Устройство для регистрации эмиссии образца в среднем диапазоне инфракрасного спектра
DEVICE FOR RECORDING SAMPLE EMISSION IN MIDDLE RANGE OF INFRARED SPECTRUM

Предлагаемое устройство относится к области физики - нелинейной оптике, а именно - к спектральной измерительной технике, и может быть использовано для исследования структуры веществ в жидком и твердом состояниях по спектрам инфракрасной (ИК) эмиссии в среднем диапазоне длин волн.
Регистрировать спектры ИК-эмиссии от испытуемых образцов начали сравнительно недавно, в середине прошлого столетия, когда появилась высокочувствительная ИК-Фурье техника. Чтобы получить ИК-эмиссию от образцов приходилось нагревать металлические поверхности до температур 100°C и выше. При этом регистрируемые спектры представляли собой суммарные спектры излучения металлической подложки и спектров ИК-эмиссии образца. Нетермостойкие и биологические образцы из-за их деструкции при высокой температуре не использовались.
Известна полезная модель для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца [1], содержащая внешний источник монохроматического излучения, предметную плоскость, тороидное зеркало, оптически связанное с предметной плоскостью и плоским зеркалом, которое расположено на одной оси с воспринимающей оптической системой регистрирующего ИК-Фурье спектрометра.
Недостатками этого устройства являются сложность оптической и регистрирующей схемы, а также технических процедур по обслуживанию оптики и подготовке образца.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому эффекту, выбранным в качестве прототипа, является полезная модель для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца [2], содержащая расположенные на одной оптической оси с источником излучения конденсорную систему и плоское зеркало, оптически связанное с плоскостью образца, которая сопряжена со сферическим зеркалом, оптически связанным со вторым плоским зеркалом, от которого лучи идут через ряд вспомогательных оптических элементов на компактную систему регистрации, включающую в себя ирисовую диафрагму и чувствительный ИК-приемник.
Недостатком прототипа является медленная скорость регистрация спектров за счет инерционности шагового двигателя, используемого для механического раскрытия ирисовой диафрагмы. Технической задачей решения является упрощение схемы полезной модели, уменьшение ее размеров и повышение быстродействия работы.
Поставленная задача достигается тем, что для регистрации ИК спектра эмиссии образца используется более простая по сравнению с известной полезной моделью [2] оптическая схема и принципиально иная система регистрации, представляющая собой применение фиксирующей угловое спектральное распределение ИК-излучения чувствительной инфракрасной матрицы с числом пикселей 32×31 с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно плоскости проецирования измеряемого ИК-эмиссионного сигнала.
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами:
на фиг. 1 изображена принципиальная оптическая схема устройства;
на фиг. 2 изображен общий вид ИК-эмиссионного спектрометра;
-1
на фиг. 3 представлен записанный на макете предлагаемого устройства (верхняя кривая) и на традиционном ИК-Фурье спектрометре (нижняя кривая) спектр полистирола в диапазоне (600-1600 см);
-1
на фиг. 4 представлен записанный на макете предлагаемого (верхняя кривая) и на традиционном ИК-Фурье спектрометре (нижняя кривая) спектр полистирола в спектральном диапазоне (1500-2800 см);
на фиг. 5 изображена блок-схема матричного сканирования ИК-эмиссионного сигнала:
ИК объектив - 9, матрица ИК-приемников - 10; блок термостабилизации матрицы - 11;
электронные схемы управления - 12, 13.
Предлагаемая модель (фиг. 1) содержит: источник излучения 1 (источник когерентного или некогерентного света, любая газоразрядная лампа - ртутная, ксеноновая); систему конденсоров 2; сменяемый светофильтр - 3; первое плоское зеркало 4, расположенное под углом 45° к предметной плоскости; 5 - предметную плоскость с подложкой с нанесенным на нее исследуемым образцом любой толщины, прозрачности, жидким или твердым; сферическое зеркало 6 и второе плоское зеркало 7; воспринимающую систему - матрицу 8 (число пикселей 32×31), обрабатывающий ИК-сигнал компьютер.
