Мессбауэровский спектрометр с лазерным интерферометром Советский патент 1989 года по МПК G01N24/00 

1

Изобретение относится к прецизи- oHHbw ядерно-физическим установкам, а именно к мессбауэровским спектрометрам, и может быть использовано для исследования веществ, в которых наблюдается эффект Мессбауэра.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости подвижной части доплеровского модулятора и обеспечение возможности

сд

коррекции процесса накопления мессбауэровского спектра.

На фиг.1 показана структурная схема мессбауэровского спектрометра-, на фиг.2 - временная диаграмма стартового импульса (S)-, на фиг.З - временная диаграмма опорного сигнала (О)i на фиг.4 - временная диаграмма сигнала фотодетектора (иф)у на фиг,5 временная диаграмма интер- ференщ-;онных видеоимпульсов (UjJ

на фиг.6 - временная диаграмма сиг- нала строба (Uc) на фиг,7 - временная диаграмма импульсов, прошедших через ключ (U,) на фиг,8 - временная диаграмма сигнала длительности рабочего участка (U р) ,

Мессбауэровский спектрометр с лазерным интерферометром содержит доплеровский модулятор 1, источник 2 излучения и подвижньй отражатель 3 интерферометра, оптический блок 4 разведения первичного луча, лазера и сведения интерферирующих лучей с неподвижным отражателем 5, лазер 6, фотодетектор 7, подключенньй через усилитель 8 к формирователю 9 интерференционных видеоимпульсов, поглотитель 10, детектор 11 излучения, блок 12 усиления и амплитудной се- лекции с многоканальным накопителем 13, в качестве которого может служит ЭВМ, за.дающий генератор 14, устройство 15 управления доплеровским модулятором управляемьй делитель 16 частоты, формирователь 17 строба, ключевые устройства 18 и 19, счетное устройство 20, аналого-цифровой преобразователь (АИД) 21, логическое устройство 2-2И-ИЛИ-НЕ 22, буферное запоминающее устройство 23.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно настраивается интерферометр таким образом, чтобы получить в плоскости фотодетектора 7 на входном окне центральное пятно интерференционной картины.

Задающий генератор 14 вьфабаты- вает сигнал Старт (фиг.2), по ко- торому запускается программа накопления, мессбауэровского спектра в многоканальном накопителе. Одновременно вьфабатываются импульсы переключения канала накопления, также поступающие в многоканальньй накопитель, и опорньй сигнал, являющийся электрическим аналогом закона движения подвижной части доплеровс- кого модулятора (фиг.З), поступающий в устройство 15 управления до- плеровским модулятором. На фиг.2 .показан случай работы мессбауэровского спектрометра в режиме постоянного ускорения. Устройство управления доплеровским модулятором 15 обеспечивает отработку движения подвижной части доплеровского модулятора 1 по заданному закону. С момента

0 5 О

5

5

5

запуска программы осуществляется накопление данных регистрируемого мессбауэровского спектра.

Одновременно при перемещении подвижной части осуществляется модуляция интерференционной картины по синусоидальному закону. Световой поток преобразуется на фотодетекторе 7 в электрический сигнал (фиг.4), которьй усиливается усилителем 8 и формируется в формирователе 9 таким образом, чтобы при перенесении синусоидального сигнала через нуль, т.е. в фазе, равной нулю, 1Г и п формировались интерференционные видеоимпульсы (фиг.5). Одновременно с задающего генератора 14 на ключевые устройства 18 и 19 поступают импульсы, причем частота поступления импульсов на ключ 18 равна частоте кварцевого генератора, имеющегося в задающем генераторе 14. Этой частотой задается точность измерения времени между моментами фиксации интерференционных видеоимпульсов. Частотой поступления импульсов через ключ 19 на управляющий вход АЦП 21 задается шаг дискретизации последнего. С одного из дополнительных выходов задающего генератора 14 также поступают импульсы на управляег ьй делитель

16частоты, обеспечивая последующее формирование строба формирователем

17строба, коэффициент пересчета в делителе 16 устанавливается одновременно с установкой диапазона скорости в устройстве 15. Причем с изменением диапазона скорости коэффициент пересчета устанавливается таким, чтобы обеспечивалось формирование строба вблизи нуля скорости, включая нуль, а ширина его была не более одного-двух периодов синусоиды в районе нуля скорости и симметрично относительно нуля (фиг.6). Таким образом, с начала рабочего участка накопления мессбауэровского спектра на прямом выходе формирователя 17 строба устанавливается логическая единица, разрешающая прохождение через ключ 18 импульсов заполнения

в счетное устройство 20, а на инверсном выходе 17 - логический нуль, запрещающий прохождение импульсов через ключ 19. Интерференционные импульсы с формирователя 9 поступают на управляющий вход счетного устройства 20 и на один из логических

