ЭМУЛИРОВАННЫЙ АНАЛИЗАТОР ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРА

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, аналитической химии при исследовании веществ спектральными методами.
Спектральные методы исследования веществ уже давно нашли широкое применение в физике, химии, биологии и многих других областях науки и практики. Наиболее старой и изученной областью является атомная спектроскопия, которая осуществляется с помощью различных установок для атомного спектрального анализа. (Беков Г.И., Бойцов А.А., Большое М.А. и др. Спектральный анализ чистых веществ,- СПб., Химия, 1994.) [1]; (Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. - М., Наука, 1972.) [2]; (Дробышев А.И. Основы атомного спектрального анализа. - СПб., ГУ, 2005.) [3].
Хотя существуют достаточно разные конструкции таких установок, практически всегда они состоят из трех основных частей: источника света, спектрального прибора и регистрирующего устройства. Принципиальная схема установки для атомного анализа представлена на рис.1, где: ИС - источник света, СП - спектральный прибор, РУ - регистрирующее устройство. В ИС исследуемое вещество переводится в атомарное состояние с последующим испусканием оптического спектра в определенной области. СП раскладывает этот спектр в определенной последовательности от УФ до ИК. В конечном итоге на РУ (фотопластинке или экране монитора) появляется оптическая спектрограмма исследуемого вещества.
Большим недостатком такого устройства является то, что в такой спектрограмме кроме основного вещества могут присутствовать различные загрязняющие или примесные элементы. Поэтому исследователи проводили, например, сравнение полученного спектра, с табличными данными или совмещением спектрограммы с известными атласами спектра.
С целью повышения производительности и точности анализа исследователи использовали различные методы. Например, в Авторском свидетельстве СССР G01J 3/30 №1318801 от 23.06.87 [4] новизна изобретения заключалась в изготовлении спектрального шаблона. На щель микрофотометра проецировали одновременно аналитическую линию со спектра стандартного образца и исследуемого вещества. При этом добивались совмещения реперной линии с линией вещества.
Недостаток этого метода состоит в том, что он не дает полной картины спектра исследуемого вещества. Совпадение одной линии не дает гарантии в том, что в другой области спектра нет загрязняющих веществ.
Развитие компьютерной техники позволило проводить спектральный анализ на более высоком уровне. На рисунке 2 представлена усовершенствованная блок-схема установки из работы (Гаранин В.Г. и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Специальный выпуск. - 2007, Т.73, стр.18-25) [5]. На рисунке: ИС - источник света, СП - спектральный прибор, РУ - регистрирующее устройство, ПК - программная компонента «Атом».
База данных, указанной системы, содержит экспериментальные данные по многим элементам, позволяя проводить сравнение спектрограмм с ранее известными. «Атом» [5] предоставляет большее разнообразие инструментов анализа, в том числе методы калибровки спектра, учета различных поправок и т.д. База данных пакета «Атом» содержит интенсивности спектральных линий для различных основных процессов получения эмиссии (дуговой разряд, искровой разряд, плазмотрон и т.д.).
Данная система взята за прототип.
К недостаткам данного устройства следует отнести:
- экспериментальные данные, полученные с помощью различных видов разряда, содержат большое количество примесных элементов, например, от материалов электродов, тиглей и прочего оборудования.
- неполные данные по спектрам отдельных атомов и ионов, особенно в области ближнего УФ и дальнего ИК.
- статистический характер спектрограммы, нет возможности ее масштабирования, что затрудняет производить сравнительный анализ.
Задачей данной полезной модели является создание устройства, позволяющего получать эталонные беспримесные спектрограммы любого элемента, а также проводить сравнение с исследуемым веществом.
Ожидаемым техническим результатом использования полезной модели является ускорение процесса исследования вещества и повышение точности получаемого результата.
Поставленная задача решена за счет того, что в известное устройство, включающее исследуемое вещество, устройство вывода и программную компоненту, введен блок данных, представляющий собой устройство для занесения, хранения и извлечения данных. В частности, он содержит в табличной форме массив данных о спектральных линиях, которые по запросу ПК могут быть переведены в спектральные линии в требуемой области и в дальнейшем отображены на устройстве вывода в виде спектрограммы.
Схема эмулятора спектрографа показана на рисунке 3, где: БД - блок данных, ПК - программная компонента, УВ - устройство вывода.