Предлагаемое новое решение позволило увеличить в 100 раз быстродействие прибора. Это значительно расширяет возможности данного класса приборов. Сокращение по сравнению с заявленным в патенте РФ №2345332 числа оптико-механических элементов дополнительно увеличивают светосилу оптической схемы полезной модели и обеспечивает непревзойденное отношение сигнал/шум при проведении подобных исследований. Прототип ИК-эмиссионной полезной модели работает под управлением разработанного программного обеспечения с развитой системой администрирования и обеспечения безопасности электронных данных. Пакет обеспечивает сбор данных, их обработку, в том числе количественный анализ и спектральный поиск. Общий вид модели ИК-эмиссионного спектрометра представлен на фиг. 2.
Важным параметром любого спектрального прибора является его разрешающая способность. Для изменения разрешающей способности и определения точных числовых значений спектрального разрешения полезной модели использовали подвижные оптико-механические конструкции. Изменение взаиморасположения ИК-матрицы по отношению к образцу вдоль ИК-луча позволяло заводить на ИК-матрицу полный ИК-пучок или направлять только часть исходящего от образца излучения. Это дает возможность варьировать спектральное разрешение.
-1
-1
-1
-1
-1
Например, если на ИК-матрицу попадает большой спектральный интервал, то при заданном (1064) числе пикселей на матрице это приводит к разрешающей способности в 40 см. Если же матрицу переместить (отодвинуть дальше от промежуточного фокуса) так, что на матрице спектральный промежуток уменьшается, то разрешающая способность увеличивается до 4 см. Смещение ИК-матрицы перпендикулярно направлению эмиссии сигнала позволяет рассматривать другие участки спектра, с тем же спектральным разрешением (4 см). На фиг. 3 и 4 в верхней части показаны примеры спектров одного и того же образца (пленка полистирола) в разных спектральных диапазонах и с разным спектральным разрешением. В записанных на предлагаемом устройстве спектрах (фиг. 3 и 4) по оси абсцисс - угловой размер представлен в пикселях, по оси ординат - интенсивность ИК-сигнала представлена в условных единицах. Для сравнения внизу на фиг. 3 и 4 приведены спектры полистирола, полученные на традиционном ИК-Фурье спектрометре в диапазоне 1600-600 см (фиг. 3) и 2800-1500 см (фиг. 4).
Для изменения спектрального интервала потребовалось введение подвижных оптико-механических элементов. Таким образом, экспериментально было показано, что варьируя расположения элементов полезного макета, при одном и том же ограниченном наборе пикселей матрицы можно получать различное спектральное разрешение.
Видно, что между спектральными характеристиками, полученными на традиционном приборе ИК-Фурье спектрометре и разработанном полезном макете, наблюдается определенное сходство в количестве и положении пиков, а также распределении интенсивности между пиками, что дает основание делать вывод, что разработанный макет ИК-эмиссионного спектрометра пригоден для исследования образцов в инфракрасной области.
6
6
4
6
6
4
Тестовые измерения с помощью полезной модели также были выполнены на жидких образцах бензола CH и четыреххлористого углерода CCL и исследованы их спектральные характеристики. Оба вещества - бензол CH и четыреххлористый углерод CCL являются широко известными спектроскопическими объектами и использовались нами в качестве стандартов. Сравнительное отнесение полос показало хорошее совпадение.
Приведенные выше изображения на фиг. 3 и 4 показывают качество полученных спектров и возможности полезной модели в зависимости от задач.
Устройство работает следующим образом: спектрально широкополосное оптическое излучение от источника 1 фокусируется системой конденсоров 2 через сменяемые фильтры 3 на плоское зеркало 4, которое отражает сфокусированное излучение на предметную плоскость с образцом 5. Под действием излучения оптического диапазона в образце происходит возбуждение и испускание ИК-квантов. ИК-эмиссия собирается сферическим зеркалом 6, формируется в слабо расходящийся пучок и направляется на плоское зеркало 7, которое далее попадает на ИК-матрицу 8, которая регистрирует угловое распределение спектрального состава ИК-излучения и визуализирует сигнал, что далее обрабатывается компьютером с помощью программного обеспечения, который управляет матрицей и записывает спектры исследуемого образца в требуемом формате.
