Спектрометр для последовательной регистрации спектральных линий Советский патент 1980 года по МПК G01J3/42 

(54) СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРАЛЬНЫХ .ЛИНИЙ

Изобретение относится к области оп.тйческого спектрального приборостроения и может быть использовано для многозл ментного анализа вещества по отггинес-кйм спектрам, в частности по спектрам эмиссии, атомной абсорбдии и флуоресценции. Известны спектрометры для последов тельной регистрации спектральных линий , 2 в которых осуществляется равномерное сканирование спектра относительно выходной щелн спектрального аппарата. Такие спектрометры не очень пригодны для проведения мно1;чээлемент- Hord анализа вещества вследствие недос таточной чувствительности и точности. Этот недостаток обусловлен большими потерями времени на регистрацию неинформйтивных участков спектра, Более высокие показатели при последовательной регистрации спектральных линий обеспечивают спектрометры с программной регистрацией отдельпых участк спектра. Из известных спектрометров с программной регистрацией наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является спектрометр для последовательной регистрации спектральных линий, содержащий последовательно установленные источник света с эталонным спектром, спектральный аппарат с дисперг1фуюшим элементом и блок регистрации, блок управления диспергирующим эле1«ЕНтом и программный блок, связанный с блоком управления диспергирующим элементом и блоком регистрации з. Недостатками известного спектрометра йвляю ся сравнительно невысокие чувствительность и точность анализа. Это связано с тем, что температурные и механические деформации деталей спектрального аппарата приводят к неизбежным смещениям оптического спектра относительно выходной шели и, тем самым, к нестабЕльностн показаний прибора, Целью изобретения является повьшениечувствительности и точности регистрации 37 Поставленная цепь достигается тем, что в спектрометр введены передающая тёдевизионная трубка с отклоняющей системой, установленная на выходе спек,трального аппарата, синкронный детектор, пороговое устройство, генератор развертки и управляемый источник постоянного напряжения, причем выход пер&даюшей телевизионной трубки соединен с сигналь ным входом синхронного детектора, управляюший вход которого подключен к одному из выходов генератора развертки а выход -,к6 входу порогового устройств соединенного выходом с управляюишм вхо дом программного блока, входы отклоняю щей системы соединены со вторым выходом генератора развертки и с выходом управляемого источника постоянного напряжения, источник света с эталонным спектром и управляющие входы управляемого ИСТочника постоянного напряжения .иГенератора развертки подключены к выходам программного блока, причем источник света с эталонным спектром, выполнен в виде источника света с непрерывным спектром, на выходе которого установлен эталон Фабри-Перо, передающая телевизионная трубка выполнена в виде . щелевого диссектора, а пороговое устрой ство - в виде двухуровневого KOMniapaTO- pa, например, триггера Шмитта, На фиг. 1 изображена блок-схема спектрометра; на фиг. 2 - эпюры сигналов в спектрометре при программном выводе спектральных линий на .выходную щель.. Эпюры имеют следующие: обозначения а - .часть спектра источника света с эталонным спектром (спектральны линии с длинами волн Л,. и Л 5 - часть спектра источ| икасвета с исследуемым спектром (анализирующие спектральные линии с дли нами волн Л и Aj ); и - электронное изображение части спектра источника света с эталон ным спектром в передающей телевизионной трубке, сдвинутое по шкале длин волн на величину А . ; 1 - электронное изображение части спектра источника света с эталон ным спектром в передающей теле визионной трубке, сдвинутое по Щкале длин волн на величину Л2 9 - напряжение на входе порогового устройства ( и отг пряжения, соответственно, сраба1тывания и отпускания порогового устройства, Uorn. О)} е - напряжение на выходе порогового устройства,Ж - сигнал запуска программного устройства. Спектрометр состоит из источника 1 света с исследуемым спектром и источника 2 света с эталонным спектром, излучение которых поступает на вход спектрального аппарата 3 с диспергирующим элементом 4 (например - призмой). Диспергирующий элемент связан с блоком 5 управления диспергирующим элементом (например - электродвигателем и уз- . лом поворота призмы). На вькоде спектрального аппарата 3 установлена передающая телевизионная трубка - щелевой диссектор 6 с отклоняющей системой 7 (при использовании электростатических диссекторов, например, ЛИ-602. отклоняющей систе;мой являются отклоняющие пластины диссектора).