входов логического устр ойства 2-2И- ИЛИ-НЕ 22, на другом входе которого имеется логическая единица, поступащая с прямого выхода формирователя 17. При этом в счетном устройстве 20 записывается код, равный количеству импульсов заполнения недду моментами поступления интерференционных видеоимпульсов, так как при поступлении их на управляющий вход счетного устройства 20 по переднему фронту импульса прекращается счет импульсов заполнения, и одновременно осуществляется передача кода в буферное заполняющее устройство 23 по команде с выхода логического устройства 22, по заднему фронту интерференционного импульса счетное устройство обнуляется, и процесс за- поднения его повторяется снова до прихода следующего интерференционного импульса. Таким образом, в буферное устройство записываются интервалы времени между интерференционными импульсами до момента вьщачи сигнала с управляемого делителя 16 частоты в формирователь 17 строба на начало формирования строба. С этого момента на прямом выходе формирова- теля 17 строба состояние логической единицы ме:няется на логический нуль, а на инверсном выходе состояние нуля меняется на единицу, при этом пре- кращается поступление импульсов заполнения через ключ 18 в счетное устройство,, а следовательно, процесс измерения интервалов времени t, (фиг.5) между интерференционными видеоимпульсами. Одновременно разрешается прохождение импульсов шага дискретизации dt (фиг.4) преобразования через ключ 19 на управляющий вход АЦП 21 и на один из входов логического устройства 22, на втором входе которого - состояние логической единицы, поступающей с инверсного выхода формирователя 17 строба. СинусорщальньпЧ сигнал с выхода усилителя 8, поступающий на вход АЦП 21, подвергается с этого момента аналого-цифровому преобразованию с частотой поступления Импульсов через ключ 19 (фиг.7). Таким образом, мгновенные значения сигнала с усилителя 8 преобразуются в цифровой код, которьш передается в буферное запоминающее устройство 23 по командам с выхода логического устройства

1469405

10

15

20

25

30

35

0

5

0

5

22, при этом частота передачи кода равна частоте шага дискретизации. В буферное запоминающее устройство с момента начала формирования строба записываются дискретные значения синусоидального сигнала (фиг.4) в области нуля скорости, включая нуль, до момента поступления из управляемого делителя 16 частоты сигнала окончания формирования строба. С этого момента формирователь 17 строба вырабатывает очогический нуль на инверсном выходе и запрещает поступление импульсов шага дискретизации через ключ 19 на управляющий вход АЦП 21 и логическое устройство 22. При этом прекращаются процесс аналого-цифрового преобразователя сигнала с выхода усилителя 8 и передача кода АЦП в буферное запоминающее устройство 23. Одновременно на прямом выходе формирователя строба вырабатывается логическая единица и возобновляется процесс измерения интервалов времени между интерференционными видеоимпульсами и передача кода времени в буферное запоминающее устройство 23 до окончания рабочего участка накопления мессбауэровского спектра. По окончании рабочего участка прекращается поступлениечимпуль- сов на ключи 18 и 19, в управляемый делитель 16 частоты, заканчиваются выполнение программы накопления мессбауэровского спектра в многоканальном накопителе и процесс измерения скорости (фиг.8). С этого момента данные из буферного запоминающего устройства передаются в память мно- гоканально о накопителя и выполняется программа расчета градуировоч- ной характеристики, т.е. определения нуля скорости и скорости в интересующих точках. Эти данные позволяют ;осуществлять перераспределение ин- Iформации в каждой точке спектра в соответствии с измереннь ми значениями скорости в этой точке. На следунщем периоде движения с момента поступления стартового импульса возобновляются процессы накопления мессбауэровского спектра и измерения скорости.

По данным аналого-цифрового преобразования определяется экстремальное значение синусоидального сигнала, соответствуклдее нулю скорости, его фаза и положение на рабочем участке.

а также расстояние от этого экстремума до ближайших интерференционных видеоимпульсов в длинах волн используемого лазера. Справа и слева от него и от положения нуля скорости рассчитьшается скорость в точках фиксации интерференционных видеоим- .пульсов. Причем в ближайших точках от положения нуля скорости скорость равна

2 АК

V

где А - длина лазераj

t. - временной интервал от нуля скорости до ближайшего интерференционного импульса; К - коэффициент, зависящий от

фазы сигнала в нуле скорости Коэффициент К может быть найден из простых соображений. Полупериод синусоидального сигнала, равньй li, соот- ,ветствует перемещению подвижной части на расстояние, равное - , отсюда

по известной фазе легко определить перемещение в длинах волн до ближайшего интерференционного импульса от нуля скорости. Значения скорости мо- гут быть получены также в каждой точке отсчета мгновенного значения синусоидального сигнала на всем участке аналого-цифрового преобразования по фазе сигнала в точке отсчета и известному шагу дискретизации с точностью до частоты кварцевого генератора из известного соотношения

у sin( в+ ),

где в - фаза сигнала при нулевом

значении скорости; t - время;

о( - коэффициент, равньй 4f V /,Т скорость-,

т - длительность рабочего участка ,

При этом значение tv определяется и общего числа импульсов на рабочем участке.

