задерживающие электроды За,4а секции II подают регулируемые потенциалы из(1 + ри, и U4 (1+2)U . На экранирующие электроды 16-чб всех электронных зеркал подают нулевой потенциал.

В результате ионизации атомов А рабочего газа под действием анализируемого излучения образуются электроны Э. Энергия электронов Е свя- зсна с энергией квантов hV исследуе мого излучения, как Е . Vi V - ,

где Efg - энергия связи электрона в автоме рабочего газа. Группу электронов с энергией Е, образующихся при ионизации атомов рабочего газа монохроматическим излучением, будем называть электронной линией с энергией Е.

Под действием магнитного поля Н электроны диффундируют по направлению к электронным зеркалам.

Электроны Э, для которых выполi eU

няется соотношение 1о( L arccos , | Ь

5 (где о( - угол между вектором V скорости электрона и направлением магнитного поля Н, е - заряд электрона, и - потенциал одного из задерживающих электродов электронных зеркал), проходят через соответствующее электронное зеркало. Электроны, прошедшие через электронные зеркала, детектируют с помощью детекторов 5-8, установленных за электронными зер5 калами.

Разность А сигналов, формируемых детекторами 5 и 6 секции I и детекторами 7 и 8 секции II, составит, соответственно

0

.1,

А.

C.I /jXj

с-1- лх

(1) (2)

где

дх.

0, при Е и,

Е при

1-

u.i

Е, (3)

40

in

при О и О, при Е f

UjO1-.

при

1Т| и, при о и

з

Е (4)

1+Г

Зависимость d IT

И41

ОТ и. при0

5

ведена на фиг. 2.

Таким образом, при регистрации линейчатого спектра сигнал на выходе секции параллельной пары электронных зеркал представляет собой суперпозо- цию ступенек с резко растущим передним фронтом и медленно спадающим задним фронтом. Каждая из ступенек обусловлена определенной энергетической группой фотоэлектронов. Нача3135404

ло ступеньки характеризует энергию Е этой группы, т.е. частоту соответствующей ей спектральной линии исследуемого излучения, а ее высота 41, в конце участка роста, соответствую

связана с интенсивщего и -rj-3- с:

костью этой спектральной линии соотношением Q

c.I.-I. p1

(5)

Если 1, Al c-I.f .(6)

Сигнал, регистрируемый на выходе двух секций параллельных- пар электронных зеркал, является разностью сигналов 4 I секции I и s l секции II электронных зеркал, т.е.

л1 (slj- -л1|7 .

(7)

Следовательно, проведение сигнала в окрестности линии с-энергией описьшается выражением

дI .

(8)

где зависимость ах от U определяется выражением.

, при Е и 00 Е

ах

1при - i и, Е, д и, , Е „ Е

(Н2р -1при,и,.- О при 0 Uy

Е

1+2f

Зависимость сигнала л I от U

п

показана на фиг.З. При -тт . Uf - Е наблюдается линейный рост jl до веC l- f

личины Е

+ . далее в пределах

f

Е

J-2 f и., 7 сигнал падает до

нуля. Таким образом, отдельные энергетические группы электронов проявляются в сигнале в виде отдельных пиков, высота которых d такс оот- ветствуёт значению dl при U

Е - T+IОна связана с интенсивностью спетральной линии соотношением

л I С Т-.-Т ..

л«а«с - 1+1 случае, когда 1

4lNc,«c t

(10)

(11)

Q

s

0

5

0

5

0

5

0

5

1- .

Таким образом, предлагаемый способ

регистрации спектральной интенсивности изменяет форму сигнала, превращая ступенчатые области роста dI в соответствующие линии, ширина которых определяется величиной . Таким образом появляется возможность изменяя величину 1 оптимальным образом подбирать разрешение и чувствительность исходя из поставленной задачи. Например,при исследовании спектра Солнца в области 50-100 нм в которой имеется около 10 интенсивных линий излучения, величину 1 можно выбрать равной 0,02, что обеспечит. относительное разрешение 2%. В качестве рабочего газа удобно выбрать ксенон, наложить магнитное поле напряженностью 300 Э. В этом случае задерживаюш 1й потенциал UY будет изменяться в пределах от 0,2 В до 12,5 В. При этом все интенсивные линии будут разрешены, причем система регистрации будет регистрировать не суммарный сигнал от всех линий, а сигнал от каждой линии в отдельности.

