МАЛОГАБАРИТНЫЙ АНАЛИЗАТОР ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ

Малогабаритный анализатор оптических спектров.
Полезная модель относится к области спектрального приборостроения и может быть использована в химии, черной и цветной металлургии (например, анализ металлов, чугуна, стали, сплавов и других технологических продуктов), в биологии, медицине (например, исследование живой ткани), в геологии и экологии (например, анализ почвы, воды и других объектов).
Заявляемый анализатор предназначен для оперативной регистрации и анализа эмиссионных спектров, спектров поглощения, отражения или флуоресценции светящихся объектов.
Прибор спроектирован как малогабаритный переносной и может использоваться в условиях стесненного пространства и постоянных перемещений (например, разбраковка материалов на складах или исследования в геологии).
Широко известны спектральные приборы, в состав которых входят спектроанализаторы на основе многоканальных фотоприемников типа линеек и матриц ПЗС и их сочетаний с электронно-оптическими преобразователями. Спектральный диапазон известных приборов составляет 200-500 нм.
см.. В.Скоков и др. Проектирование дифракционных спектрографов, М., Машиностроение, 1991г., с.97-107; а.с. СССР № 138392, опубл. Б. 10 1961г., МПК G 01J 3/22; а.с. СССР № 342072, опубл. Б. 19 1972г., МПК G01J3/18; а.с. СССР № 673864, опубл. Б. 26 1979г., МПК G01J3/24; а.с. СССР № 727999, опубл. Б. 14 1980г., МПК G01J3/18; а.с. СССР 1453187, опубл.б.З
МПК6ООиЗ/443
1989г., МПК G01J3/12; а.с. СССР № 1478053, опубл. Б.17 1989г., МГЖ G01J3/18; а.с. СССР № 1520357, опубл. Б.41 1989г., МПК G01J3/18; а.с. СССР № 1562716, опубл. Б.17 1990г., МПК G01J3/18; а.с. СССР № 1635013, опубл. Б. 10 1991г., МПК G01J3/12; а.с. СССР № 1700386, опубл. Б.47 1991г., МПК СОиЗ/18идр..
Педостатками известных спектральных приборов являются наличие астигматизма и меридиональной комы, искажающие результаты анализа, продолжительный процесс обработки спектра, сложная настройка прибора на заданные спектральные линии, большие габариты.
Паиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является спектрограф фирмы «ORIEL instruments марки MS 125 tm с многоканальным анализатором оптических спектров InstaSpec tm Diod Array Detector, содержащим полихроматор со сменными дифракционными решетками и систему регистрации спектров с программным обеспечением. В полихроматоре использована горизонтальная оптическая конфигурация. Система регистрации спектров выполнена на базе фото диодной линейки. Параметры спектрографа с решеткой 3600 щтр/мм (model № 77454) следующие:
Фокусное расстояние полихроматора (мм) 125
Относительное отверстие 1/3,7
Спектральный диапазон (нм) 180-405 2 Приемник (фотодиодная линейка) 25 мкм х 1024 элементов
Габариты (мм) 152 х 140 х 76 Вес (кг) 1,5.
Каталог фирмы «ORIEL instruments, New Products for Light Reseach, 1995, стр. 2-30 - 2-32, ксерокопия прилагается. Недостатки прототипа:
-ограниченные разрешающая способность и чувствительность;
-недостаточный спектральный диапазон;
-сложность и длительность настройки на заданные спектральные линии;
-высокая стоимость.
Задачей заявляемой полезной модели является создание компактного в конструктивном отношении спектрального прибора с широким диапазоном и простой настройкой на заданные спектральные линии, обеспечивающего высокую разрешающую способность и хорошую чувствительность при сокращении процесса обработки спектра.
Поставленная задача решается тем, что известный малогабаритный анализатор оптических спектров, содержащий полихроматор со сменными дифракционными решетками и систему регистрации спектров с программным обеспечением, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ дополнительно снабжен встроенным стандартным ртутным калибровочным источником света; в полихроматоре использована вертикальная симметричная Z-образная схема
.(
3
Эберта, а система регистрации спектров выполнена на базе многоканальной ПЗС-линейки.
На фигЛ схематично представлен заявляемый малогабаритный анализатор оптических спектров.
