Лабораторный КРС-спектрометр

2



Федеральное агентство по образованию

Томский государственный университет



Физический факультет

Кафедра оптики и спектроскопии





















Лабораторный КРС – спектрометр.



 (курсовая работа)

















Выполнил: студент 4 курса

Луговской А. А.

Научный руководитель:

Королев Б. В.

Зав. кафедрой: 

профессор Майер Г. В.



















Томск – 2007





Содержание



Введение…………………………………………………………………………...3

КРС – спектрометр…………………………………………………………….6

Ограничения, налагаемые источником…………………………………..6

Блок – схема спектрометра………………………………………………..8

Преобразователь напряжение – частота AD652………………………..11

Концепция двухуровневого управления………………………………..14

Испытания КРС – спектрометра…………………………………………….17

Заключение……………………………………………………………………….20

Список литературы………………………………………………………………21


Введение.



Комбинационное рассеяние света (КРС) – рассеяние в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся появлением дополнительных частот в рассеянном свете.  Явление комбинационного рассеяния было открыто Г.С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в 1928 году при исследовании рассеяния света в кристаллах и одновременно Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном при исследовании рассеяния света в жидкостях. После открытия этого явления начались широкие исследования КРС как в нашей стране, так  и за рубежом. В настоящее время комбинационное рассеяние света оформилось в самостоятельный раздел спектроскопии.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС) основана на способности молекул рассеивать свет с частотами  при освещении их монохроматическим излучением с частотой , причем разность частот  строго индивидуальна для каждого сорта рассеивающих молекул и не зависит от частоты  [1]. Использование КРС при исследовании вещества исследователь получает возможность одновременного детектирования всех молекулярных компонентов среды с помощью одного источника света (лазера) с фиксированной (произвольной) частотой излучения . При этом сигнал КРС любой молекулярной компоненты газовой среды пропорционален ее концентрации, практически безинерционен, не подвержен тушению и не зависит от состава среды. Благодаря этому, спектроскопия КРС особенно перспективна для определения качественного и количественного состава сред сложного молекулярного состава. К сожалению, интенсивность линий в спектрах КРС очень мала и, поэтому, для их регистрации требуется сложная и дорогая аппаратура. Метод КРС является единственным оптическим методом диагностики молекулярных сред, состав которых заранее неизвестен.

Для получения спектров комбинационного рассеяния используют КРС – спектрометры, состоящие из лазерного источника излучения, кюветы с изучаемой средой, монохроматора, приёмника рассеянного излучения и системы обработки электрических сигналов. В качестве приёмников излучения в КРС – спектрометрах используются как одноканальные, так и многоканальные приёмники. К одноканальным приёмникам относятся фотоэлектронные умножители (ФЭУ), обладающие высокой чувствительностью. Регистрация спектра КРС с помощью ФЭУ осуществляется методом сканирования. При таком способе регистрации разные участки спектра записываются не одновременно. Для решения проблемы одновременности служат многоканальные приёмники излучения: фотодиодные ПЗС линейки и матрицы. Приёмники с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой полупроводниковые кристаллы с тысячами фоточувствительных элементов. Чувствительность отдельного элемента заметно уступает чувствительности ФЭУ. Однако, в отличие от ФЭУ, эти фотоприёмники позволяют одновременно регистрировать тысячи точек спектра.

В настоящее время большую роль при проведении спектральных измерений играет компьютер. Это в полной мере относится и к спектрам КРС. Компьютер применяют как для автоматизации экспериментальных установок, так и для выполнения тяжелой рутинной работы, связанной с обработкой полученных в ходе эксперимента данных. Автоматизация КРС-спектрометра с помощью компьютера заключается в управлении процессом сканирования спектральной картины, вычитании фона, обусловленного темновыми токами прибора, а также в организованном предоставлении данных в файлах библиотек и наглядную визуализацию спектров на экране монитора. После появления автоматизированных установок существенно упростился процесс расшифровки линий спектров КРС.

Целью данной курсовой работы является разработка лабораторного КРС-спектрометра, предназначенного для наблюдения явления комбинационного рассеяния света в жидкостях.


КРС – спектрометр



		Ограничения, налагаемые источником



При использовании импульсного лазера на парах меди в качестве источника излучения для получения спектров комбинационного рассеяния возникли некоторые проблемы, которые обсуждаются в данном  разделе.