Блок данных цифрового спектроскопа содержит массив данных в табличной форме о спектральных линиях, имеющихся в спектрах эталонных элементов в атомарном состоянии. Эти данные обладают достаточной полнотой в области интенсивных линий каждого из элементов. Программная компонента извлекает из массива данных те линии, которые относятся к требуемой области исследуемого эталонного спектра, подготавливает спектральные карты в этой области. Далее карты спектров отображаются на устройство вывода, позволяющее производить отрисовку спектрограммы. Таким прибором может быть монитор или принтер. Одновременно на этом же приборе может быть приведена экспериментальная спектрограмма исследуемого вещества для проведения визуального анализа.
Сущность предлагаемого технического решения. Подходы эмулирования атомного спектрографа могут быть реализованы самыми различными образами как в отношении массива данных и общей архитектуры системы, так и в отношении средств графического представления и работы с картами спектров. Нами конкретно реализован эмулятор атомного спектроанализатора, описываемый ниже. Данный эмулятор является частью информационной системы (ИС) по спектрам атомов и ионов «Электронная структура атомов» (ЭСА) и доступен в ее составе по Интернет (). (Казаков В.Г., Яценко А.С., Казаков В.В. и группа разработчиков ИС ЭСА. Информационная система «Электронная структура атомов» (версия. 1.03), URL:  [дата обращения: 2011, февраль 9]. Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия.) [6].
Основные особенности решения.
Блок данных эмулятора содержит массив данных по атомным спектральным линиям в табличной форме, которые с помощью ПК переводятся в спектрограммы различных элементов.
Данное устройство позволяет смоделировать оптический спектр любого атома из таблицы Д.Менделеева. Спектрограмма такого элемента может быть использована в качестве эталонного спектра при сравнении со спектром любого исследуемого вещества. В отличие от ПК «Атом» система ЭСА содержит самый полный и постоянно пополняемый массив данных о спектральных линиях в табличной форме. На сегодня в ней представлено примерно 124000 различных линий. Особенно заметно превосходство данного устройства в области дальнего инфракрасного спектра и ближнего ультрафиолета. Таким образом, предлагаемый спектроанализатор может обеспечить качественный анализ всей оптической области и возможность определения состава вещества с неизвестным основным содержанием, что осуществляется с помощью блока данных.
Пользуясь преимуществами векторной компьютерной графики, в данном устройстве можно масштабировать изображение спектральной полосы, изменять количество отображенных линий и их область, демонстрируя все линии переходов для исследуемого элемента.
Примеры выполнения.
1. Для исследования была выбрана спектрограмма атома олова Sn I из [5], на которой вместе с линиями олова присутствуют и линии примесей атомов Au I, Cu I, W I (рис.4а.). Затем ПК по запросу исследователя извлекла из блока данных спектральные линии атома олова и на экране монитора появилась спектрограмма эмулированного анализатора спектра (рис.4.б). Для проверки наличия в экспериментальной спектрограмме [5] примесей сопоставили данную спектрограмму со спектрограммой атома олова из блока данных, (рис.4 б)
Рисунок 4 а), б) Сравнение спектрограмм атома олова, экспериментально полученной (а) и эмулированной из ЭСА(б) в УФ-области (2100-2240)Å
Из сравнения видно, что основные линии атома олова на обеих спектрограммах совпадают. Линии спектрограммы (4а), отсутствующие в спектрограмме (46), свидетельствуют о наличии в исследуемом веществе примесей.
2. При исследовании оптического спектра атома никеля Ni I была выбрана из [5] спектрограмма, на которой вместе с линиями никеля присутствуют и линии примесей атомов Хе I, W I, Ti I, Cs I, Sc I, II, Al I, Ne I, V I, S I, Eu I, Nd I, Ba I, Cu I, Rb I, Cr I, Fe I, Te I, Sm I, Lu I, Ho I, In I, Tc I (рис.5a). Порядок проведения эксперимента описан выше. При сопоставлении спектрограммы исследуемого вещества (5а) со спектрограммой, полученной из блока данных (56)выявились линии примесных элементов.
Рисунок 5. Сравнение спектрограмм атома никеля, экспериментально полученной (а) и эмулированной из ЭСА(б) в видимой области (5030-5171)Å.
Использованные источники информации
1. Беков Г.И., Бойцов А.А., Большов М.А. и др. Спектральный анализ чистых веществ. - СПб., Химия, 1994.
2. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. - М., Наука, 1972.
3. Дробышев А.И. Основы атомного спектрального анализа. - СПб., ГУ, 2005.
4. Авторское свидетельство СССР G01J 3/30 №1318801 от 23.06.87.
5. Гаранин В.Г. и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Специальный выпуск. - 2007, Т.73, стр.18-25.
6. Казаков В.Г., Яценко А.С., Казаков В.В. и группа разработчиков ИС ЭСА. Информационная система «Электронная структура атомов» (версия. 1.03), URL:  [дата обращения: 2011, февраль 9]. Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия.