Спектрометр миллиметрового,субмиллиметровогои иНфРАКРАСНОгО диАпОзОНОВ Советский патент 1981 года по МПК G01J3/28 

Изобретение относится к технике инмерения спектрального распределения интенсивности электромагнитного излучения миппиметрового, субмиллиметрсжсяго и инфракрасного диапазона и предназначено для работы в радиоастрономии, биологии , спектроскопии газов, жидкостей и твердых тел. Известны три основных типа спектрометров, работающих в диапазоне мил лиметровых и инфракрасных волн,; спект рометры с дифракционными решетками эшелеттамг спектрометры, использующие смешение анализируемого излученияс изг.пучением внешнего гетеродина на неддае ном элементе, Фурье-спектрометры (У. В дифракционньтх спектрометрах наилучшее разрешение в области 3-1ОО см достигает величины, , 1-0,5 см при длительности регистрации всего спектра порядка 200-400 мин. При этом сущест вуют потери исследуемого излучения вследствие прохождения его через сложную систему фильтров, зеркал, д1фрак- цнонных решеток, входной и выходной щелей, прибора. Спектрометры, использук щие смещение на нелинейном элементе, работают только в миллиметровом и длинноволновой части субмиллиметрсжого , пазона, а используемые при этом в качестве гетеродина источники излучения имеют линейчатый спектр, что не позволяет производить непрерывные по спектру взмерения во всем диапазоне. Наиболее близким к предлагаемому Является спектрометр миллиметрового, субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов, содержаший модулятор падающего излучения, блок интегрального преобразования, спектрального распределения интенсивности исследуемого электромагнитного излучения с приемником на основе слабосвяэанных сверхпроводников, блок СЕанврования изменяемого параметра, блок синхронного детектирования Bbixofjного сигнала блока интегрального преобразования, блок обратного интегрального преобразования измеренной зависимости 7 от изменяемого параметра в искомый спектр, cpcTOHUjHfl из специализированного продессбра с буферной памятью, уст ройства отображения и устройства внешней памяти 2J. Недостатки его- в ограниченном разрешении (не пучше. ОД см- ) в дальней инфракрасной и субмиппиметровых областях спектра, а в расположении рабочего диапазона в области длин волн не длиннее мм, в длительном времени регистрации всего спектра, в сложности конструкции иэ-за необходимости исполь-зования интерферометра - дорогоетоящего, прецизионного и спожррго в изготовле НИИ элемента спектрометра. Цель изобретения - увеличение разрешения, расширения- рабочего диапазона в сторону больших длин волн, уменьшение времени .записи спектров и упрощение конструкции. Это достигается тем, что выход блока синхронного детектирования соединен с одним из трех-входов дополнительно введенного блока умножения, выход которого соединен с входом блока обратног интегрального преобразования, содержащег специализированный процессор для преобра аования Гильберта, блок сканирования пре ставляет собой источник напряжения с тремя выходами, один из которых регулируемый и с.оединен с приемником, второй выход, сигнал с которого пропорциона лен току через приемник, соединен со вторым входом блока умножения, третий выход, сигнал которого пропорционале напряжению на приемнике, соединен с тре тьим входом блока умножения и одновременно со вторым входом блока обратно ГО интегрального преобразования, а также тем, что блок сканирования дополнительно содержит устройство стабилизации и филь рашя тока в цепи питания. На фиг. 1 предсгавлена блок-схема спектрометра., использующего слабосвя- занные сверхпроводник ; на фиг. 2 - тонга, со сверхпроводящим точечным кон- тактом из ниобия 1СТКК Спектрометр содержит модулятор 1 па дакмдего излучения, блок 2 интегрального преобразования, выполненный в виде приемнизш на основе слабосвязанкых свер проводников, блок 3 синхронного детектирования, блок 4 умножения с тремя входами,, блок 5 обратного интегрального преобразования с двумя входами, предотавпяющнй собой специализированны процессор для преобразования Гильберта 54 с буферной памятью и каналами ввода- вывода для связи с блоками 4 умножения, блоком 6 сканирования, устройством отображения в виде графопостроителя и/или, графического дисплея и устройством внешней памяти в виде перфоратора или накопителя на магнитных лентах , . или дисках. Езлок 6 сканирова- ния представляет собой стабилизированный источник напряжения с защитой от наводок в цепи питания приемника. Он имеет три выхода, один иэ которых регулируемый, а напряжения на двух других пропорциональны напряжению смещения на приемнике и току через приемник. В конкретном случае реализации спектрометр (см.фиг. 2) содержит модулятор 1, сверхпровод$1щий точечный контакт 7 из ниобия, блок 6 сканирования, два синхронных детектора 3, блок 8 деления и умножения, два усилителя 9 постоянного тока, блок 10 интегрального преобразования Гильберта, устройство 11 отобра«жения и звуковой генератор 12. Блоки 8 и 1О вьтолнены .на основе шфровой ЭВМ, однако возможно использование и аналоговых блоков деления и умножения. Спектрометр работает следующим образом. Излучение со спектральным составом Т ( ) J где и - интенсивность падающего излучения, - ч.