АНАЛИЗАТОР ХАРАКТЕРИСТИК ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения, а именно к устройствам для анализа характеристик люминесценции материалов, возникающей под воздействием возбуждающего излучения, и, в частности, может быть использована для изучения люминесценции ряда природных минералов под воздействием рентгеновского излучения, например алмазов и сопутствующих минералов.
Для повышения селективности извлечения обогащаемого минерала в известных способах люминесцентной сепарации в качестве критерия разделения используют различные соотношения кинетических характеристик сигнала люминесценции, регистрируемых как во время воздействия возбуждающего излучения, так и после него.
Известен портативный люминесцентный анализатор, содержащий источник возбуждающего излучения с высокочастотным генератором, фотоэлектронный умножитель, усилитель постоянного тока сигналов люминесценции, аналого-цифровой преобразователь, устройство запуска системы измерения (синхронизатор), устройство обработки данных, выполненное в виде запоминающего устройства, и устройство индикации [Патент РФ №2085911, G 01 N 21/64, 27.07.1997.].
Анализатор позволяет измерять амплитуду и кинетику только медленной компоненты (МК) сигнала люминесценции. Однако у него отсутствует возможность измерения быстрой компоненты (БК) сигнала люминесценции, что сужает возможности выявления характерных особенностей анализируемого люминесцирующего материала. Например, для отделения алмазов от сопутствующих минералов существенное значение имеет знание не только амплитуды и кинетики МК сигнала люминесценции минерала, но и амплитуды его БК, или соотношения амплитуд БК и МК.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является анализатор характеристик люминесценции, содержащий источник возбуждающего излучения с высокочастотным генератором импульсов, держатель, систему регистрации люминесценции, включающую фотоприемное устройство на базе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), выход которого соединен с усилителем сигнала люминесценции, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор (МП), снабженный возможностью осуществления функций обработки цифровых значений сигнала люминесценции, фильтр нижних частот (ФНЧ), пиковый детектор и устройство индикации выходных данных, причем выход усилителя сигнала люминесценции подключен к первому сигнальному входу АЦП через ФНЧ, цифровые выходы АЦП соединены шиной данных с одноименными входами МП, первый выход которого соединен с входом устройства индикации [свидетельство РФ на полезную модель №27901, В 07 С 5/342, 27.02.2003.]. Устройство также содержит синхронизатор, выходы которого соединены, соответственно, с входами запуска генератора импульсов и АЦП, и фильтр верхних частот, вход которого подключен к выходу усилителя сигнала люминесценции, а выход - ко второму сигнальному входу АЦП. Держатель снабжен возможностью смены исследуемого объекта.
Существенными недостатками такого устройства являются искажение получаемого значения БК сигнала люминесценции, а также зависимость получаемых значений БК и МК сигнала люминесценции от режима облучения (напряжение и ток рентгеновской трубки, длительность импульса) и регистрации (напряжение на ФЭУ).
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения достоверности получаемых значений характеристик люминесценции исследуемого объекта путем определения значения амплитуды быстрой компоненты сигнала люминесценции в виде разности между максимальным значением сигнала люминесценции и его значением в заданный момент времени после запуска источника возбуждающего излучения и последующего нормирования полученных значений характеристик люминесценции исследуемого объекта на значения одноименных характеристик эталонного образца, полученные при идентичных режимах облучения и регистрации.
Поставленную задачу решает анализатор характеристик люминесценции, содержащий источник возбуждающего излучения с высокочастотным
генератором импульсов, держатель, систему регистрации люминесценции, включающую фотоприемное устройство на базе фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с усилителем сигнала люминесценции, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор (МП), снабженный возможностью осуществления функций обработки цифровых значений сигнала люминесценции, фильтр низких частот (ФНЧ), пиковый детектор и устройство индикации выходных данных, причем выход усилителя сигнала люминесценции подключен к первому сигнальному входу АЦП через ФНЧ, цифровые выходы АЦП соединены шиной данных с одноименными входами МП, первый выход которого соединен с входом устройства индикации, при этом в анализатор дополнительно введен блок ввода эталонного образца, управляющий вход которого соединен со вторым выходом МП, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с входами запуска генератора импульсов и АЦП, второй сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя сигнала люминесценции через пиковый детектор, МП дополнительно снабжен возможностью определения значения быстрой компоненты сигнала люминесценции в виде разности между максимальным значением сигнала люминесценции и его значением в заданный момент времени после запуска источника возбуждающего излучения, а также возможностью нормирования характеристик исследуемого объекта на одноименные характеристики эталонного образца.