К выходу диссектора б подключен сигнальный вход синхронного детектора 8, выход которого соединен с Пороговым устройством 9. Управляющий вход синхронного детектора 8 соединен с одним из выходов генератора 10 развертки. Генератор 10 развертки выполнен, например, в виде генератора синусоидального напряжения с ;каскадом деления частоты и поэтому может иметь па своих выходах переменные сигналы, частоты которых одинаковы или различаются в два раза. Входы отклоняющей системы 7 (отклоняющие пластины диссектора б) соединены с одним из выходов генератора 10 развертки и с выходом управляемого источника 11 постоянного напряжения. Блок регистрации - логометр 12 подключен своими входами к выходам диссектора 6 и синхронного детектора 8. Источник 1 света с исследуемым спектром, источник 2 света с эталонным спектром, управляющие входы блока 5 управления диспергирующим элементом, генератора 10 развертки, :управляемого источника 11 постоянного напряжения и логоМетра 12 подключены к выходам программного блока 13, а управляющий вход программного блока 13 соединен с выходом порогового устрой- СТШ1 9. Работа спектрометра состоит из двух повторяющихся этапов: этапа вывода ана.лизируемой спектральной линии и этапа измерения ее интенсивности. На этапе вывода анализируемой спектральной линии используется источник 2 света с эталонным спектром. Источник 2 может быть выполнен в виде- газоразрядной лампы с линейчатым спектром (лампа с полым катодом, шариковая л-ампа и т.д.) или в виде последевательнр расположенных источника свата с непрерывным спектром (лампа накаливания) и интерферометра Фабри-Перо. В последнем случае эталонный спектр состоит из системы полос, равном ио расположенных по шкале частот. Излучение источника 2, включенного программным блоком 13, подается на вход спектрального аппарата 3, разла ;гается в спектр диспергирующим элементом. 4 и поступает на фотокатод пере дающей телевизионной трубки - щелевого диссектора 6, который преобразует ОПТЕ ческое изображение в электронное. Одновременно включается блок 5 управления диспергирующим элементом. Осушествляется перемещение изобраясения спектра источника 2 света с эталонным спектром по фотокатоду диссектора 6 (на фиг, 2 и изображена часть указанного спектра с дв5гмя линиями, имеющими -длины волн АЭ и X 2. ) На отклоняющую систему 7 диссектора 6 подается переменное напряжение, например, синусоидальное, от генератора развертки IО и постоянное напряжение от управляемого источншш 1 постоянного напряжения. Постоянное напряжение на отклоняющей системе 7 вьь. зывает смещение электронного изображе НИИ эталонного спектра от источника 2 (на фиг. 2 § величина смещения изобраобозначена л Д ) женин линии А относительно щелевого отверстия в аноде диссбктора 6. Переменное напряжение на от1шоняющей системе 7 вызывает перио дическое перемещение электронного изо- бражения относительно щели в аноде диссектора 6, что эквивалентно периодичес1кому сканированию спектра в окрестности спектральной линии (в данном случае линии Л э- ) Если скорость периодического сканирования спектральной линии существенно превышает скорость перемещения оптического изображения спектра относительно фотокатода, а амплитуда периодическог сканирования меньше ширины электронног изображения спектральной линии (в данном случае - линии X,,), то в вь,ходном-токе диссектор 6 возникает переменная составляющая с частотой. равной част&те сканирования. Амплитуда этой составляющей при указанных усло,виях пропорциональна первой производной эталонного спектра по длинам волн. Поэтому сигнал на выходе синхронного детектора 8, на управляющий вход которого на этапе вывода линии подается от генератора развертки 10 напряжение той же частоты, что и на отклоняющую систему 7, будет соответствовать изображенному ;на фиг. 2 Зр Этот сигнал поступает на вход порогового устройства 9, выполненного в виде двухуровневого компаратора триггера Шмитта. При этом фовни срабатывания и отпускания ( Ucpa§ wUoTn а фиг. 2 9J i P rrера существенно отличаются друг от друга по величине и УОТП 0Напряжение на .выходе порогового устройства 9 (фиг, 2е) имеет вид прямоугольного импульса, задний фон которого соответствует моменту перехода через нуль напряжения на выходе синхронного детектора 8 (фиг„ 2 ), т.е. моменту, когда электронное изображение линии Лд ., смещенное на величину д-1 напряжением источника 11 и перемещающееся относительно щели в аноде диссектора .вследствие работы блока 5 управления диспергирующим элементом 4, совпадает со щелью в аноде диссектора. При поступлении на управляющий вход программного 13 нмпульса от порогового устройства 9 (фиг. 2 ж), программное устройство 13 выключает блок S управлен1ая диспергирующим элементом, выключает источник 2 света с эталонным спектром, включает источник 1 света с исследуемым спектром, выключает управляемый источник 11 постоянного напряжения. Если величина смещения Д i эле сгрон-. него изображения линии АЭ обусловленная напряжением управляемого источника 11, выбирается равной расстоянию между электронными изображениями линии эталонного с.пектра Лд и линии исследуемого спектра X х (фиг. 2 о, б, 6), то после выключения источника 2 и включения источника 1 (при выключенном управляемом источнике 11) электронное изображение анализируемой линии Л х-1 в исследуемом спектре совпадает со щелью в аноде диссектора 6. На этом этап вывода анализируемой линии заканчивается и начинается этзп линии зйканчив г „ , л.,„а„,„ измерения ее интенсивности, опись.