УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Установка для определения спектра электромагнитного излучения
Полезная модель относится к спектроскопии и может быть использована для исследования спектрального состава электромагнитных излучений по длинам волн (частотам), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействующих с излучением, а также для спектрального анализа
Известен аналог, использующий принцип спектрально-селективной фильтрации. В качестве приемника излучения в нем используется матричный фотоэлемент с внутренним фотоэффектом, а монохроматор представляет собой герметичную камеру, в которой неподвижно закреплено 4 эшелетта. Свет, входящий через входное окно последовательно отражается от них и монохромататизированный свет выходит из выходной щели. Камера соединена с пневматической системой, при помощи которой в ней с высокой точностью и стабильностью создается повышенное или пониженное давление газа. При изменении давления заполняющего камеру газа изменяется его показатель преломления, и создается различное пространственное разделение лучей с разной длиной волны. За счет этого достигается разрешающая до 5-10 Rev. Sci. Instrum. 1990. Vol. 61. №10. P. 2546-2548.
Недостатками этого прибора являются сложность подержания постоянной геометрии эшелеттов при граничных давлениях, требующего применения специфических материалов, и техническая сложность подержания с высокой точностью давлений в широком диапазоне, требующего применения конструктивно сложного и громоздкого дополнительного оборудования.
Известен прототип, использующий принцип спектрально-селективной фильтрации, построенный по однолучевой схеме и включающий в себя:
1)Приемник излучения - фотозлеюгронный умножитель (ФЭУ)
2)Первичный коллиматор - система из плоского, сферического вогнутого и выпуклого цилиндрического зеркал
3)Оптический монохроматор - система из кварцевой призмы из двух вогнутых эшелеттов одного плоского и трех вогнутых зеркал.
4)Источники излучения для ультрафиолетовой и видимой области дейтериевая и галогенная лампа соответственно.
5)Источники питания ламп и ФЭУ
6)Измеритель тока ФЭУ - преобразователь тока в напряжение и цифровой вольтметр с точностью 0.00001 В
7)Управляющий ПК
Механизм управления монохроматором представляет собой управляемую с ПК систему из четырех цифро-аналоговых преобразователей, прецизионного сервомотора, двух шаговых двигателей, двух безоткатных шестерней и электронного индикатора положения эшелеттов. К ФЭУ подводится постоянное разгоняющее напряжение (1000 В) от источника, лампы питаются каждая от своего источника. Параллельный световой от источника пучок после коллиматора попадает через диафрагму в монохроматор. Монохроматизированный свет направляется на входную щель, проходит через исследуемый образец и через выходную щель попадает на ФЭУ. Сигнал фототока с ФЭУ преобразуется в напряжение и регистрируется цифровым вольтметром. Измеренное значение передается в ПК для регистрации. Прибор дает спектральное разрешение 0.1 нм при 250 нм. Applied Optics. 1992. Vol. 31. №10. P. 1557-1567.
Недостатками этого прибора является высокие требования к точности изготовления эшелеттов, зеркал, призмы, механизма позиционирования диспергирующего элемента и обусловленная этим сложность конструктивного исполнения
Задачей технического решения является разработка компактного и несложного в конструктивном исполнении устройства для определения спектра электромагнитного излучения с высокой разрешающей способностью без использования спектрально-селективной или спектрально-модуляционной фильтрации лазеров с перестраиваемой частотой в качестве монохроматоров и резонансных способов детектирования.
Предложена установка для определения спектра электромагнитного излучения, включающая в себя фотоэлемент с внешним фотоэффектом без вторичной электронной эмиссии, два источника излучения непрерывного спектра для ультрафиолетовой и видимой области, прецизионный источник постоянного напряжения с возможностью варьирования напряжения, стабилизированный источник питания постоянного тока, цифровой электрометр с чувствительностью до 10 А, кожух, экранирующий фотоэлемент от внешних электромагнитных помех, первичный коллиматор, создающий параллельный световой пучок, стабилизированный блок питания постоянного тока для источника излучения, персональный компьютер для обработки результатов измерения и управления процессом. При этом положительный полюс источника напряжения присоединен в фотокатоду фотоэлемента, а отрицательный - аноду. Изучаемый образец расположен непосредственно после источника излучения.