Во-первых, тот факт, что лазер импульсный, а не непрерывный, сразу лишил нас возможности использовать метод счета фотонов. Действительно, за лазерным импульсом, который длится в течение 20 нс, следует перерыв, который длится в течение 100000 нс. Получается, что 99,98% времени излучение вообще отсутствует. Для решения этой проблемы может послужить быстрый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который будет включаться только на время импульса. Однако, такие АЦП, как правило, имеют чрезмерно высокую стоимость. В нашей установке использован метод интегрирования фототока, при котором излучение за все время экспозиции усредняется. К сожалению, при этом интегрируется и весь темновой фототок, что снижает и чувствительность, и динамический диапазон спектрометра.

Во-вторых, в спектре излучения медного лазера присутствуют разрядные линии. Их хорошо видно на рисунке 1, который был снят в отсутствие кюветы с жидкостью. Эти линии, при использовании лазера в других целях (например, в медицине), не создают помех в работе вследствие своей относительно малой интенсивности. При наблюдении же спектров комбинационного рассеяния интенсивность этих линий оказывается больше интенсивности сигнала КР. Так же они закрывают собой значительную часть спектральной картины и, в частности, места возможного обнаружения линий КР.

В-третьих, лазер генерирует излучение на двух длинах волн. Это приводит к появлению двух наборов линий КР. Помимо необоснованного усложнения спектра это может привести к наложению линий из разных наборов и невозможности определения интенсивности этих линий.

Таким образом, непосредственное использование данного лазера весьма затруднено: необходима  разработка некой оптической системы для выделения единственной линии излучения, что неизбежно связано с дополнительными потерями мощности излучения.

		



Рисунок 1. Спектр излучения лазера на парах меди в спектральном интервале, интересном для изучения КР.





1.2 Блок – схема спектрометра.



	Для автоматизации КРС – спектрометра разработан интерфейс устройства сопряжения экспериментальной установки с ЭВМ, схема которого показана на рисунке 1. Особенность данной установки является наличие управляющего микроконтроллера, который играет роль посредника между ЭВМ и объектами управления. Подробнее эта роль будет описана в разделе «концепция двухуровневого управления».

	В качестве источника излучения используется импульсный лазер на парах меди, генерирующий излучение на двух длинах волн (нм и нм). Лазер расположен на довольно большом расстоянии от спектрометра, под прямым углом к нормали падения излучения на диафрагму. Таким образом, практически исключается появление в спектре паразитных разрядных линий, которые значительно усложняют работу, а так же появляется возможность использования в качестве монохроматора лазерного излучения последовательности призмы и диафрагмы. Призма разлагает желтую и зеленую линии генерации, а также многочисленные разрядные линии в спектр, а диафрагма пропускает лишь возбуждающее излучение с длиной волны нм. Собирающая линза 1 фокусирует это излучение в  кювете с исследуемой жидкостью. Линза 2 фокусирует изображение образовавшейся перетяжки на вход монохроматора МДР–23. Важно заметить, что изображение перетяжки рассматривается под прямым углом к падающему на образец излучению, поскольку в этом направлении релеевское рассеяние имеет наименьшую величину и позволяет наблюдать линии КР. 

	Монохроматор МДР-23 снабжен  четырёхфазным шаговым двигателем, который обеспечивает установку длины волны в плоскости выходной щели путём поворота дифракционной решетки. Дифракционная решётка проецирует изображение спектра на вход фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), питание которого обеспечивается высоковольтным (-2000В) стабилизированным блоком питания. Анодный ток ФЭУ поступает на усилитель постоянного тока (УПТ), который выполняет функцию преобразования ток-напряжение.  Крутизна преобразования - 6 В/мкА. Величина напряжения на выходе УПТ пропорциональна интенсивности измеряемого светового сигнала с высокой линейностью.

	Для оцифровки полученного таким способом напряжения используется интегрирующий преобразователь напряжение – частота (ПНЧ), специализированная микросхема AD652 фирмы Analog Devices. Сочетание УПТ+ПНЧ позволяет измерять как постоянные, так и меняющиеся во времени сигналы, и даже импульсные. Полученный частотный поток поступает на счетчик микроконтроллера. Количество импульсов, накопленное за определённый фиксированный интервал времени, и образует отсчёт измеряемого сигнала, который через стандартный COM-порт передается в ЭВМ.

	Для управления шаговым двигателем использован штатный заводской блок управления шагового двигателя (БУШД). Однако, логика управления двигателем в БУШД нами отключена, и он используется только как источник питания обмоток двигателя. Логика управления двигателем реализована в микроконтроллере.

	Таким образом, спектрометр представляет собой автоматизированную экспериментальную установку, которая является совокупностью спектральной и измерительной аппаратуры, а также компьютера.







		





Рисунок 2. Блок схема КРС - спектрометра  

1.3 Преобразователь напряжение – частота AD652.



