МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР
MULTICHANNEL OPTICAL SPECTROMETER

Заявляемое изобретение относится к области спектрометрии, а именно к многоканальным оптическим спектрометрам с плоскими многоэлементными фотоприемниками, и может быть использовано для улучшения метрологических характеристик таких спектрометров.
Современные многоканальные оптические спектрометры высокого разрешения, применяемые, например, в эмиссионной спектроскопии, строятся, как правило, с использованием вогнутых отражательных дифракционных решеток и нескольких плоских фотодиодных или ПЗС многоэлементных фотоприемников. При использовании вогнутой решетки фокусировка регистрируемого спектра осуществляется на круге Роуланда, при условии, что входная щель и ее изображение находятся непосредственно на окружности, касающейся вершины вогнутой решетки (Беккер Ю. Спектроскопия. - М: Техносфера, 2009 г. 528 с.).
Многоканальная конструкция системы регистрации имеет так называемые «мертвые зоны» между отдельными многоэлементными фотоприемниками. Появление этих зон обусловлено тем, что имеется значительное расстояние от крайних фотоприемников до краев корпусов, в которых они смонтированы. Таким образом, при стыковке многоэлементных фотоприемников в области регистрации спектра образуются протяженные зоны, в которых фоточувствительные элементы отсутствуют.
В настоящее время данная проблема решается по меньшей мере двумя известными способами. Например, система регистрации может быть изготовлена с применением бескорпусных кристаллов многоэлементных фотоприемников, закрепленных на соответствующем основании (Лабусов В.А., Попов В.И., Бехтерев А.В., Путьмаков А.Н., Пак А.С. Многоэлементные твердотельные детекторы излучения большого размера для атомно-эмиссионного спектрального анализа // Аналитика и контроль. 2005. Т. 9, №2. С.104-109), а не на стандартных фотоприемниках в корпусах. При этом между отдельными кристаллами, монтируемыми без зазора, мертвая зона практически отсутствует. Однако при такой конструкции выбор фотоприемников значительно сужается, поскольку очень малое их количество производится в бескорпусном исполнении. Кроме того, монтаж таких фотоприемников требует дорогостоящего оборудования.
Другой способ для минимизации «мертвых зон» или области спектра, где нет фоточувствительных элементов, предусматривает наличие плоских поворотных зеркал (ЗАО «СПЕКТРАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ». Спектрометр эмиссионный Минилаб СЛ. Руководство по эксплуатации. www.spectr-lab.ru/uploads/spectr-lab/downloads/msl.doc). Каждый второй многоэлементный фотоприемник из общего их числа повернут на 90 градусов относительно остальных многоэлементные фотоприемников, и поворотные зеркала проектируют на них соответствующие фрагменты спектра. Данное устройство также не лишено недостатков, поскольку не устраняет «мертвые зоны» полностью, а лишь минимизирует их.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является спектрометр (патент на изобретение №2105272, опубл. 20.02.1998), содержащий расположенные на круге Роуланда входную спектральную щель, вогнутую дифракционную решетку и многоканальный приемник излучения, состоящий из плоских многоэлементных фотоприемников, каждый из которых установлен в корпусе. В данном устройстве также присутствуют «мертвые зоны» и, следовательно, ухудшаются метрологические характеристики спектрометра.
Технический результат, на получение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности показаний спектрометра.
Для получения указанного технического результата в многоканальном оптическом спектрометре, содержащем расположенные на круге Роуланда входную спектральную щель, вогнутую дифракционную решетку и многоканальный приемник излучения, состоящий из плоских многоэлементных фотоприемников, установленных в корпусах, каждый фотоприемник дополнительно снабжен волоконно-оптическим фоконом, плоский торец которого со стороны монтажа на поверхность многоэлементного фотоприемника спектрометра имеет размеры по ширине больше ширины многоэлементного фотоприемника, а по длине меньше длины многоэлементного фотоприемника, торец фокона со стороны входа оптического излучения имеет размеры по длине больше длины корпуса многоэлементного фотоприемника, при этом входные торцы смонтированных на фотоприемниках фоконов располагаются на круге Роуланда, а края фоконов соседних фотоприемников соприкасаются.
Сущность данного технического решения заключается в том, что для устранения «мертвых зон» предлагается на многоэлементный фотоприемник смонтировать волоконно-оптический фокон (фокусирующий конус) специальной конструкции. Фокон состоит из большого числа оптических волокон, связанных вместе. В волоконно-оптических фоконах благодаря наличию светоизолирующих оболочек отдельных световодов обеспечивается изменение масштаба с сохранением геометрии при передаче изображения от входного торца к выходному, поскольку оптическое излучение из любого отдельного световода волоконно-оптического фокона не может проникнуть в соседние световоды.
На фиг.1 представлена схема многоканального оптического спектрометра.
На фиг.2 представлена конструкция волоконно-оптического фокона: а) вид факона сбоку, б) вид факона со стороны входного торца.
Многоканальный оптический спектрометр (фиг.1) состоит из входной спектральной щели 1, вогнутой дифракционной решетки 2 и многоканального приемника излучения, состоящего из плоских многоэлементных фотоприемников 3, установленных в корпусах 4, каждый фотоприемник дополнительно снабжен волоконно-оптическим фоконом.
а
Волоконно-оптический фокон 5 (фиг.2), монтируемый на многоэлементный фотоприемник 3, должен с узкого торца, примыкающего к поверхности фотоприемника 3, иметь размер d немного меньший ширины чувствительной области фотоприемника с, а с другого торца размер  должен превышать размер корпуса фотоприемника 3 b. Стыкуемый с фотоприемником 3 торец фокона 5 должен быть меньше размера чувствительной области фотоприемника 3, чтобы упростить его изготовление и процедуру монтажа, поскольку позиционирование фокона 5 на поверхности многоэлементного фотоприемника 3 с точностью до размера отдельного фотоприемника сопряжено со значительными технологическими сложностями. Ширина фокона должна немного превышать ширину фотоприемника 3 также для упрощения монтажа.
Входные торцы смонтированных на фотоприемниках фоконов должны располагаться в области фокусировки спектра, то есть на круге Роуланда, а края фоконов соседних фотоприемников должны соприкасаться.
Устройство работает следующим образом. Регистрируемое излучение падает на входную щель прибора 1, затем разлагается в спектр вогнутой дифракционной решетки 2 и фокусируется на поверхностях многоэлементных фотоприемников 3. При этом изображение спектра, сфокусированное на входных торцах фоконов 5, будет передаваться по отдельным световодам к поверхности многоэлементных фотоприемников 3 с изменением масштаба, но с сохранением пространственного распределения энергий оптического излучения. В этом случае появление «мертвых зон» будет исключено. Для сохранения спектрального разрешения прибора диаметры отдельных световодов волоконно-оптической пластины фокона не должны превышать ширину чувствительных элементов многоэлементного фотоприемника 3. Для обеспечения требуемого спектрального диапазона прибора необходимо использовать соответствующий материал световодов при производстве волоконно-оптического фокона.
Таким образом, использование факонов особой конструкции позволяет регистрировать спектральную информацию и в «мертвых» зонах и, следовательно, повысить достоверность показаний спектрометра в целом.