астота, модулируется и поступает з приемник на основе слабосвязанных сверхпроводников. Переменное выходное напряжение блока 2, пропбрдиональное изменению тока ДЛ через приемник под действием Л ( f ), поступает на вход блока 3, где оно усиливается узкополосным усилителем, настроенным на частоту модуляции. Пропорциональное Д7 напряжение с вы хода блока 3 поступает на один из входов блока 4, который умножает этот сигнал на напряжение смещения t) приемника и ток через приемник, поданные на Дза других входа блока 4 с выходов блока 6. Выходное напряжение блока 4, пропорциональное функции ( V ) V и (V Д : ( V) , поступает черкз преобразователь аналог-код в буферную память блока 5. Одновременно в буферной памяти фиксируется напряжение смещении V , соответствующее моменту измере1|ия д7 и поступающее на другой вход блока 5 с выхода блока 6. В процессе измерения блок 6 изменяет напряжение смещения на приемнике в за- данных пределах и с заданной скоростью и в буферной памяти блока 5 фиксируютс соответствующие значения V и сигнала C3J ( V ). По окончании сканирования специализированный процессор выполняет обратное преобразование Гильберта над измеренной функцией ( (V), Искомое спектральное раснредепение Л (:f ) выводится на устройство отображения и фиксируется в устройстве внешней памяти. В спектрометре (см. фиг. 2) исслед лое излучение модулируется по амплитуде с частотой 40О Гц. По световоду смодулированное излучение попадает на контакт 7, нахопящийся в релизом криостате при Т 4,2 X. Ток модулятора 1 через контакт 7 задается блоком 6. Для измерения ди|)фер9нциального соп ротивления контакта R от звукового генератора 12 на контакт 7 подается ток частоты 2О кГц. амплитуда которого мала по сравнению с величиной О,ОЗйФу чтобы не увеличивать собственную линии джозефсоновской генерации контакта 7 и, следовательно, не ухудшать разрешение спектрометра. Нестабильности тока от блока 6 сканирования н токо вые наводки от радио- и телестанции сн жены. Переменный сигнал частоты 400Г представляющий собой отклик контакта 7 на внешнее излучение, подается на один КЗ детекторов 3 , выход которого й соед нен с блоком 8. Переменное напряжение частоты 2О кГц, пропорциональное диф. ференциальному сопротивлению контакта R поступает на вход другого детектора 3, выход которого также соединен с блоком 8. В блок 8 через усилители 9 поступают сигналы, пропорциональ. ные напряжению V на контакте 7 и току через него J . В блоке 8 прои одится деление Д V на R и умножение ре зультата деления- на ток, и напряжение U контакта. 7. Выход блока 8 соединен с блоком 10. При увеличении тока 3 от блока сканирования напряжение и увеличивается, происходит изменение величин AV и R и в блок 10 поступа ет сигнал (V)(V)U(V)-V/fiCV), который и преобразуется в исследуемое распределение интенсивности падающего излучения по частотам. Результат иэмерений выдается на устройство 11. Технико-экономический эффект от применения спектрометра закточается в п юышении на два порядка разрешения, в расш рении рабочего диапазона частот вплоть до СВЧ диапазона, в значительном (приблизительно на порядок) уменьшения измерения. Это достигается использованием резонансных свойств приемника на основе слабосвязанных сверхпроводНИКОВ, обладающего в данном диапазо т не наиболее высокой чувствительностью Вт/Гц ЧТаким образом предлагаемый спектрометр позволяет измерять спектральное распределение интенсивности чрезвычайно слабого электромагнитного излучения с высоким (до 10 t:M разрешением в области частот, не перекрываемой ни одним из существующих спектрометров. Спектрометр имеет меньшие габариты, проще в эксплуатации в I дешевле в изготовлени - , так как устраняется наиболее дорогостоящая и трудноизготавливаемая оптико.-механическая часть,- интерферометр. Соответственно уменьшаются потребляемая мощность и вес спектрометра. Формулаиаобретения 1. Спектрометр миллиметрсвого суб- миллиметрового и инфракрасного диапазонов, содержащий модулятор падающего из лучения, блок интегрального преобразо - вания спектрального распределения интенсивности исследуемого электромагнитного излучения с приемником излучения на основе слабосвязанных сверхпроводников, блок сканирования изменяачтого парамет ра, блок синхронного детектирования въг ходного сигнала блока интегрального преобразования, блок обратного интегрального преобразования измеренной зависимости сигнала от изменяемого пара метра в исследуемый спектр, состоящий из процессора, с буферной памятью, уст ройства отображения и устройства внешней памяти, о тлич ающийся тем, что, с целью увеличения разрешения, расширения рабочего диапазона в сторону больших длин волн, уменьшения времени записи спектров и упрощения конструкии, выход блока синхронного детектирования соединен с одним из трех входов , дополнительно введенного блока умножения, выход которого соединен с входом блока обратного интегрального преобраования, содержащего процессор для пр&бразования Гильберта, блок сканирова-

гея выпбпиен в ввяе тюточника напряже кия с выходакге. один из которых рвгупяруемый и соединен с приемником, другой выход, сигнап с которого про ворпнонален току через приемник, сое динен со вторым входом блока умноже ния, третий выход , сигнал которого пропорционален напряжению на приемнике, соединен с третьим входом блока . умножения,, в со вторым входом блока обратного интегрятьного преобразования

2. Спектрометр по п. 1, о т л и ч а го эд и и с я тем, что блок сканировани

и

дополнительно содержит устройство стабилизадии и фильтрации тока в цепи пигання.

Источник ии ормацни, пркнятые во внимание при экспертизе

1. Тетшика спектроскопии в дальней инфракрасной субмидлиметровой и миллиметровой областях спектра, пер. с англ. Под ред. Т. М. Лифшкца, Мир, М«, 1970.

2,Tourt).AppE.,, ,39, № 8, р. 39053912, 1968 (прототип).