Важным элементом измерительного тракта КРС-спектрометра является преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) с уравновешиванием зарядов - микросхема AD652. Такое внимание к этой микросхеме в данной работе обусловлено тем, что именно метрические свойства ПНЧ определяют все метрические свойства установки, поскольку после ПНЧ вся дальнейшая обработка ведется в цифровом представлении, без накопления погрешности. 

В этой микросхеме входное аналоговое напряжение преобразуется в выходную импульсную последовательность, частота которой пропорциональна входному напряжению. Это осуществляется электрической схемой, приведенной на рис.2. 









Рисунок 3. Электрическая схема ПНЧ AD652.





Рисунок 4. Диаграмма работы интегратора



 В зависимости от выходного сигнала компаратора импульсы тока фиксированной длительности (т. е. с фиксированным приростом заряда) подключаются при каждом изменении тактовых импульсов либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддерживать нулевой средний ток на суммирующем входе. Это принцип уравновешивания [4] (Его особенность заключена в применении конденсатора для отслеживания отношения уровня входного сигнала к эталонному: рис. 2). Счетчик отслеживает число импульсов подключения к суммирующему входу (не более 2млн). Полученное число будет пропорционально среднему входному уровню за это число тактовых импульсов. После того, как сигнал выхода интегратора достигает порога компаратора, выход вентиля AND переходит в верхнее состояние. Ничего не происходит, пока нулевой уровень тактового генератора  не попадает на вход триггера. В этот момент, тактовый генератор находится в состоянии нижнего уровня,  поэтому триггер не меняет состояние. Когда генератор возвращается в единичное состояние, триггер также переходит в единичное состояние (рис. 4) и дает команду  переключателю вычесть из интегратора определенное наперед заданное значение; в этот самый момент, триггер дает команду вентилю AND встать в нижнее состояние выхода. На следующем отрицательном такте генератора, нижнее выходное состояние вентиля AND передается на вход D триггера. Когда генератор возвращается в верхнее состояние, выход триггера переходит в нижнее состояние и дает команду переключателю вернуться в режим интегрирования. В то же самое время триггер дает команду на вход вентилю AND встать в режим высокого уровня.

Импульсы сброса, приложенные к интегратору, имеют длину ровно одного периода генератора, единственный случай, когда могут возникнуть отклонения, это при нагревании, поэтому необходимо качественно подбирать питание микросхемы, во избежание перегрева.

Основные характеристики микросхемы AD652:

Крутизна преобразования				200 кГц/В

Ошибка крутизны преобразования			0,25%

Максимальная выходная частота			2 МГц

Ошибка линейности					0,01%

Входной ток						5∙10-9 А



1.4 Концепция двухуровневого управления.



Для управления элементами спектрометра и обеспечения диалога с пользователем была разработана система двухуровневого управления. Верхний уровень – уровень пользователя – реализуется  программой для компьютера типа Pentium, написанной в среде Visual Basic 6.0. Нижний уровень – уровень управления оборудованием – реализуется программируемым микроконтроллером (микросхема ATMega128 фирмы Atmel), который имеет цифровые и аналоговые входы и выходы, счетные каналы и другую периферию. Связь между уровнями осуществляется через стандартный порт RS-232.

Необходимость такого разделения объясняется тем, что современные многозадачные операционные системы используют концепцию разделения времени процессора между несколькими выполняющимися приложениями. Это может привести к ситуации, что задача реального времени не сможет вовремя обработать наступившее в системе событие из-за того, что в этот момент исполнялась совсем другая задача.

В данном спектрометре при синхронном сканировании спектра с ПНЧ непрерывно поступают импульсы, и нужно подсчитать их количество в единицу времени. Именно стабильность длительности этой единицы  определяет метрические свойства спектрометра. Однако, обеспечить необходимую стабильность в многозадачной системе, какой является Windows, не представляется возможным. Попытка выполнить управляющие действия в среде Windows в лучшем случае приведет к резкому ухудшению точности измерений, в худшем – к потере данных.

При использовании  системы двухуровневого управления такая проблема исчезает. На верхнем уровне управления в удобном для пользователя виде задаются следующие параметры:

текущая длина волны, указанная на механическом барабане монохроматора

начальная длина волны сканирования спектра

конечная длина волны сканирования спектра

экспозиция

шаг сканирования

Также обеспечивается графическая визуализация измеренных спектров, ведение библиотеки спектров на диске и прочий сервис.