Так как окончательно усиливаются лишь уже предварительно выделенные разностные сигналы, то использование предлагаемого способа существенно расширяет динамический диапазон измерений по сравнению с известным.

Если в известном способе необходимо, чтобы суммарный сигнал всех регистрируемых спектральных линий укладывался, в динамический диапазон системы регистрации, то в предлагаемом способе достаточно, чтобы в динамический диапазон укладьшался лишь сигнал отдельной линии.

Кроме того, при предлагаемом способе значительно уменьшаются шумы, связанные с флуктуациями интенсивности излучения источника, так как при регистрации линий с меньшими энергиями линии с большими энергиями практически не дают вклада в сигнал и, следовательно, в шум.

Уменьшаются также шумы, связанные с внешними наводками, что особенно существенно при регистрации слабых сигналов, так как для первого и второго электронного зеркала каждой секции такого рода шумы носят коррелированный характер, и в регистрируемом сигнале их вклады вычитаются.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с известным состоит в повышении точности измерений интенсивности и анализируемого измерения, что расширяет диапазон его использования для решения задач абсолютной фотометрии.

Кроме того, значительно увеличивается динамический диапазон измерений. Например, при исследовании солнечного спектра в области 100-50 нм динамический диапазон увеличивается в . Это позволяет использовать предлагаемый способ в объектах космической техники, например, для патрулирования излучения Солнца,также для излучения синхротронного излучения.

Формула изобретения

Способ сп ектрометрии, заключающийся в пропускании анализируемого излучения через рабочий газ, приложении магнитного поля с составляющей, перпендикулярной направлению распространения излучения, образовании электростатического поля, задерживающего фотоэлектроны, подачей регулируемого отрицательного потену.J L

Фаг. 1

540416

циала на задерживаюгцие электроды пары электронных зеркал, детектировании тока фотоэлектронов и регистра- ции зависимости этого тока от величины задерживающего потенциала, по которой судят о спектральной интенсивности каждой из составляющих в анализируемом излучении, о т л и 10 чающийся тем, что, с целью повышения точности измерений спектральной интенсивности и расширения динамического диапазона измерений, электрический потенциал прикладывают

15 к системе двух секций параллельных пар электронных зеркал, содержащих задерживаюш 1е и экранирующие электроды, причем на электронные зеркала первой и второй секции подают регу20 лируемые потенциалы Uj,U(1+|)U и из(1 + ри, , и(1+2ри соответственно, (где I - величина, характеризующая относительную разрешающую способность), определяют зависимость

25 разности токов фотоэлектронов в каждой секции от величины наименьшего задерживающего потенциала Uf ,а спектральную интенсивность излучения оп- .ределяют как величину, пропорциональ30 ную разности полученных зависимостей для обеих секций.

.J

J.I-C

|Гх, IE I .

ff

фие.2

Изобретение относится к оптическому спектральному анализу. Целью является повьппение точности измерения спектральной интенсивности и расширение динамического диапазона измерений. Через рабочий газ пропускают анализируемое излучение, прикладывают магнитное поле с составляющей, перпендикулярной направлению распространения излучения. Образующееся электростатическое поле задерживает фотоэлектроны. По зависимости тока фотоэлектронов от величины задерживающего потенциала судят о спектральной интенсивности каждой из составляющих в анализируемом излучении. Электрический потенциал прикладывается к системе двух секций параллельных пар электронных зеркал, содержащих задерживающие и экранирующие электроды. На электронные зеркала первой и второй секции подают регулируемые потенциалы U , U2 (pU 4j (HpU , Ц, (1+2|)u; соответственно, где - постоянная, характеризующая относительную разрешающую способность. Определяют зависимость разности токов фотоэлектронов в каждой секции от величины наименьшего задерживающего потенциала U, Спектральную интенсивность излучения определяют как величину, пропорциональную разности полученных зависимостей для обеих секций. 3 ил. а & СлЭ сл

УАС TT

Фие.З

Составитель Б.Широков Редактор А.Шандор Техред Л,Сердюкова

f /tf

/

Корректор А.Тяско

Заказ 5684/36 Тираж 776 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4