УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
SPECTRAL ANALYSIS DEVICE

Изобретение относится к технике спектрального анализа и может найти применение при эмиссионных и атомно-абсорбционных измерениях в спектроанализаторах с дифракционными решетками и многоэлементными фотоприемниками.
Известно устройство (А.Я.Суранов, А.В.Шпомер, А.Г.Якунин «Применение автоматизированного регистратора спектра на основе линейного ПЗС-фотодиодного приемника для спектрального анализа металлов» ЖПС, №3, т.XLIII, 1985 г, стр.377), в котором для регистрации спектра используется многоэлементный фотоприемник. В этом устройстве в качестве координаты спектральной линии берется координата элемента с максимальной амплитудой сигнала центра тяжести ее изображения. Однако механические вибрации и изменение условий окружающей среды приводит к изменениям положения диспергирующего элемента и, как следствие, к смещению спектральных линий относительно чувствительных элементов фотоприемника. Для корректировки смещения необходимо дополнительно регистрировать реперный (известный) спектр.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для спектрального анализа (а.с. №1827550, G01J 3/42, опубликовано 15.07.93 г.), содержащее источник излучения, который через входную щель освещает дифракционную решетку, разлагающую излучение в спектр. Спектр регистрируется многоэлементным фотоприемником, который расположен в фокальной плоскости дифракционной решетки. Сигнал с фотоприемника поступает на устройство обработки информации (например, ЭВМ) и отображается в виде номеров элементов фотоприемника со своими величинами сигналов на индикаторном устройстве.
1
2
x
В этом устройстве последовательно измеряют значения сигналов со всех элементов фотоприемника, фиксируют номера элементов фотоприемника, для которых зарегистрированы сигналы от максимальных до фоновых значений для определяемой и реперной спектральных линий. Определяют точные координаты максимумов интенсивности реперной и определяемой спектральных линий. Определяют расстояния К и К между первым элементом фотоприемника и координатами максимумов интенсивностей определяемой и реперной спектральных линий и находят длину волны λ определяемой спектральной линии по формуле:
x
где λ - длина волны определяемой спектральной линии;
1
λ - длина волны реперной спектральной линии;
1
2
κ, κ - расстояния между первым элементом фотоприемника и координатами максимумов интенсивностей определяемой и реперной спектральных линий соответственно;
P - среднее значение обратной линейной дисперсии.
Недостатком этого устройства является необходимость регистрации наряду с исследуемым дополнительно реперного спектра при каждом измерении. Следующим недостатком этого устройства является то, что в период времени между регистрацией реперного и исследуемого спектров вследствие механических вибраций и изменения условий окружающей среды может произойти изменение положения дифракционной решетки, в результате чего возникнет смещение исследуемого спектра и изменение координаты максимума интенсивности определяемой спектральной линии относительно первого элемента фотоприемника. Это приведет к дополнительной ошибке при нахождении длины волны определяемой спектральной линии.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности и оперативности определения длин волн спектральных линий при проведении спектрального анализа за счет исключения ошибок, возникающих при изменении положения дифракционной решетки под воздействием вибраций и условий окружающей среды, при сокращении времени измерений.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для спектрального анализа, содержащем источник излучения, входную щель, дифракционную решетку, в фокальной плоскости которой установлен многоэлементный фотоприемник, выходом подключенный к первому входу блока регистрации и обработки информации, введен второй многоэлементный фотоприемник, установленный в плоскости зеркально отраженного изображения входной щели с возможностью регистрации лучей как реперной, так и определяемой спектральных линий, выход которого соединен со вторым входом блока регистрации и обработки информации.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства для спектрального анализа. На фиг.2 показан ход лучей при изменении положения дифракционной решетки. На фиг.3 изображены уровни выходных сигналов с элементов второго фотоприемника во время регистрации реперной и определяемой спектральных линий при условии изменения положения дифракционной решетки.
Устройство для спектрального анализа содержит источник излучения 1, входную щель 2, дифракционную решетку 3, в фокальной плоскости которой установлен многоэлементный фотоприемник 4, выходом подключенный к первому входу блока регистрации и обработки информации 5, второй многоэлементный фотоприемник 6, установленный в плоскости зеркально отраженного изображения входной щели, с возможностью регистрации лучей как реперной, так и определяемой спектральных линий, выходом подключенный ко второму входу блока регистрации и обработки информации 5.
