Быстродействующий спектрометр Советский патент 1980 года по МПК G01J3/42 

(54) БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ СПЕКТРОМЕТР

1

изобретение относится к спектральному приборостроению и может быть использовано при создании спектральных приборов для УФ-видимой и ближней ИК-области спектра.

известны быстродействующие спектрометры, в которых сканирование спектра осуществляется поворотом диспергирующих или отклоняющих оптических элементов 1.

Наиболее близким к предложенному техническим рещением является быстродействующий спектрометр 2, состоящий из перестраиваемого источника излучения, содержащего вакуултную камеру, в которой установлены электронная пушка с регулятором интенсивности электронного пучка, системы отклонения электронного пучка по координатам X и Y и прозрачная подложка с набором люминофоров, дифрикционную рещетку со щтрихами, параллельными координате Y, оптически сопрягающую набор люминофоров со спектральной щелью, кюветного отделения, измерительной системы и системы отображения спектра, снабженной люминофорным экраном, фотодатчнком длины волны и цифровым индикатором.

К недостаткам его можно отнести ограниченность аналитических возможностей.

Целью изобретения является расширение аналитических возможностей спектрометра. 5

Эта цель достигается благодаря тому, что система отображения спектра снабжена кодовой маской, перекрывающей часть поверхности набора люминофоров и ориентированной своими разрядными дорожками параллельно координате X. При этом люминофорный экран нанесен на прозрачную часть подложки со смещением по координате Y относительно набора люминофоров, а фотодатчик, подключенный своим выходом через 15 коммутатор к регулятору интенсивности электронного пучка и к декодирующему устройству, включенному на входе цифрового индикатора, оптически сопряжен с кодовой маской и набором люминофоров.

На фиг. 1 показана структурная схема спектрометра; на фиг. 2 - принципиальная схема перестраиваемого источника излучения.

Основными узлами прибора являются перестраиваемый источник излучения 1, кюветное отделение 2, измерительная система 3, система 4 отображения спектра, коммутатор 5, декодирующее устройство 6, цифровой индикатор 7 (фиг. 1).

Источник излучения 1 содержит (фиг. 2) вакуумную камеру 8, внутри которой размещены электронная пущка 9 и системы ЮиП отклонения электронного пучка 12 по координатам X, Y соответственно. Вход системы отклонения 11 по координате Y посредством кабеля 13 подключен к выходу измерительной системы 3.

В вакуумной камере 8 установлена вогнутая дифракционная рещетка 14, щтрихи которой параллельны координате Y. На траектории электронного пучка 12 установлена непрозрачная подложка 15, выполненная, например, из металла в виде части кругового цилиндра, образующая которой параллельна координате Y, а диаметр равен радиусу кривизны дифракционной решетки 14. Дифракционная решетка 14, подложка 15 и спектральная щель 16, установленная перед окном 17 вакуумной камеры 8 располагаются на круге Рауланда. На внутреннюю сторону подложки 15 в зоне, оптически сопряженной посредством рещетки 14 со спектральной щелью 16, нанесен набор люминофоров , состав которого является постоянным в направлении координаты X - Состав люминофоров подбирается таким образом, чтобы их излучение перекрывало весь рабочий спектральный диапазон спектрометра, при этом каждый люминофор должен иметь довольно узкую полосу испускания. Каждый люминофор наносится в виде полоски , параллельной координатеУ, причем порядок расположения люминофоров по координате X выбирается, например, таким образом, чтобы наилучшим образом выполнялось условие:

f(sinet+ sincpi) КЛь где t - постоянная решетки, 0 и углы образованные нормалью к решетке, проведенной через ее центр, с прямыми, соединяющими центр решетки соответственно с центром полоски 18;,, покрытой i-ым люминофором, и с центром спектральной щели 17; к - порядок дифракции, Д, длина волны, соответствующая середине используемого интервала полосы испускания i-ro люминофора.

При таком расположении устанавливается однозначное соответствие между значениями координаты X и центральной длиной волны пучка излучения, выводимого через спектральную щель 16 .при наилучшем отношении полезного излучения к мещающему. Например, рекомендуется следующий порядок следования люминофоров: MgO, активированный галогенами,область 180-300 нм Zn гР jD7, область 260-330 нм; Са з(РО ) , область 300-370 нм; геленит, область 360- 450 нм; ФС-1, область 430-500 нм; ZnO-Zn

область 470-570; ZnS ZnSe Ag «кристаллд область 530-600 нм и т. д. Некоторые полоски 18|, могут быть выполнены из комбинации двух или более различных люминофоров.

Система 4 отображения спектра содержит люминофорный экран, выполненный из одного люминофора, например ZnO -Zn, и расположенный на прозрачном участке подложки 15 со смещением относительно набора

P люминофоров по координатеУ. В систему 4 входит также кодовая маска 20, перекрывающая часть набора люминофоров. На кодовой маске 20 в виде прозрачных и непрозрачных участков записаны с заданным щагом (например 0,1 нм) коды длин волн в

i пределах рабочего спектрального диапазона, причем каждое значение кода длины волны имеет ту же координату X , что и участок люминофора, соответствующий той же длине волны. Для выполнения этого требования разрядные дорожки кодовой маски 20 должны быть параллельны координате X. При этом кодовая маска 20 может быть нанесена непосредственно на часть поверхности набора люминофоров.