ваемый ниже. Вывод других аналитических лнний осу,дествляется аналогично (на фиг 2 показана в качестве примера вторая, ана737791лизируемая линия, вывод которой происходит по линии АЗ, эталонного спектра, смещенного в процессе вывода на величину л 2 ), Один из вариантов измерения интенсив ностй линии состоит в следующем. По команде программного ёпока 13 переменное напряжение на отклоняющую систему 7 подается с каскада деления частоты в генераторе развертки 10. Поэтому частота переменного напряжения на отклоняющей системе (частота перио- дического сканирования) в два раза ниже чем частота напряжения на. управлйгощем входе синхронного детектора 8. Ампл11туд периодического .сканирования йзме рении интенсивности линии превышает ширину электронного изображения анализируемой линии TvXl (указанное соотношение задается- программным блоком) и электронное изображение линии. проходит через .7; щель в аноде диссекто ра два раза за пёрлод сканирования (на прямом и обратном ходах развертки). Поэтому в выходном токе Диссектора 6 I возникает переменная составл.яющая на двойюй частоте относительно частоты скант роМния, т.е. на частоте, совпйдающей с частотой синхронного детектора 8. Кроме переменной составляющей, выходной ток диссектора б содержит и постоянную сост:ав Л яющую, обусловленную в частности, световым фоном в окрестности анализируемой линии (фиг. 2 б). Блок регистрации - логомет-р 12, включаемый программным блоком 13, измеря ет отлошенве переменной составляющей ВЫХОДНОГО тока диссектора, продётШта:рованной синхронным детектором 8, и по cтoяннoй составляющей выходного грка диссектора. Такое решение позволяет устранить нестабильность коэффиниента передачи диссектора, а также нестабильность излучения источника 1 света с исследуемым спектром (последнее справе ливо, если имеется пропорциональная связь между йнтенсив ностям линии и световогофона Хх . После измерения интенсивности анализируемой линии программный блок 13 включает блок 5 управленйя диспергирующим элементом и осуществляет вывод следующей анализиРуеМОЙ линии .ЛХ2по линии Agj. эталонного спектра аналогично вышеописанному, измерение интенсивности линии Л 1 2 . и т.д. Использование в спектрометре йьшода анализируемых линий по эталонному спек

8 ру в сочетании с программируемым смещением электронного изображения этаонных линий в передающей телевизионной трубке и периодическим скан ированием в окрестности линии при выводе и регистрации позволяет полностью исключить влияние температурных и механических деформаций в спектральном аппарате и повысить точность и чувствительность анализа. Ф о р а изобретения 1. Спектрометр для последовательной регистрации спектральных линий, содержащий последовательно установленные источник света С эталонным спектром, спектральный аппарат с диспергирующим элементом и блок регистрации, блок управления диспергирующим элементом и программный блок, связанный с блоком управления диспергирующим элементом и блоком регистрации, отличающ и и с я тем, что, с целью повьшшния чувствительности и точности регистрации, в него введены передающая телевизионная трубка сотклоняющей системой, установленная на выходе спектрального аппарата, синхронный детектор, пороговое устройство, генератор развертки и управляемый источник постоянного напряжения, причем вь1х6д передающей телеЬизионной трубки соединен с сигнальным входом синхронного детектора, управляющий вход которого подключен к одному из выходов генератора развертки, а выход - ко входу порогового устройст&а, соединенного вььходом с управляющим входом программного блока, входы отклоняющей системы соединены Со вторым выходом генератора развертки и с выходом .управляемого источника постоянного напряжения, источ ник света с эталонным спектром и ; управляющие входы управляемого источника постоянного Напряжения и генератора развертки подключены к выводам црограмкшого блока. 2, Спектрометр по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что источник света с эталонным спектром выполнен в виде источника света с непрерьшным спектром, на выходе которого установлен эталон Фабри-Перо. 3. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что передающая телевизионная трубка вьтолнена в виде щ«эле1вого диссектора. 4, Спектрометр по п. 1, о т л кч а ;ю щ и и с я тем, что пороговое 5ч:;трюйство вьтопнено в виде двухуровневого компаратора, например, триггера Шмитта, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе - 1, Тарасов К, И. Спектральные прибо-. ры, Л,, Машиностроение, 1968, с. 242-257. 73 110 2. Plmenteft G.C. ||Rap(a ocVvjances m} repiQ-sean apec ros cop-v, , Optics, 7, X 11, 1968, p. 2155. 3,.3.©t aft „MuCf e(Lement orKiUYces wire cow puter-con ro4e(3| natvdsean ator« c f tuoresce t «.peci roineier Nx/Uh Q conVimum anaacheyn,47, 1975. p. 1739 (прототип).