Обозначения на фиг. 1:
1- полихроматор
2- дифракционная решетка
3- система регистрации спектров
4- стандартны ртутный калибровочный источник света
5- вертикальная симметричная Z-образная схема Эберта
6- многаканальная ПЗС-линейка
7- отверстие (входная щель) анализатора спектров 8 образец
9 - отверстие для источника света.
Вертикальная симметричная Z-образная схема Эберта 5 является автоколлимационной для центральной части спектра (меридиональное угловое увеличение ), вследствие чего полностью компенсируется меридиональная кома. Используемая схема 5 обладает незначительным астигматизмом и высокими характеристиками по рассеянному свету, при этом расширяется спектральный диапазон (от 184 до 1000 нм).
Наличие в заявляемом анализаторе стандартного ртутного калибровочного источника света 4 с известным линейчатым спектром
обеспечивает возможность быстрой перекалибровки прибора по длинам волн при переходе в другой спектральный интервал.
Использование в предлагаемой модели ПЗС-линейки 6 с высокой плотностью светочувствительных элементов и большим их количеством (8 мкм X 3648 штр) при длине ее 30 мм позволяет получить существенно более высокую разрешаюп1ую способность и широкий выделяемый интервал длин волн (чувствительность или спектральный диапазон).
Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемая полезная модель не известна из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о ее соответствии критерию новизна.
Возможность изготовления предлагаемого «Малогабаритного анализатора оптических спектров на отечественных предприятиях приборостроения из доступных отечественных и импортных материалов и комплектуюш,их изделий позволяет сделать вывод о его соответствии критерию промышленная применимость.
Опытный образец заявляемого анализатора оптических спектров содержит полихроматор 1 со сменными дифракционными решетками 2 Х3600 штр/мм) имеет следуюш;ие параметры:
Фокусное расстояние (мм) 120
Относительное отверстие D/F - 1:5,5,
Спектральный диапазон (нм)180 - 430
Приемник (ПЗС-линейка) 8 х 200 мкм х 3648 элементов
Габариты (мм) 150x150x80
Вес (кг) 1,5
Система регистрации 3 содержит одну ПЗС-линейку 6 и может подключаться к компьютеру либо через LPT порт (в режиме ЕРР) либо через плату адаптера L-Card 1056, устанавливаемую в компьютер.
Система регистрации 3 представляет блок с габаритами 150х55х80мм, который крепится к выходному фланцу полихроматора 1. Полихроматор 1 и блок системы регистрации 3 размещены в едином металлическом корпусе.
Специализированное программное обеспечение анализатора работает под управлением Microsoft Windows.
Стандартный ртутный калибровочный источник света 4 установлен внутри корпуса анализатора перед отверстием 9 и представляет собой ртутную лампу.
Пример использования малогабаритного анализатора оптических спектров.
Анализ содержания углерода в металлических образцах.
Каждый стальной образец 8 последовательно помещали перед отверстием 7 анализатора спектров. Па поверхности образца 8 инициировали плазменный факел с помощью сфокусированного импульсного лазерного излучения (длина волны генерации 1064нм; энергия импульса 0,1Дж; частота следования импульсов 10Гц, длительность импульса 15нс). Свет от факела попадал в полихроматор 1 и разложенный по длинам волн поступал в систему
регистрации 3 на многоканальную ПЗС-линейку 6, откуда сигнал наиравлялся в компьютер, где подвергался обработке с выдачей результатов на дисплее в виде графической зависимости.
На фиг. 2 Z-образная схема Эберта приведен фрагмент эмиссионных спектров образцов стали с содержанием углерода (сверху вниз): 1,42; 0,66; 0,13%.
Аналитические линии: углерод - 193 нм; ион железа - 192,55 нм.
Как видно из приведенных сравнительных характеристик и примера, подтверждающего работоспособность прибора, использование заявляемого анализатора оптических спектров по сравнению с известным, взятым за прототип, Каталог фирмы «ORIEL instruments. New Products for Light Reseach, 1995, стр. 2-30 - 2-32, обеспечивает следующие технические и общественно-полезные преимущества:
высокую разрешающую способность;
хорошую чувствительность;
малые габариты;
простоту настройки;
сокращение времени анализа;
простоту сборки и низкую цену.