Работа предлагаемой установки основана на следующем принципе:
Увеличение запирающего напряжения ди приводит к уменьшению числа электронов, которые могут покинуть фотокатод в единицу времени (фототок) при постоянном спектре излучения, так как возрастает энергия электрического поля удерживающего их в материале катода. При этом разность сил фототока (А1ф) при текущем (U) следующем (U+AU) значениях напряжения прямо пропорциональна интенсивности излучения в диапазоне частот от v до v+Av. Эта величина отвечает разности интегральных интенсивностей излучения в диапазоне частот от УФ до v и от Уф. до у+Ду, где Уф - частота, соответствующая по формуле (1) значению запирающего напряжения, при котором фотоэмиссия электронов из фотокатода практически невозможна, те есть сила фототока мала настолько, что недоступна для измерения, у - частота соответствующая напряжению U, а АУ - диапазон частот соответствующий шагу изменения напряжения AU. При использовании данного принципа первичные измеряемые и определяемые величины связаны следующими соотношениями
Ьу  Авых + и-е,(1)
Av / ли  е / h(2)
гдеу - частота указанного электромагнитного излучения, Гц,
и - запирающее напряжение, В е - заряд элею-рона, Кл h - постоянная Планка, Дж /Гц АВЫХ - работа выхода электрона из фотокатода, Дж АУ - спектральное разрешение, Гц AU - шаг изменения запирающего напряжения, В
Схема установки представлена на фиг. 1. Установка включает: 1 - два источника непрерывного спектра, для видимой и ультрафиолетовой области (на фиг. 1 показан только один), 2 - фотоэлемент с внешним фотоэффектом без вторичной эле1сгронной эмиссии, 3 - коллиматор для направления параллельного потока излучения от источника на изучаемый образец, 4 - прецизионный источник постоянного напряжения, с возможностью варьирования напряжения, 5 цифровой элею-рометр, 6 - персональный компьютер для обработки результатов измерения и управления процессом регистрации, 7 - кожух, экранирующий ФЭ, от внешних электромагнитных помех, 8 - стабилизированный блок питания постоянного тока для источника излучения.
Предлагаемая установка функционирует следующим образом: Расходящийся свет от источника излучения (1) преобразуется первичным коллиматором (3) в параллельный световой пучок и направляется на исследуемый образец. Прошедшая часть света с изучаемым спектром попадает на фотоэлемент (2) с внешним фотоэффектом. К выводам фотоэлемента от прецизионного источника постоянного напряжения прикладывается запирающее напряжение (U) от источника постоянного напряжения (4), которое изменяется во времени с постоянным или линейно возрастающим шагом. При этом в цепи фотоэлемента возникает фототок (1ф), монотонно убывающий с ростом напряжения. Ток измеряется цифровым электрометром (5) и результаты измерения передаются в ПК (6) для обработки. В результате на ПК регистрируется рабочая вольтамперная характеристика (ВАХ) фотоэлемента. При отсутствии изучаемого образца, свет попадает непосредственно на фотоэлемент и регистрируется контрольная ВАХ. Вычитанием из рабочей ВАХ контрольной, получается коррею ированная ВАХ, соответствующая собственно исследуемому спектру и исключаются спектральные хара1сгеристики фотоэлемента, источника
излучения и постоянные составляющие помех установки. По корректированной ВАХ, вычисляется дифференциальная ВАХ (зависимость А1ф/Аи от U), по которой восстанавливается исследуемый спектр падающего на фотокатод излучения.
Благодаря применению указанного принципа и исключению из схемы оптико-механического монохроматора значительно упрощается конструктивное исполнение, сокращаются габариты и повышается спектральное разрешение установки, по сравнению с прототипом. Для предлагаемой установки, как следует из формулы (2) спектральное разрешение (Av) определяется только шагом изменения запирающего напряжения AU. Так, при AU равном 1 мкВ спектральное разрешение установки составляет 240 Мгц, а разрешающая способность 4.4-10.