Устройство для спектрального анализа
DEVICE FOR SPECTRAL ANALYSIS

Изобретение относится к технике спектрального анализа веществ и может найти применение при атомно-абсорбционном или атомно-эмиссионном измерении.
Известно устройство формирования оптического спектра, в котором пространственное разделение излучения разных длин волн осуществляется с помощью прозрачной призмы, где используется зависимость показателя преломления в оптическом стекле от длины волны (дисперсия). [Техника и практика спектроскопии. Зайдель А.П., Островская Г.В., Островский Ю.И. (Серия «Физика и техника спектрального анализа», Изд-во «Наука, Гл. редакция физико-мат. литературы, М., 1972, с. 23-28].
Основным недостатком известного устройства является ослабление светового потока при прохождении через призму за счет ее свойств поглощения и отражения, что уменьшает эффективность спектрального анализа исследуемого вещества.
Известен спектроскоп (патент РФ №2069323), состоящий из канала излучения, включающего оптически связанные входную щель, вогнутое сферическое зеркало, плоскую дифракционную решетку, выходное окно и канала шкалы, включающего шкалу длин волн, плоское зеркало, вогнутое сферическое зеркало, которое через зону прозрачности плоской дифракционной решетки оптически связано с выходным окном.
Недостатком этого устройства являются громоздкость, сложность его. изготовления и настройки, что увеличивает стоимость и снижает надежность в эксплуатации. Другим недостатком является снижение интенсивности светового излучения при прохождении через входную щель дифракционной решетки, что дополнительно снижает эффективность спектрального анализа исследуемого вещества.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом), является устройство для оптической спектроскопии материалов (патент РФ №2290625, опубл. 27.12.2006, Бюл. 36), содержащее источник оптического излучения, монохроматор в виде набора светофильтров, кювету для размещения исследуемого материала, фотоэлектрический преобразователь (фотоприемник), усилитель и регистрирующий прибор.
Недостатками данного устройств являются снижение интенсивности светового потока (источника света) при прохождении через светофильтры, а также большая трудоемкость изготовления и настройки.
Техническая задача предлагаемого изобретения, состоит в создании устройства для оптического спектрального анализа веществ (жидкостей или газов), исключающего потери светового потока связанные с прохождением его через призму, входные щели дифракционных решеток, светофильтры и т.д. При этом для усиления светового потока в качестве источника излучения предлагается использовать органические светоизлучающие диоды, которые по сравнению с неорганическими (кристаллическими) обладают большой яркостью, контрастностью, малым временем отклика и низким энергопотреблением. Кроме того, органические светодиоды представляют собой растворимые материалы, что обеспечивает им чрезвычайно дешевое изготовление с использованием струйного 3D принтера.
Технический результат заключается в повышении эффективности анализа химических элементов в исследуемом веществе за счет исключения потерь светового потока, связанных с прохождением его через призму, входные щели дифракционных решеток, светофильтры и т.д.
1
k
Технический результат достигается тем, что в устройство для спектрального анализа, содержащее источник светового излучения, многоэлементный фотоприемник, подключенный к блоку регистрации и обработки информации, кювету для размещения исследуемого вещества, согласно изобретению в него введены генератор видеосигнала, селектор синхроимпульсов и монитор, при этом источник оптического излучения выполнен в виде светодиодного микродисплея, включающего несущую основу, выполненную в виде прозрачной подложки, внутри которой герметично установлены прозрачный анод, светоотражающий катод и размещенный между ними набор слоев органических веществ, состоящий из прозрачного слоя транспортировки дырок, эмиссионного слоя, содержащего органические вещества для излучения монохроматических цветов, слоя транспортировки электронов, анод, катод и слои органических веществ выполнены в виде полых кубов соосно вставленных друг в друга, причем органические слои и слой анода разделены на светоизлучающие светодиоды с длиной волны монохроматического излучения от фиолетового (λ=380 нм), до красного (λ=760 нм) цвета, где k - количество монохроматических излучений, формирующих видимый спектр, образуя экран, состоящий из четырех боковых поверхностей куба, содержащих m строк и n столбцов, экран разделен слева - направо на сегменты, каждый из которых содержит пикселы, соответственно, фиолетового, синего, голубого, зеленого, желтого, оранжевого и красного излучения с общим катодом в полости, которого размещена микросхема управления излучением, входом подключенная к выходу генератора видеосигнала, а сам микродисплей жестко, соосно и с минимально возможным воздушным зазором, обеспечивающим удовлетворительное прохождение анализируемого вещества на выход из кюветы, установлен внутри полости фотоприемника; многоэлементный фотоприемник выполнен в форме куба, герметично установленного в прозрачный кожух внутренняя четырехсторонняя поверхность, которого состоит из элементарных фоточувствительных ячеек, представляющих собой полупроводниковый прибор с зарядовой связью (ПЗС), а вся внутренняя четырехсторонняя поверхность фотоприемника - ПЗС матрицу, содержащую m строк и n столбцов, а его выход подключен к входу монитора; селектор синхроимпульсов входом подключен к выходу генератора видеосигнала, а выходом к входу фотоприемника; кювета образована светоизлучающей поверхностью экрана микродисплея, фоточувствительной поверхностью фотоприемника и воронкой, установленной на входе поступления в ее полость вещества в виде жидкости или газа.