При уменьшении диапазона скорости длительность строба пропорционально увеличивается, и при скоростях, когда перемещение подвижной части становится сравнимым с не- . сколькими длинами волн лазера, измерения осуществляются только путем

где +V - максимальная

5

0

5

0

5

аналого-идфрового преобразования на всем рабочем участке, а длительность строба становится равной длительности рабочего участка. Значения скорости, определяются в этом случае по фазе сигнала в точках отсчета мгновенных значений сигнала.

Мессбауэровский спектрометр с лазерным интерферометром благодаря введению в схему устройств, позволяющих измерять временные интервалы между интерференционными видеоимпульсами, а также осуществлять аналого-цифровое преобразование модулированной интерференционной картины, позволяет находить градуировочную характеристику за каждый период развертки мессбауэровского спектра, определять положение нуля скорости и скорость в каждой точке скоростного диапазона с точностью на порядок выше, чем в известных спектрометрах.

Кроме того, он позволяет осуществлять коррекцию мессбауэровского спектра в процессе измерений программными средствами и сокращает время проведения эксперимента за счет получения градуировочной характеристики за короткое время.

Формула изобретения

Мессбауэровский спектрометр с лазерным интерферометром, содержащий доплеровский модулятор, на подвижной части которого укреплены источник излучения и отражатель подвижного плеча интерферометра, оптический блок разведения первичного луча лазера и сведения интерферирующих лучей с неподвижным отражателем, фотодетектор, соединенный Через усилитель с формирователем интерференционных видеоимпульсов, поглотитель, детектор излучения, соединенный через блок усиления и амплитудной селекции с многоканальным накопителем, имеющим блок памяти и :арифметико-логическое -устройство, задающей генератор, выход стартового сигнала.и выход адресных сигналов которого соединены с соответствующими входами многоканального накопителя, а выход опорного сигнала соединен с входом блока управления допле- ровским модулятором, соединенного с доплеровским модулятором, отличающийся тем, что, с целью

повышения точности измерения скорости подвижной части доплеровского модулятора и обеспечения возможност коррекции процесса накопления месс- бауэровского спектра, в него введены управляемьй делитель частоты,сче ньй вход которого с.оединен с выходо задающего генератора, а вход управ- ления коэффициентом деления - с дополнительным выходом блока управления доплеровским модулятором, формирователь строба, вход которого соединен с выходом управляемого делителя частоты, первый и второй клю- чевые устройства, входы которых соединены с дополнительными выхода задающего генератора, а управляющие входы соединены, соответственно, с прямыми и инверсными выходами формирователя строба, счетное устройство, счетный вход которого соединен с выходом первого ключевого устройства, а вход управления - с выходом формирователя интерференционных видеоим-

o

5 5

0

пульсов, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом усилителя, а вход управления - с выходом второго ключевого .устройства, логическое устройство 2-2И-ИЛИ-НЕ, два логических входа которого соединены с выходом формирователя интерференционных видеоимпульсов и прямым выходом формирователя строба, другие два логических входа соединены с инверсным выходом формирователя строба и с выходом второго ключевого устройства, буферное запоминанмцее устройство, информационные входы которого соединены с выходами кода счетного устройства и аналого-цифрового преобразователя, а вход переключения адреса запоминающей ячейки соединен с выходом логического устройства 2-2И-ИЛИ-НЕ, информационный выход буферного запоминающего устройства соединен с входом памяти многоканального накопителя.

Изобретение относится к прецизионным ядерно-физическим установкам, а именно к мессбауэровским спектрометрам и может применяться для исследования веществ, в которых наблюдается эффект Мессбауэра.Целью изобретения является повьшение точности, измерения скорости подвижной части доплеровского мо.дулятора и обеспечение воз.можности коррекции процесса накопления мессбауэровского спектра. 3 мессбауэровский спектрометр с лазерным интерферометром дополнительно введены делитель частоты, формирователь строба, ключевые устройства, счетное устройство и аналогово-цифровой преобразователь, логические устройства и буферное sanof-iHHaroniee устройство. Функциональные связи дополкительных блоков с блоками спектрометра позволяют в оуферной памяти получать данные о про-.ежутках времени между интерфе- рен.1:ио:-ными видеоимпульсам и данные о значениях и фазе синусоидального сигнала видеоимлульса фотодетектора в промежутках между врщеоимпульсами. Эти данные позволяют повысить точность определений значений скоростей точек мессбауэровского спектра и нуль-скорости за каждьш отдельньш рабочий цикл и дают возможность скорректировать программными средствами спектр в соответствии с измеренными значениями скоростей. 8 ил. с а

Фиг,1

ir

Фае. 2

Фиг.д

hiJT

1ГПГ П1ТТТ1ППГ

(lei

о

Фм. 5

и

19

Фиг.6

I и и и и I i I (

«р

;u

Фи. 7

Фиг. 8

i