Атомно-эмиссионный многоканальный спектрометр

Полезная модель относится к атомно-эмиссионному анализу химического состава веществ, а именно к многоканальным высокоточным спектрометрам.
В настоящее время при производстве наиболее ответственных узлов и агрегатов в машиностроении особо актуальной является задача контроля качества используемых материалов. Так, например, при изготовлении тепловыделяющих элементов (далее по тексту ТВЭЛ) для атомных электростанций актуальной является задача непрерывного контроля атомного состава примесей в основном веществе, содержащемся в ТВЭЛе. Контроль осуществляется одновременно по нескольким десяткам элементов, а данные анализа сохраняются на время работы ТВЭЛ а и могут быть проверены в случае возникновения нештатной ситуации.
Кроме того, в этой ситуации могут возникнуть вопросы о присутствии в веществе элементов, которые не контролировались на стадии производства по ГОСТу.
Следовательно, необходимо производить регистрацию как можно более полного оптического спектра, содержащего информацию о контролируемых примесях и дополнительную информацию об элементах, неконтролируемых на момент проведения анализа. Один из методов, позволяющий производить указанный контроль, атомно-эмиссионный. Преимущество этого метода состоит в возможности одновременного экспресс контроля по десяткам примесных элементов с высокой чувствительностью.
Паиболее близким к заявляемому устройству (прототипом) является АЭМС (см. патент РФ № 2051338, МКИ G01J 3/443, 1995г.), содержащий источник возбуждения спектра, полихроматор, узел преобразования светового сигнала, многоканальный фотодетектор с блоком его управления и блок управления спектрометром.
Во-первых, невозможность иснользовання его в качестве нрецизионного измерительного нрибора в связи с нестабильностью параметров полупроводниковых фотоприемников света при изменении температуры. Это приводит к изменению темновых сигналов фотодиодов и, в итоге, вносит ошибку в вычисление концентраций контролируемых примесей.
Во-вторых, низкое быстродействие устройства ограничивает его возможности при непрерывной регистрации спектров и передачи информации в компьютер для обработки. При сплошном контроле изделий требуются значительные затраты времени и ресурсов. Этот недостаток возникает из-за организации вывода информации на компьютер с использованием промежуточного ОЗУ, которое суш;ественно ограничивает объем и скорость передачи данных.
В третьих, отсутствие синхронизации начала регистрации спектра с началом его возбуждения в источнике приводит к нестабильности результата измерения.
Кроме того, отсутствует возможность получения полных спектров для их последуюш,ей обработки и хранения в компьютере. Из-за алгоритма взаимодействия компьютера с блоком управления в компьютер поступает только информация об интенсивности выбранных линий. Нет возможности получить визуальную информацию о влиянии соседних линий и получить дополнительную информацию в случае необходимости о других элементах, не предусмотренных алгоритмом.
В основу заявляемого технического решения поставлена задача создания прецизионного быстродействуюш,его АЭМС с возможность получения полных спектров контролируемых материалов.
Эта задача в АЭМС, содержаш;ем источник возбуждения спектра, оптически соединенный с полихроматором, в фокусной плоскости которого расположен многоканальный фотодетектор, выход которого подключен к преобразователю сигнала фотодетектора, решена тем, что в устройство дополнительно введены термостат фотодетектора и контроллер управления спектрометра, который через последовательный канал соединен с интерфейCOM персонального компьютера, при этом сигнальный вход контроллера соединен с выходом преобразователя сигнала фотодетектора, первый управляющий выход контроллера подключен ко входу источника возбуждения спектра, его второй управляющий выход соединен со входом фотодетектора, а третий управляющий выход контроллера подключен к управляющему входу преобразователя сигнала фотодетектора.
На фигЛ представлена блок-схема АЭМС, содержащая источник возбуждения спектра (ИВС) 1, полихроматор 2 , в фокусной плоскости которого расположен многоканальный фото детектор 3, заключенный в термостат 4, преобразователь сигнала фотодетектора 5, включающий усилитель сигнала фото детектора 6 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, а также шину 8. Контроллер управления 9 содержит микропроцессор 10, входной регистр 11с шиной 12, программируемый таймер времени экспозиции 13с шиной 14, формирователь уровней управляющих напряжений 15 с шиной 16 и устройство ввода-вывода 17 с шиной 18. Для связи с компьютером служит интерфейс 19. Запуск устройства осуществляется выносной кнопкой 20 «Пуск.
Устройство работает следующим образом. При помощи выносной кнопки 20 «Пуск оператор через устройство ввода-вывода 17 запускает ИВС 1, в котором возбуждается помещенная в него анализируемая проба. Одновременно с запуском ИВС 1 микропроцессор 10 синхронизирует начало регистрации спектра. Для этого через формирователь уровней управляющих напряжений 15 он начинает опрашивать многоканальный фото детектор 3. Излучение от пробы проходит через полихроматор 2, в котором оно разлагается по длинам волн, и попадает на вход многоканального фото детектора 3, где регистрируется многоканальным детектором 3, заключенным в термостат 4, в котором он охлаждаются с помощью термоэлектрических охладителей на эффекте Пельтье, что необходимо для стабилизации их измерительных характеристик. Многоканальный фотодетектор 3 интегрирует падающие на каждую фотоячейку фотоны регистрируемого спектра с временем интегрирования равным времени экспозиции, которая устанавливается таймером 13. По окончании времени экспозиции с выхода фото детектора 3 сигнал
поступает на вход преобразователя сигнала фотодетектора 5, где он усиливается усилителем 6 и оцифровывается с помощью 16-разрядного АЦП 7. С выхода АЦП 7 измеренный сигнал по шине 8 поступает на входной регистр 11 микропроцессора 10, который, в свою очередь, через интерфейс 19 передает его на вход компьютера (на схеме он не показан). Благодаря отсутствию промежуточного ОЗУ удается существенно (по сравнению с прототипом) повысить быстродействие устройства.
Таким образом заявляемое устройство позволяет стабилизировать параметры фотоприемников многоканального детектора, повысить быстродействие устройства и синхронизовать начало регистрации спектра с началом его возбуждения в источнике.