1
2
3
4
mR
mO
mR
mO
Устройство работает следующим образом. От источника излучения 1, через входную щель 2 падающий луч L освещает дифракционную решетку 3, разлагающую излучение в спектр, расположенный в фокальной плоскости дифракционной решетки 3 многоэлементный фотоприемник 4 поочередно регистрирует разложенные в спектр лучи реперной L и определяемой L спектральных линий. Электрический сигнал с выхода фотоприемника 4 поступает в блок регистрации и обработки информации (например, ЭВМ с аналоговым входом) 5, где преобразуется в цифровую форму, запоминается для расчета положений максимумов реперной и определяемой спектральных линий. Одновременно с регистрацией реперной спектральной линии излучение зеркально отраженного изображения входной щели (луч L) регистрируется вторым фотоприемником 6, с выхода которого электрический сигнал поступает на второй вход блока регистрации и обработки информации 5, где также преобразуется в цифровую форму, запоминается и определяется положение максимума зеркально отраженного изображения входной щели X, соответствующее положению дифракционной решетки во время регистрации реперной спектральной линии. Одновременно с регистрацией определяемой спектральной линии излучение зеркально отраженного изображения входной щели также регистрируется вторым фотоприемником 6, запоминается и определяется положение максимума зеркально отраженного изображения входной щели X, соответствующее положению дифракционной решетки во время регистрации определяемой спектральной линии. Если дифракционная решетка 3 оставалась неподвижной в период времени регистрации реперной и определяемой спектральных линий, то положения максимумов X и X совпадут.
1
1
4
4
3
3
Если же в процессе работы устройства вследствие механических вибраций или изменения условий окружающей среды (температуры, давления, влажности) за время от регистрации реперной до регистрации определяемой спектральных линий дифракционная решетка 3 изменит свое положение на угол α-α и займет положение 3', нормаль n - положение n', зеркально отраженный луч L также изменит направление на угол α-α (луч L'), а луч разложенного излучения с длиной волны определяемой спектральной линии L изменит свое положение на угол β-β' (луч L') в соответствии с основным уравнением дифракционной решетки (см. И.В.Пейсахсон, «Оптика спектральных приборов», Л. Машиностроение, стр.53):
где κ - порядок спектра;
λ - длина волны светового излучения;
N - число штрихов дифракционной решетки, приходящихся на миллиметр;
α - угол падения светового излучения;
β - угол разложения светового излучения длиной волны λ.
mR
mO
4
3
х
1
1
Сплошной линией на фиг.3 показан сигнал на выходе второго фотоприемника 6 от изображения входной щели во время регистрации реперной спектральной линии с положением максимума X при аппроксимации выходных сигналов с элементов фотоприемника треугольной функцией (максимальное значение сигнала на элементе М). Пунктирной линией показан сигнал на выходе фотоприемника 6 от изображения входной щели во время регистрации определяемой спектральной линии (максимальное значение сигнала на элементе Н, положение максимума X), при изменении положения дифракционной решетки в позицию 3'. По линейному смещению ΔX зеркально отраженного луча L рассчитывают угол падения α. Используя основное уравнение дифракционной решетки (2) находят угол разложения β, по которому рассчитывают линейное смещение Δy луча L определяемой спектральной линии. Окончательно внося поправку в (1), определяют длину волны определяемой спектральной линии λ как:
x
где λ - длина волны определяемой спектральной линии;
1
λ - длина волны реперной спектральной линии;
1
2
κ, κ - расстояния между первым элементом фотоприемника и координатами максимумов интенсивностей определяемой и реперной спектральных линий соответственно;
Р - среднее значение обратной линейной дисперсии;
Δy - линейное смещение определяемой спектральной линии.
Введение дополнительного фотоприемника, установленного в плоскости зеркально отраженного изображения входной щели с возможностью регистрации лучей как реперной, так и определяемой спектральных линий, позволяет уменьшить погрешность за счет исключения ошибок, возникающих при изменении положения дифракционной решетки под воздействием вибраций и условий окружающей среды, а также повысить оперативность определения длин волн, так как регистрацию реперной спектральной линии достаточно выполнить однократно при проведении спектрального анализа.