ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОГРАФ
LASER SPECTROGRAPH

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению и может быть использована в спектрографах, предназначенных для получения и регистрации атомных и молекулярных спектров при проведении наблюдений за свечением верхней атмосферы в целях обнаружения продуктов, образующихся при проведении ядерных взрывов. [МПК 7G01J3/00]
Известен призменный светосильный спектрометр СП-48, в котором для регистрации применялась п.з.с.-камера разработки ИЯФ СО РАН [1] с областью чувствительности 400-850 нм (прототип). В качестве аналогов могут выступать спектрограф с дифракционной решеткой [2], спектрометры интерференционные с селективной амплитудной модуляцией (СИСАМ) [3, 4, 5].
S
Принципиальная оптическая схема построения такой аппаратуры показана на фиг.1. Она содержит входной коллиматор 1, диспергирующий элемент 2 и выходную регистрирующую камеру 3. Исследуемое излучение через щель входного коллиматора поступает на объектив O1, который формирует параллельный пучок излучения и направляет его на диспергирующий элемент.
F
Диспергирующий элемент обеспечивает разложение светового пучка на систему лучей, выходящих из него под различными углами (в зависимости от длины волны падающего излучения. Камерный объектив О1фокусирует в фокальной плоскости совокупность изображений входной щели в разных длинах волн. Это изображение характеризует спектр излучения и регистрируется в виде спектрограммы.
Действие диспергирующих элементов основано на явлениях дисперсии, дифракции в сочетании с интерференцией и многолучевой интерференции света. В зависимости от типа применяемого диспергирующего элемента различают призматическую, дифракционную и интерференционную спектрографическую аппаратуру [4, 5].
Обнаружение продуктов, образующихся при проведении ядерных взрывов (например, лития)и измерение их концентрации на большой высоте производятся дистанционно путем регистрации испускаемого резонансного излучения (например, атомарным литием) с помощью наземной спектрографической аппаратуры. Сам по себе любой изотоп химического элемента (например, литий) не является источником излучения. Однако под действием солнечного света его атомы возбуждаются и начинают флуоресцировать в оптическом диапазоне длин волн (например, для лития это красная область спектра с характерной длиной волны 670,8 нм).
Обнаружение достаточно интенсивной линии с характерной длиной волны в спектре свечения сумеречного неба позволяет считать, что причиной ее является ядерный взрыв.
Недостатком наблюдений за свечением верхней атмосферы в целях обнаружения продуктов, образующихся при проведении ядерных взрывов с применением прототипа и аналогов является то, что они практически возможны и производятся лишь во время утренних и вечерних сумерек по следующим причинам:
в дневное время интенсивность прямого и рассеянного солнечного света настолько велика, что зарегистрировать на таком фоне сравнительно слабое свечение искомых продуктов практически нельзя;
при сумерках освещаются солнцем лишь верхние слои атмосферы, где и находятся продукты (например, литий) взрывного происхождения; нижние слои при этом не освещаются и не создают фона, мешающего производить съемки;
в ночное время не происходит возбуждения искомых продуктов.
S
F
Задачей изобретения является создание спектрографа, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в возможности осуществлять фотографическую регистрацию спектра свечения неба и в ночное время. Этот технический результат в предлагаемом лазерном спектрографе, содержащем элементы, представленные на фиг. 1, отличающемся тем, что по направлению съемки (вдоль исследуемого излучения, поступающего через щель ) установлен лазер, а фокальная плоскость  выполнена в виде площадного сенсора (например, ПЗС (CCD) - матрицы, КМОП (CMOS) - матрицы, 3CCD-матрицы, DX-матрицы, матрицы Foveon X3 и т.п.), достигается за счет подсветки лазерным лучом верхних слоев атмосферы, приводящей к лазерно-индуцированной флюоресценции продуктов, образующихся при проведении ядерных взрывов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 2 изображены принципиальная оптическая схема построения спектрографической аппаратуры в составе входного коллиматора 1, диспергирующего элемента 2 и выходной регистрирующей камеры 3, и лазер 4.
Устройство работает следующим образом. Лазер подсвечивает верхние слои атмосферы, вызывая лазерно-индуцированную флюоресценцию продуктов, образующихся при проведении ядерных взрывов. Под действием лазерного луча атомы искомых продуктов возбуждаются и начинают флуоресцировать в оптическом диапазоне со своими уникальными характерными длинами волн. Это флуоресцентное излучение и регистрируется в виде спектрограммы на площадном сенсоре (в отличие от прототипа, производящего съемку на фотопленку), которая может подаваться в цифровом виде для дальнейшей обработки в ЭВМ.
Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленное изобретение за счет применения лазера позволяет проводить спектрографические измерения в сумеречное и темное время суток, расширяя временные возможности обнаружения продуктов, образующихся при проведении ядерных взрывов. Также повышается оперативность анализа получаемой информации за счет применения в качестве фокальной плоскости площадного сенсора, позволяющего проводить аналого-цифровое преобразование информации для ее обработки в ЭВМ, чего не было в прототипе.
Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна".
Кроме того, так как заявленный технический результат может быть использован в системах мониторинга (ядерных взрывов, атмосферы, окружающей среды и т.п.), то изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Спектроскопические исследования на установке ГОЛ-3 взаимодействия мощного плазменного потока с твердым телом. Научный журнал «Приборы и техника эксперимента». ISSN: 0032-8162, 2008, №2. С. 100-107.
2. Бажанов Ю.В. Спектрограф. Патент на изобретение №2329476 от 20.07.2008.
3. Кириченко Н.А., Лопатин А.И., Раховский В.И., Вершинский А.Е., Иоаннисиани А.Б. Спектрометр с интерференционной селективной амплитудной модуляцией. Авторское свидетельство на изобретение №1362949 от 30.12.1987.
4. Козлов М.Г. Метрология и стандартизация. - М., СПб.: Изд-во «Петербургский институт печати», 2001. - 372°с.
5. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А.М. Прохоров, 1988.