Целесообразно для использования атомно-эмиссионного метода спектрального анализа вещества введение в устройство атомизатора, состоящего из тугоплавкой спирали, установленной в кювету и регулируемого источника электропитания.
На фиг. 1 изображена упрощенная структурная схема устройства для спектрального анализа вещества.
На фиг. 2 изображен упрощенный вид приемо-передающего блока анализа оптического спектра в разрезе.
На фиг. 3 представлена конструкция органического светодиодного микродисплея кубической формы в разрезе, экран которого разделен на сегменты, каждый го которых содержит светодиоды (пикселы) цветового излучения определенной длиной волны.
На фиг. 4 показана в упрощенном виде конструкция органического светоизлучающего диода.
На фиг. 5 изображена в упрощенном виде электрическая схема микродисплея.
На фиг. 6 показан упрощенный внешний вид источника светового излучения (микродисплея), четырехсторонний экран, которого разделен на сегменты, излучающие видимый спектр с длинами электромагнитных волн от фиолетового (380 нм) до красного (760 нм).
На фиг. 7 представлена кадровая развертка изображения монохроматических цветных полос от фиолетового (380 нм) до красного (760 нм), выполненная по сегментам слева-направо, а развертка каждого сегмента осуществляется построчно слева-направо и сверху-вниз.
На фиг. 8 изображен упрощенный внешний вид многоэлементного фотоприемника с внутренней четырехгранной полостью, фоточувствительная поверхность которого состоит из элементарных фоточувствительных ячеек.
На фиг. 9 представлена упрощенная конструкция приемо-передающего блока анализа оптического спектра, содержащая источник светового излучения и фотоприемник.
На фиг. 10 показан на экране монитора линейчатый спектр вещества, помещенного в кювету и анализируемого с применением атомно-абсорбционного метода.
На фиг. 11 изображена в упрощенном виде конструкция устройства для спектрального анализа вещества в разрезе, содержащего атомизатор, состоящий из тугоплавкой спирали и регулируемого источника электрического тока при использовании атомно-эмиссионного методу анализа.
На фиг. 12 представлен атомизатор для атомно-эмиссионного анализа вещества, состоящий из тугоплавкой спирали и регулируемого источника электропитания.
На фиг. 13 показан на экране монитора линейчатый спектр вещества, помещенного в кювету и анализируемого с применением атомно-эмиссионного метода.
В общем виде заявленное устройство для спектрального анализа 1, упрощенная конструкция которого в различных ракурсах представлена на фиг. 1 - 4, 6, 8, 9, 11, 12 содержит генератор 2 видеосигнала 3, включающего строчные и кадровые синхроимпульсы 4 кадровой развертки 5 изображения оптического спектра 6 (фиг. 7), селектор 7 синхроимпульсов 4, источник излучения 8, выполненный на основе органического светодиодного микродисплея 8 (патент РФ №2631539 «Органический светодиодный микродисплей», опубл. 25.09.2017, бюл. 27), многоэлементный фотоприемник 9, блок регистрации и обработки информации 10 спектра излучения 6, кювету 11 для размещения исследуемого вещества 12 (жидкости или газа).
1
k
Органический светодиодный микродисплей 8 (фиг. 2 - фиг. 4), содержит несущую основу, выполненную в виде прозрачной подложки 13, внутри которой герметично установлены прозрачный анод 14, светоотражающий катод 15 и размещенный между ними набор слоев органических веществ, состоящий, по меньшей мере, из прозрачного слоя транспортировки дырок 16, эмиссионного слоя 17, содержащего органические вещества для излучения монохроматических цветов (фиг. 6, фиг. 7), от фиолетового (λ=380 нм) до красного (λ=760 нм, где k - количество монохроматических излучений, формирует весь видимый спектр), слоя транспортировки электронов 18.
1
k
Причем анод 14, катод 15 и слои органических веществ 16, 17, 18 выполнены в виде полых кубов соосно вставленных друг в друга. При этом слой анода 14 и органические слои 16, 17, 18 разделены соответственно на светодиоды 19 (пикселы 19) с длиной волны излучения от фиолетового (λ=380 нм), до красного (λ=760 нм) цвета, образуя четырехсторонний экран 20, кубической формы боковые поверхности, которого содержат m строк и n столбцов пикселов. В свою очередь, экран 20 (фиг. 6, 7) разделен слева - направо на сегменты 21 (фиг. 3), каждый из которых содержит пикселы 19, соответственно, фиолетового, синего, голубого, зеленого, желтого, оранжевого и красного излучения.
