УНИВЕРСАЛЬНАЯ МНОГОХОДОВАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КЮВЕТА

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению и может использоваться в приборах для измерения ослабления оптического излучения для практических целей, например, в многокомпонентных абсорбционных газоанализаторах.
Для повышения точности измерения необходимо добиваться увеличения величины ослабления излучения. Известно, что для увеличения общей величины ослабления излучения при прочих равных условиях необходимо увеличить путь прохождения излучения. С этой целью для слабо ослабляющих (поглощающих) веществ разработаны кюветы, в которых для увеличения пути прохождения излучения, при ограниченных размерах конструкции, нужного эффекта добиваются за счет множественного переотражения излучения в системе зеркал - так называемые многоходовые кюветы. Однако с ростом числа переотражений в системе зеркал растут оптические искажения и потери, растет сложность конструкторских решений, направленных на увеличение устойчивости настройки кюветы к механическим воздействиям, на упрощение настройки системы на разный путь прохождения излучения в кювете, что позволяет осуществлять измерения в одной кювете для веществ с разной степенью поглощения. Перестройка полезна, так как для кюветы, настроенной на максимальную длину хода излучения, в случае измерения поглощения сильнопоглощающих веществ, излучение может быть столь сильно поглощено, что измерение неосуществимо.
Известны различные конструкции многоходовых оптических кювет. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции является многоходовая кювета, позволяющая получить разный путь прохождения излучения в кювете без перестройки (RU, заявка 65232, G01N 21/03, приоритет 25.04.07).
Эта многоходовая оптическая кювета содержит зеркало-коллектив и расположенные симметрично относительно оси его отражающей поверхности два объективных зеркала, жестко скрепленные в единый блок на одной плате, отражающие поверхности которых обращены навстречу отражающей поверхности зеркала-коллектива, входную и выходную щели, расположенные по одну сторону от оси зеркала-коллектива, с введенным светоделительным отражающим зеркалом, установленным по ходу распространения излучения за входной щелью, и направляющим часть излучения в дополнительную выходную щель, расположенную по ходу отражения излучения от светоделительного зеркала.
Такая многоходовая кювета применима в газоанализаторах и датчиках состава атмосферы или газовых смесей. Конструкция кюветы обеспечивает повышенную виброустойчивость и нечувствительность к деформациям за счет жесткого скрепления в единый блок зеркальных объективов. Кювета имеет уменьшенные полевые аберрации, так как вход, выход и все промежуточные изображения при любой настройке собраны у одного края зеркала-коллектива вплотную друг к другу, благодаря специальному расчету межцентрового расстояния объективов.
В данной конструкции световой пучок, прошедший через входную щель, формирует с помощью зеркал ряд последовательных изображений входной щели на зеркале-коллективе, например, точечных. При этом, они занимают минимальный участок на отражающей поверхности зеркала-коллектива и не растягиваются по всей ширине. В отличие от изображения на зеркале-коллективе изображение на зеркалах-объективах засвечивает всю площадь зеркал. При этом угол между зеркалами остается неизменным, а их центры кривизны при сохранении дистанции между собой скользят по поверхности зеркала-коллектива, способствуя изменению числа прохождений луча.
Размещение зеркальных объективов жестко относительно друг друга на одной плате значительно повысило механическую устойчивость конструкции к механическим воздействиям, упростило настройку оптической системы. В данной конструкции существует возможность осуществить одновременный анализ многокомпонентной смеси сильно и слабо поглощающих продуктов в одной кювете, за счет информации об ослаблении излучения при прохождении им разной длины пути в кювете без ее перестройки. Указанная задача осуществляется за счет организации дополнительного пути прохождения излучения в кювете. Этот дополнительный путь меньше, чем максимальный путь, на который настраивается кювета, что и позволяет осуществить одновременный анализ многокомпонентной смеси сильно и слабо поглощающих продуктов в одной кювете. Конструктивно это достигается введением светоделительного отражающего зеркала, установленного по ходу распространения излучения за ее входной щелью, направляющего часть излучения в дополнительную выходную щель, расположенную по ходу отражения излучения от светоделительного зеркала.
К недостаткам данной конструкции относится то, что в ней одновременно возможно осуществить только один дополнительный путь прохождения, определяемый настройкой угла отражения дополнительного светоделительного зеркала. Подобная
настройка может быть неоптимальной для сложной смеси по-разному поглощающих продуктов.