Внутри вакуумной камеры 8, между дифS ракционной рещеткой 14 н окном 17 закреплено зеркало 21, в котором может быть выполнено центральное ,отверстие, чтобы обеспечить смещение его поверхности относительно спектральной щели 16. С помощью зеркала 21 и дифракционной решетки 14 поверхность набора люминофоров оптически сопряжена с фотодатчиком 22, например ФЭУ. Выход фотодатчика 22 через коммутатор подсоединен к декодирующему устройству, включенному .на входе цифрового

i индикатора посредством кабеля 23 к регулятору 24 интенсивности электронного пуч.ка 12.

Быстродействующий спектрометр работает следующим образом. Частота развертки электронного пучка 12 по координатеУ выбирается значительно ( 10 раз) выще частоты сканирования по координате X ; в результате траектория электронного пучка имеет форму острых зубцов, ось которых параллельна координатеУ.

При перемещении электронного пучка 12 по поверхности i-ro люминофора последний возбуждается. Возникающее при этом излучение диспергируется дифракционной рещеткой 14, направляющей диспергированный

o пучок на зеркало 21 и далее на фотодатчик 22 и одновременно через отверстие в зеркале 21 и окно 17 вакуумной камеры 8 на спектральную щель 16. Центральная длина волны спектрального интервала выводимого излучения определяется положением возбуждаемого участка люминофора по координате X. Сигнал с фотодатчика 22 через коммутатор 5 по кабелю 23 поступает на регулятор 24 интенсивности электронного пучка.

за счет чего обеспечивается постоянство выходного сигнала фотодатчика 22, который на данном этапе сканирования выполняет функции детектора канала сравнения.

Излучение, прошедшее через спектральную щель 16, поступает в кюветное отделение 2 и, пройдя через исследуемый образец, попадает в измерительную систему 3. Вследствие постоянства сигнала, снимаемого с фотодатчика 22, сигнал на выходе измерительной системы характеризует пропускание или отражение образца. Благодаря перемещению электронного пучка 12 по координате Y устраняется опасность выгорания возбуждаемого люминофора даже при высокой интенсивности возбуждаемого излучения.

При дальнёйщем движении электронный пучок осуществляет считывание записанного на кодовой маске 20 кода длины волны, соответствующей середине спектрального интервала излучения, выводимого через спектральную щель 16. На период считывания выход фотодатчика 22 посредство.м коммутатора 5 подключен к декодирующему устройству. Поскольку при переходе электронного луча 12 на кодовую маску 20 не происходит перестройки спектрального состава люминесценции, на фотодатчик 22 будет поступать определенная последовательность импульсов излучения, которые преобразуются декодирующим устройством 6 в цифровой сигнал длины волны, поступающий на цифровой индикатор 7. Одновременно информация о длине волны может поступать на магнитную ленту, в ЭВМ и т. д. Для уменьшения уровня темнового сигнала во время сканирования электронного пучка по поверхности кодовой маски 20 и люминофорного экрана 19 фотоприемник измерительной системы 3 выключается, и на выходе этой системы сохраняется сигнал, выработанный во время прохождения электронного пучка 12 по поверхности набора 18 люминофоров.

После считывания кода коммутатор 5 отключает фотодатчик 22 от декодирующего устройства 6, а регулятор 24 выключает элект устройства 6, а регулятор 24 выключает элект устройства 6, а регулятор 24 выключает электронный пучок 12. В момент, соответствующий нарастанию напряжения в системе 11 отклонения электронного пучка 12 по координате Удо максимального значения, регулятор 24 вновь включает электронный пучок 12 и на люминофорном экране 19 возникает светящаяся точка, визуально наблюдаемая оператором через прозрачную часть подложки 15. Положение этой точки по координате Усоответствует сигналу, поступивщему от из.мерительной системы 3 по 13, т. е. характеризует величину аналитического сигнала, например пропускание исследуемого образца.

Отклонившись на заданную величину по координате У, электронный пучок возвращается в исходное положение и начинается новый цикл сканирования по координатеУ, соответствующий следующему значению центральной длины спектрального интервала излучения, выводимого через спектральную щель 16.

По .мере перемещения электронного пучка 12 по координате X на цифровой индикатор 7 поступает (с заданным шагом) полная информация о сканируемых длинах волн, а на люминофорном экране отображается

исследуемый спектр.

Формула изобретения

Быстродействующий спектрометр, включающий перестраиваемый источник излучения, содержащий вакуумную камеру, в которой установлены электронная пушка с регулятором интенсивности электронного пучка, система отклонения электронного пучка по координатам X и У и прозрачная подложка

с набором различных лю.минофоров, дифракционную решетку со штрихами, параллельными координатеУ, оптически сопрягающую набор люминофоров со спектральной щелью, кюветное отделение, измерительную систер му и систему отображения спектра, снабженную люминофорным экраном, фотодатчиком длины волны и цифровым индикатором, отличающийся тем, что, с целью расщирения аналитических возможностей спектрометра, система отображения спектра снабжена кодовой маской, перекрывающей часть поверхности набора люминофоров и ориентированной своими разрядными дорожками параллельно координате X , при этом люминофорный экран нанесен на прозрачную часть

, подложки со смещением по координатеУ относительно набора люминофоров, а фотодатчик, подключенный своим выходом через коммутатор к регулятору интенсивности электронного пучка и к декодирующему устройству, включенному на входе цифрового

5 индикатора, оптически сопряжен с кодовой маской и набором люминофоров.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Патент США № 3561872, кл. G 01 J 3/42, опублик. 1971 (прототип).