На нижнем уровне управления микроконтроллер выполняет следующие действия:

получает от ЭВМ информацию о количестве оборотов, которое следует сделать шаговому двигателю,  и экспозиции;

по команде от ЭВМ отрабатывает вращение двигателя;

по команде от ЭВМ за калиброванное время подсчитывает число импульсов, поступающих на встроенный счетчик с преобразователя напряжение – частота AD652, и сохраняет это значение (интенсивность света) в своей памяти;

По команде от ЭВМ передает сохраненное значение интенсивности через СОМ-порт;

Режим реального времени обеспечивается тем, что управляющая программа монопольно использует ресурсы микроконтроллера и не прерывается никакими другими процессами. А стабильность временных интервалов определяется кварцевым генератором на частоту 16 МГц, с помощью которого микроконтроллер способен программно-аппаратно формировать произвольные временные интервалы с точностью 10-5.

Таким образом, благодаря разделению управления спектрометром на два уровня, происходящие в недрах Windows процессы не является помехой при сканировании спектра, поскольку критические во времени события микроконтроллер отслеживает автономно.

	Немаловажным преимуществом такого подхода является также то, что функции взаимодействия с оборудованием на физическом уровне осуществляет независимый контроллер, связанный с компьютером через стандартный интерфейс. Это значит, что нет необходимости вскрывать компьютер и устанавливать в него дополнительный платы, способные его повредить.


2. Испытания КРС – спектрометра.



В ходе испытаний КРС – спектрометра были сняты спектры комбинационного рассеяния четыреххлористого углерода (рис. 5), ацетона (рис. 6) и дистиллированной воды (рис. 7). Поскольку опыты проводились лишь в целях испытания установки и не несут ничего нового, проанализируем только спектр четыреххлористого углерода.  В таблице 1 приведены полученные, а также истинные значения комбинационных сдвигов этих молекул.



Молекула

Стоксовый сдвиг частоты

Антистоксовый сдвиг частоты

Истинный КР-сдвиг [5]

CCl4



























Таблица 1. значения комбинационных сдвигов для молекулы CCl4



Проанализируем полученные данные. Согласно положениям теории комбинационного рассеяния света, стоксовый и антистоксовый сдвиги частот должны быть симметричны относительно релеевской линии [2]. Как следует из полученных данных, отклонение от данного правила довольно стабильно (оно составляет 26 – 29 см-1) и, поэтому, не вызывает сомнения в том, что это линии КР. К тому же, если рассмотреть среднее значение стоксова и антистоксова сдвигов, то получим значения всего на 1,5 см-1 отличающиеся от истинных. Таким образом, мы получили спектральную картину, смещенную относительно истинной на несколько ангстрем. Такое смещение объясняется смещением счетного барабана спектрометра. В дальнейшем стоит задача исключения этой ошибки измерений. 

	По графикам приближенно была определена чувствительность данного метода получения спектра комбинационного рассеяния. В таблице 2 приведены минимально допустимые концентрации исследованных веществ, при которых сигнал КР еще будет заметен.

Вещество

CCl4

CH3 – CO – CH3

H2O

Минимально допустимая концентрация

0,018%

16%

8%



Таблица 2. Чувствительность метода.









Рисунок 5. Спектр четыреххлористого углерода (CCl4).



Рисунок 6. Спектр ацетона (CH3 – CO – CH3)









	Рисунок 7. Спектр дистиллированной воды (H2O)

Заключение.



	В результате выполнения курсовой работы было сделано следующее:

Разработан и собран автоматизированный КРС – спектрометр для наблюдения комбинационного рассеяния в жидкостях с двухуровневым управлением (компьютер – микроконтроллер).

Создано программное обеспечение для обоих уровней.

Проведено испытание системы сопряжения КРС – спектрометра и ЭВМ путем записи спектров комбинационного рассеяния различных жидкостей.

Проведен критический анализ работы спектрометра на основе изучения спектра четыреххлористого углерода.

Принято решение о совершенствовании как внешнего вида установки, так и программы визуального оформления для удобного использования в качестве лабораторного практикума.


Список использованной литературы.



Сущинский М. М. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов. – М.: Наука, 1969. – 300с. 

В. Демтредер. Лазерная спектроскопия: основные принципы и техника эксперимента: пер. с англ. / под ред. И.И. Собельмана. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.– 608 с, ил. 

http://www.analog.com/ . Voltage – to – Frequency converter AD652.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд. 6-е. – М.: Мир, 2003. – 704с., ил. 

Кольрауш К. Спектры комбинационного рассеяния: Пер. с нем./ под ред. Г. С. Ландсберга. – М.: Издание иностранной литературы, 1952. – 466 с.