Сущность технического решения заключается в следующем. Частично когерентное излучение слабой интенсивности от источника видимого света фокусируется в плоскости образца и возбуждает молекулярные колебания, индуцирующие ИК-эмиссию, которая как возбуждающее излучение имеет конусную симметрию. ИК-матрица расположена ортогонально направлению эмиссионного ИК-излучения, имеющему форму концентрических колец разного диаметра. Низкочастотным колебаниям соответствуют кольца малого диаметра, а высокочастотным колебаниям - кольца большего диаметра.
Так как при использовании газоразрядной лампы с полихроматическим спектром в качестве источника возбуждающего излучения возбуждаются все моды в образце, то реализуется возможность регистрировать не только ИК-эмиссионные активные колебания, но и колебания активные в комбинационном рассеянии света. Матрица (8) имеет возможность перемещаться как вдоль оси ИК-эмиссионного луча, и при этом меняется величина разрешения регистрируемых спектров, а также и поперек луча, и тогда регистрируется необходимая часть спектра. Это дает возможность в зависимости от задач дополнительно быстро снимать спектр по частям, но с повышенным разрешением или целиком весь спектр с меньшим спектральным разрешением.
Качество ИК-эмиссионного спектрометра зависит от нескольких факторов, и одним из наиболее важных является совмещение оптических компонент с матрицей. Именно они определяют качество изображения источника излучения и определяют спектральное разрешение ИК - эмиссионного спектрометра. Была создана и испытана модель для регистрации спектров эмиссии. Источник видимого света - ксеноновая лампа мощностью 100 Вт, лучи от которой фокусировались системой короткофокусных линз диаметром 20 мм. Матрица с числом пикселей 32×31 устанавливалась на пути сходящихся лучей от второго плоского зеркала на расстоянии, при котором размер пучка ИК-эмиссии совпадал по размерам с входным окном матрицы 9 (фиг. 5), тем самым использовалось полностью все идущее на матрицу излучение от образца. На фиг. 5 представлена блок-схема ИК-матрицы, которая содержит: ИК-объектив - 9; матрицу ИК-приемников - 10; блок термостабилизации матрицы - 11; электронные схемы управления - 12, 13.
Для повышения спектрального разрешения возможно использование матрицы с большим числом пикселей, но следствием этого будет значительное удорожание полезной модели.
Предлагаемая полезная модель, по сравнению с прототипом, обладает следующими преимуществами:
- она более компактна по сравнению с прототипом, поскольку содержит меньшее число оптических и электронных элементов. В частности, не используются ирисовая диафрагма, шаговый двигатель и пироэлектрический приемник. Используемый в регистрирующей системе прототипа пироэлектрический приемник не функционирует в непрерывном режиме, а только в импульсном, чтобы не было выхода его сигнала за пределы динамического диапазона. Для этого применялся модулятор - вращающийся с частотой 100 Гц прерыватель сигнала, что усложняло модель, замедляло время обработки компьютером полезного сигнала, а также увеличивало ее габариты. Размеры предлагаемой модели составляют 300×200×100 см;
- модель имеет более простую оптическую схему, дешевле в изготовлении, более портативна, приведенные выше габариты делают ее удобной и переносной;
-1
-1
-1
- благодаря использованию матрицы появилась возможность быстро и в автоматическом режиме получать обзорные спектры в области 400-3000 см с разрешением около 40 см или детально регистрировать любую часть спектра, но с лучшим разрешением около 4 см. Это делает более быстрой регистрацию спектров, что упрощает и облегчает работу модели и создает удобство в пользовании и с меньшими погрешностями измерений.
Таким образом, поставленная задача успешно достигнута.
Источники информации
1. «Preliminary Studies of Laser-Induced Thermal Emission Spectroscopy of Condensed Phases», L.T. Lin, D.D. Archibald and D.E. Honigs, Applied Spectroscopy, Volume 42, №3, 1988.
2. Прототип. Патент РФ №2345332 от 27 января 2009 г. Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца, Авторы Терпугов Е.Л., Дегтярева О.В., Хорохорин А.И., Савранский В.В., Митрохин И.А., Ахметов В.А. Заявка №2007112801.