В отличие от известного в предлагаемый анализатор характеристик люминесценции дополнительно введен блок ввода эталонного образца, управляющий вход которого соединен со вторым выходом МП, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с входами запуска генератора импульсов и АЦП, второй сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя сигнала люминесценции через пиковый детектор, МП дополнительно снабжен возможностью определения значения быстрой компоненты сигнала люминесценции в виде разности между максимальным значением сигнала люминесценции и его значением в заданный момент времени после запуска источника возбуждающего излучения, а также возможностью нормирования характеристик исследуемого объекта на одноименные характеристики эталонного образца.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой полезной модели.
На фиг.2 представлены временные диаграммы импульсов облучения, синхронизации и регистрации сигналов люминесценции:
а - импульсы облучения;
б - сигнал люминесценции на выходе фотоприемного устройства;
в - суммарный сигнал (СС) и сигнал медленной компоненты (МК) на входах АЦП;
г - сигналы запуска АЦП.
Анализатор характеристик люминесценции, содержит источник 1 возбуждающего излучения с высокочастотным генератором импульсов (на фиг.1 не показан), держатель 2 исследуемого объекта 3 и эталонного образца 4, систему 5 регистрации люминесценции, включающую фотоприемное устройство 6 на базе фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с усилителем 7 сигнала люминесценции, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, микропроцессор (МП) 9, фильтр 10 нижних частот (ФНЧ), пиковый детектор 11, устройство 12 индикации выходных данных и блок 13 ввода эталонного образца 4. Выход усилителя 7 сигнала люминесценции подключен к первому сигнальному входу АЦП 8 через ФНЧ 10, а к его второму сигнальному входу через пиковый детектор 11. Цифровые выходы АЦП 8 соединены шиной 14 данных с одноименными входами МП 9. Первый, второй, третий и четвертый выходы МП 9 соединены, соответственно, с входом устройства индикации 12, с входом блока 13 ввода эталонного образца 4, с входами запуска источника 1 и АЦП 8. МП 9 снабжен возможностью осуществления функций обработки цифровых значений сигнала люминесценции, определения значения быстрой компоненты люминесценции в виде разности между максимальным значением сигнала люминесценции и его значением в заданный момент времени после запуска источника 1 возбуждающего излучения, а также возможностью нормирования характеристик исследуемого объекта 3 на одноименные характеристики эталонного образца 4.
Анализатор характеристик люминесценции работает следующим образом. В исходном состоянии на держателе 2 размещены эталонный образец 4 и исследуемый объект 3. В начале работы МП 9 с выхода 2 выдает сигнал на управляющий вход блока 13 ввода эталонного образца 4 для установки образца 4 в положение измерения. Проводится процедура калибровки анализатора для определения характеристик люминесценции эталонного образца 4 в значениях напряжения. При этом МП 9 выдает сигнал запуска с выхода 3 на вход запуска генератора импульсов источника 1 возбуждающего излучения. Источник 1
генерирует пакет импульсов облучения (фиг.2а). Частота импульсов в пакете равна частоте импульсов генератора в источнике 1. Возбуждаемая за счет облучения в образце 4 люминесценция воспринимается фотоэлектронным умножителем ФПУ 6 системы 5 регистрации. Сигнал с выхода ФПУ 6 (фиг.2б) поступает на усилитель 7, а с его выхода на входы ФНЧ 10 и пикового детектора 11.
Постоянная времени ФНЧ 10 выбрана таким образом, чтобы она существенно превышала период импульсов облучения (фиг.2а), но была при этом меньше постоянной времени разгорания - затухания МК люминесценции. Для определенности примем период импульсов облучения в пакете - 40 мкс, а постоянная времени МК - 1 и более мс. Тогда можно удовлетворить обоим указанным условиям, выбрав постоянную времени ФНЧ 10 равной 200-400 мкс. На выходах ФНЧ 10 и детектора 11 формируются, соответственно, сигналы МК и СС (фиг.2в). После запуска источника 1 возбуждающего излучения, МП 9 с выхода 4 выдает сигналы запуска АЦП 8 с периодом Тз (фиг.2г). Для определенности Тз=100 мкс. Собственно значение МК фиксируется в первом канале АЦП 8. Суммарный сигнал СС люминесценции через время Тв (длительность пакета облучения на фиг.2а) после запуска генератора достигает максимального значения, которое равно сумме напряжений быстрой БК и медленной МК компонент люминесценции. Этот сигнал фиксируется во втором канале АЦП 8. Через интервал времени Тп, равный времени преобразования АЦП 8, МП 9 считывает по шине 14 данных цифровые значения МК и суммарного сигнала СС.