2
3
В качестве материалов для светоотражающего катода 15 могут быть использованы Li-Al или Mg-Ag, для светопропускающего слоя - прозрачная пленка ITO (InO). В качестве эмиссионного слоя 17 можно использовать соединения скандия с гетероциклическими лигандами. При этом каждая длина волны λ монохроматического излучения обеспечивается подбором органического материала для эмиссионного слоя.
В полости 22 катода 15 микродисплея 8 (фиг. 3) размещена микросхема управления излучением 23 (фиг. 6), содержащая вход видео 24 к которому через разъем 25 подключен выход генератора 2 видеосигнала 3.
Для синхронизации кадровых разверток микродисплея и фотоприемника выход генератора 2 также подключен к входу селектора 7 синхроимпульсов 4 кадровой развертки 5, а его выход через разъем 26 соединен с входом фотоприемника 9. Выход фотоприемника 9 через разъем 26 подключен к блоку регистрации и обработки информации 10 и к монитору 27 визуального анализа спектра 6.
Многоэлементный фотоприемник 9 герметично установлен в кожухе из прозрачного материала 28 и выполнен в виде полого куба (фиг. 8) на внутренней поверхности, которого размещено m строк и n столбцов элементарных фоточувствительных ячеек 29. Каждая элементарная фоточувствительная ячейка 29 может представлять собой полупроводниковый прибор с зарядовой связью (ПЗС), а вся внутренняя четырехсторонняя поверхность фотоприемника - ПЗС матрицу, содержащую m строк и n столбцов (см. Телевидение: Учеб. пособие для вузов / Р.Е. Быков, В.М. Сагалов, Г.А. Эйссенгардт; Под ред. Р.Е. Быкова._М.: Высш. шк. 1988, с. 101-107.).
Микродисплей 8, с помощью перемычек 30, жестко, соосно и с минимально возможным воздушным зазором: 31, обеспечивающим удовлетворительное прохождение анализируемого вещества 12 (жидкости или газа) на выход из кюветы, закреплен внутри полости фотоприемника 9 (фиг. 9), образуя приемо-передающий блок оптического спектра 32.
Светоизлучающая поверхность экрана 20 микродисплея 8, фоточувствительная поверхность фотоприемника 9 и внутренняя поверхность воронки 33 (фиг. 2) образуют кювету 11 для содержания в ней анализируемого вещества 12.
Работа предлагаемого устройства 1 для спектрального анализа вещества при атомно-абсорбционного методе, заключается в следующем.
На первом этапе производится проверка работоспособности самого устройства 1 для спектрального анализа при пустой кювете 11.
Видеосигнал 3, содержащий синхроимпульсы 4 одновременно подается на вход микродисплея 8 и вход селектора синхроимпульсов 7.
1
k
В микродисплее 8 кадровая развертка 5 изображения спектра 6 производится по фрагментам слева-направо в виде цветных полос от фиолетового (λ=380 нм) до красного (λ=760 нм). Фрагмент изображения производится путем построчного включения пикселов 19 каждого сегмента 21 слева-направо и сверху-вниз (фиг. 7).
Излучение оптического спектра 6, исходящее от четырехстороннего экрана 20 попадает на фоточувствительную поверхность фотоприемника 9, где последовательно происходит преобразование света в электрический сигнал, который синхронизируются строчными и кадровыми синхроимпульсами 4, выделенными селектором 7 и формируют на выходе фотоприемника 9 видеосигнал 34. С выхода фотоприемника видеосигнал 34 одновременно подается на монитор 27 и блок регистрации обработки информации. При этом на экране монитора 27 должно появится эталонное (реперное) изображение спектра 6 в виде цветных полос. Видеосигнал 34, подаваемый в блок регистрации и обработки информации 10 (например, ЭВМ с аналоговым входом), преобразуется в цифровую форму, запоминается для расчета положений максимумов реперной спектральной линии.
После проверки работоспособности прибора 1, кювета 11 заполняется веществом 12, которое может быть газообразным или жидким, после чего производится повторение операций по определению спектра анализируемого вещества 12. В этом случае при использовании атомно-абсорбционного метода анализа вещества на экране монитора 27 появится изображение спектра с линиями 35 поглощения химических элементов анализируемого вещества (фиг. 10).
При использовании атомно-эмиссионного метода анализа вещества, требующего возбужденное состояние атомов, в воздушный зазор кюветы 11, расположенный между микродисплеем 8 и фотоприемником 9 вводится спираль 36 атомизатора 37, выполненная из тугоплавкого материала и подключенная к регулируемому источнику электропитания 38 (фиг. 11-12).
С помощью регулировки напряжения источника электропитания 38 обеспечивается нагрев вещества до температуры, необходимой для возбуждения атомов. В результате атомы один за одним испускают только фотоны с определенной энергией (длиной волны X). При этом на темном фоне экрана (фиг. 13) в определенных местах экрана появятся светлые линии, характеризующие испускания атомами фотонов с определенной длиной волны светового излучения.
Предлагаемое изобретение может быть широко использовано в устройствах атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного анализа веществ, а также в других спектрометрических устройствах.