Предлагаемая полезная модель позволяет устранить вышеуказанный недостаток.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью: возможность осуществить одновременный анализ сложной многокомпонентной смеси, состоящей из сильно и слабо поглощающих продуктов, и продуктов с промежуточным поглощением в одной кювете, за счет информации об ослаблении излучения при прохождении им разной длины пути в кювете без ее перестройки. Решение задачи осуществляется за счет анализа сигнала после прохождения нескольких дополнительных путей прохождения излучения в одной кювете. Эти дополнительные пути меньше, чем максимальный путь, на который настраивается кювета, что и позволяет осуществить одновременный анализ сложной многокомпонентной смеси по-разному поглощающих продуктов в одной кювете.
Сущность модели заключается в том, что предлагаемая многоходовая оптическая кювета содержит зеркало-коллектив и расположенные симметрично относительно оси его отражающей поверхности два объективных зеркала, жестко скрепленных в единый блок, отражающие поверхности которых обращены навстречу отражающей поверхности зеркала-коллектива, входную и выходную щели, расположенные по одну сторону от оси зеркала-коллектива, и как минимум одно объективное зеркало, которое выполнено с отверстием, а за отверстием, с другой стороны отражающей поверхности объективного зеркала, по его оптической оси, располагается фокусирующая система, в фокальной плоскости которой далее по ходу расположены дополнительные выходные щели.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что на этапе оптического расчета и конструирования кюветы, исходя из требуемой величины дополнительных путей прохождения излучения, определяется нужное угловое падение на объективное зеркало отраженного от зеркала-коллектива излучения, рассчитываются параметры системы, фокусирующей прошедшего через отверстие в объективном зеркале части падающего излучения. Дополнительные выходные щели устанавливаются в фокальной плоскости системы в местах фокусов падающего на объективное зеркало и прошедшего через фокусирующую систему отраженного от коллективного зеркала излучения. При этом обеспечивается направление в дополнительные выходные щели излучение падающего под определенным углом на объективное зеркало излучения в кювете. Это позволяет вывести излучение, прошедшее разный путь в кювете. Размеры отверстия малы по сравнению с размерами засвеченной части объективного зеркала, и оно не
вносит заметного ослабления в проходящее излучение. Все это позволяет проанализировать ослабление излучения не только после прохождения им максимально установленного для данной кюветы пути, но и после прохождения меньшей его части, измерять ослабление по-разному поглощающих компонент смеси одновременно, не используя перестройку кюветы.
Конструкция заявляемой полезной модели поясняется фиг.1, где показано пространственное распределение проходящего в кювете излучения.
Многоходовая оптическая кювета содержит зеркало-коллектив 1 с входной 2 и выходной щелями 3, расположенными по одну сторону от оси зеркала-коллектива 1, два объективных зеркала 4 и 5, жестко скрепленные в единый блок на общей плате, отражающие поверхности которых установлены навстречу отражающей поверхности зеркала-коллектива 1, объективное зеркало 5 выполнено с отверстием 6, а за отверстием 6, с другой стороны отражающей поверхности, по оптической оси объективного зеркала расположена фокусирующая система 7, в фокальной плоскости которой далее по ходу расположены дополнительные выходные щели 8.
Устройство работает следующим образом. Зондирующее излучение проходит через входную щель 2 кюветы и попадает на зеркало-объектив 5, полностью засвечивает его, отражается и попадает на зеркало-коллектив 1, образуя на нем точечное изображение входной щели. Часть излучения, падающего на зеркало 5, выводится через отверстие 6. Далее излучение отражается от зеркала 1 и попадает на другое объективное зеркало 4, отражается от него, попадает на зеркало-коллектив 1 со сдвигом по отношению к предыдущему отражению, и под измененным углом отражается и снова попадает на объективное зеркало 5 и так далее. На каждом проходе часть излучения выводится через отверстие 6 в зеркале 5 и попадает на фокусирующую систему 7. На определенном ходе проходящее излучение попадет на зеркало 5 под углом, сопряженным через фокусирующую систему 7 с одной из дополнительных выходных щелей 8 и часть излучения выводится через нее. Прошедшее всю кювету излучение выходит через выходную щель 3.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено из элементов и материалов, выпускаемых отечественной промышленностью. В качестве конкретного примера реализации предлагается многоходовая оптическая кювета, содержащая параболическое вогнутое зеркало-коллектив, вогнутые сферические объективные зеркала, жестко закрепленные на общей плате из нержавеющей стали, линзовая фокусирующая система. Отражающие поверхности зеркал изготовлены по технологии напыления алюминия на стеклянную подложку.
Вся совокупность признаков за счет расширения возможностей кюветы без снижения надежности позволяет создать устройство, пригодное для работы в промышленных условиях. Полезная модель найдет применение для измерения концентрации газов в разнообразных системах газового анализа. Улучшенные характеристики кюветы при простоте конструкции позволяют использовать устройство в различных областях науки и техники, следовательно, предлагаемая полезная модель отвечает критерию промышленной применимости.