По полученному цифровому массиву значений сигнала люминесценции МП 9 производит определение значений БК и МК для эталонного образца 4 в вольтах (кодах АЦП). При этом значение амплитуды МК определяется непосредственно в заданной точке, соответствующей Тв, а значение БК - в виде разности между СС и МК в той же точке. Полученные значения характеристик эталонного образца 4 запоминаются в МП 9 и выдаются сигналами с выхода 1 МП 9 в устройство 12 индикации. Весь массив значений МК, полученный в результате циклических аналого-цифровых преобразований, может использоваться для определения кинетических характеристик люминесценции, характеризующих ее разгорание и затухание во времени.
После этого МП 9 выдает в блок 14 ввода эталонного образца сигнал на вывод эталонного образца 4 и ввод исследуемого объекта 3. Это может выполняться, например, путем поворота держателя 2, выполненного в виде диска, на
180 градусов. Затем процесс облучения и регистрации, описанный для эталонного образца 4, повторяется для исследуемого объекта 3. Полученные при этом значения характеристик люминесценции исследуемого объекта 3 нормируются (делятся) МП 9 на соответствующие значения характеристик люминесценции эталонного образца 4.
Поскольку реальные значения БК и МК в единицах мощности (интенсивности) излучения для образца 4 уже известны, то в результате нормирования будут получены искомые значения БК и МК объекта 3 в абсолютных единицах. Пример определения характеристик исследуемого объекта 3 по известными характеристикам конкретного эталона 4 приведен в таблице:
Объект
БК
МК
В
Вт•ср<sup>-1</sup>•(Р/с)<sup>-1</sup>
В
Вт•ср<sup>-1</sup>•(P/с)<sup>-1</sup>
Эталон
1.2
1.5*10<sup>-11</sup>
0.6
2.5*10<sup>-11</sup>
Исследуемый объект
2.4
3.0*10<sup>-11</sup>
0.3
1.25*10<sup>-11</sup>
Как видно из приведенной таблицы, определение характеристик исследуемого объекта производится решением простой пропорции.
Источник 1 возбуждающего излучения с высокочастотным генератором импульсов может быть выполнен на основе рентгеновской трубки как, например, в [1]. Фотоприемное устройство 6 на базе ФЭУ может быть выполнено как, например, в [2]. Усилитель 7 может быть выполнен, например, на микросхеме программируемого усилителя с усилением от ×1 до ×16 типа AD526JN фирмы Analog Devices (США) [3]. Многоканальный АЦП 8 может быть выполнен, например, на базе многоканального АЦП L-783 фирмы L-Card, (Москва) [4]. Микропроцессор МП 9 может быть выполнен, например, на основе платы микропроцессорной РСА-6180 [5] с процессором типа Intel Celeron 1000. Шина 14 данных типа PCI может быть выполнена на основе пассивной объединительной платы РСА 6106 [5]. Блок 13 ввода эталонного образца 4 может быть выполнен в виде шагового двигателя с приводом на микросхемах L-297 и L-298 фирмы ST (США) [6].
Таким образом, предлагаемый анализатор характеристик люминесценции обеспечивает возможность достоверного определения БК сигнала люминесценции в виде разности между значением амплитуды суммарного сигнала и значением МК в заданный момент времени после запуска источника возбуждающего излучения, а также возможность определения значений БК и МК сигнала люминесценции в единицах мощности (интенсивности) излучения, за счет нормирования результатов измерений сигнала люминесценции от исследуемого объекта на соответствующие значения измерений от эталонного образца с известными люминесцентными характеристиками.
Источники информации:
1. Свидетельство на полезную модель №15552, В 07 С 5/342, В 03 В 13/06, 27.10.2000.
2. Свидетельство на полезную модель №13432, G 01 T 1/208, 10.04.2000.
3. http://www.analog.com. Программируемый усилитель AD526JN.
4. http://www.lcard/ru.
5. http://www/advantech.com
6. http://www.st.com