Содержание к диссертации
Введение
1. Основные сведения о многоканальных оптических спектрометрах 13
1.1. Оптические схемы спектрометров с дифракционной решеткой 13
1.1.1. Дифракционные решетки «эшелетт» 13
1.1.2. Оптические схемы малогабаритных спектрометров с вогнутой дифракционной решеткой 18
1.1.3. Оптические схемы малогабаритных спектрометров с плоской дифракционной решеткой 24
1.2. Многоканальные фотоприемники излучения, используемые в спектрометрах 30
2. Исследование оптической схемы черни-тернера 37
2.1. Форма фокальной поверхности в схеме Черни-Тернера 37
2.2. Выбор рабочего порядка спектра 41
2.3. Аберрации схемы Черни-Тернера 44
2.4. Влияние наклонов входной щели и заштрихованной области дифракционной решетки на регистрируемый спектр 53
3. Контроль квантовой эффективности кремниевых линеек фотодиодов 58
3.1. Методика и установка для измерения квантовой эффективности 59
3.2 Результаты измерения квантовой эффективности линейных фотоприемников 66
4. Разработка конструкции и исследование характеристик малогабаритного спектрометра 77
4.1. Снижение уровня фонового излучения 78
4.2. Выбор рабочего спектрального интервала 80
4.3 Конструкция спектрометра 82
4.4. Экспериментальное исследование характеристик спектрометра . 85
4.4.1. Форма фокальной поверхности 85
4.4.2. Спектральное разрешение 86
4.4.4. Уровень фонового излучения 90
4.4.5. Сравнение дифракционных решеток 91
5. Исследование эффективности применения созданного спектрометра 96
5.1. Одновременное определение щелочных и щелочноземельных металлов методом пламенной фотометрии 96
5.2. Расширение спектрального диапазона существующих комплексов для атомно-эмиссионного спектрального анализа 99
5.3. Контроль напыления многослойных покрытий 103
Заключение 107
Список использованных источников 110
- Оптические схемы малогабаритных спектрометров с плоской дифракционной решеткой
- Результаты измерения квантовой эффективности линейных фотоприемников
- Экспериментальное исследование характеристик спектрометра
- Расширение спектрального диапазона существующих комплексов для атомно-эмиссионного спектрального анализа
Введение к работе
Актуальность диссертации.
Оптические спектрометры широко используются для контроля технологических процессов и готовой продукции в металлургии, машиностроении, геологии и экологии. Например, по спектрам излучения определяют количественное содержание элементов таблицы Менделеева в веществе, а по спектрам отражения контролируют процесс напыления многослойных диэлектрических покрытий.
Благодаря прогрессу в микроэлектронике и компьютерной технике в настоящее время появилась возможность создания многоканальных оптических спектрометров с системами регистрации спектров на основе многоэлементных твердотельных детекторов излучения и программным обеспечением для решения конкретных аналитических задач. Наиболее востребованы недорогие малогабаритные многоканальные спектрометры, которые позволяют работать в месте расположения объекта анализа, легко встраиваются в сложные технологические установки и не требовательны к условиям окружающей среды. Оптическая схема Черни-Тернера с плоской дифракционной решеткой оптимальна для построения малогабаритных спектрометров с большим количеством одновременно регистрируемых независимых спектральных каналов благодаря возможности получения с её помощью плоской поверхности фокусировки спектров для их регистрации многоэлементным твердотельным детектором.
Современные требования к чистоте материалов, качеству сплавов, экологии требует от малогабаритных многоканальных спектрометров низких пределов обнаружения излучения, широкого динамического диапазона и высокой фотометрической точности. Анализ характеристик существующих малогабаритных многоканальных спектрометров, построенных по схеме Черни-Тернера, показал, что в настоящее время отсутствуют приборы, полностью отвечающие перечисленным выше требованиям. Например, они имеют высокий уровень фонового излучения (0,1% и выше), что ограничивает пределы обнаружения. При этом многоканальные анализаторы атомно-эмиссионных спектров (анализаторы МАЭС), созданные на основе линеек фотодиодов и являющиеся уже достаточно распространённой системой регистрации спектров, имеют пределы обнаружения излучения на порядок меньший. Применение таких анализаторов дает возможность снижения уровня фонового излучения спектрометров путем оптимизации их оптической схемы и конструкции.
Таким образом, учитывая высокую востребованность многоканальных малогабаритных спектрометров, построенных по оптической схеме Черни-Тернера, и возросшие требования к их характеристикам, можно говорить об актуальности и принципиальной возможности создания нового малогабаритного многоканального спектрометра с качественно более высокими характеристиками.
Цель настоящей диссертации – исследование, разработка и применение нового малогабаритного многоканального спектрометра на основе оптической схемы Черни – Тернера и многоэлементного линейного фотоприемника.
Основное внимание уделялось исследованию методов улучшения параметров малогабаритных спектрометров, построенных по оптической схеме Черни-Тернера. Во-первых, снижению уровня фонового излучения, который в данных приборах повышен из-за переотражений на элементах оптической системы прибора. Во-вторых, повышению разрешающей способности, которая ухудшается при использовании многоэлементных фотоприемников длиной большей, чем область с плоской фокальной поверхностью. Кроме того, было уделено внимание разработке средств контроля квантовой эффективности фоторегистрирующей системы прибора, поскольку, для создания спектрометра с высокой светосилой и протяженным рабочим спектральным диапазоном требуется фотоприемник с высокой квантовой эффективностью в широком диапазоне длин волн. Необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать методы снижения уровня фонового излучения внутри спектрометра, основанные на модификации оптической схемы и новых решениях в его конструкции.
-
Определить рабочий порядок спектра и положение элементов (выходного зеркала и дифракционной решетки) оптической схемы, обеспечивающие наилучшие разрешающую способность и светосилу.
-
Создать установку для контроля квантовой эффективности многоэлементных фотоприемников, позволяющую проводить измерения и обрабатывать полученные данные в автоматизированном режиме для выбора фотоприемников, пригодных для разрабатываемого спектрометра.
-
Разработать малогабаритный многоканальный спектрометр с низким уровнем фонового излучения, перестраиваемым спектральным диапазоном и использующим в качестве системы регистрации многоэлементный линейный фотоприемник.
-
Исследовать спектральное разрешение, светосилу и уровень фонового излучения экспериментального образца спектрометра в сравнении с существующими аналогами.
-
Изучить возможности применения созданного спектрометра в атомно-эмиссионном анализе, пламенной фотометрии и других приложениях.
Степень обоснованности результатов диссертации.
Результаты диссертации подтверждены положительным опытом применения созданных спектрометров в промышленности и исследовательских лабораториях и получением с их помощью результатов спектрального анализа на уровне современных отечественных и мировых аналогов.
Научная новизна. Новыми результатами диссертации являются:
-
Способы снижения уровня фонового излучения в спектрометрах, построенных по схеме Черни-Тернера, за счет увеличения угла наклона выходного зеркала, а также путем использования безкорпусного фотоприемника и его наклона вокруг своей продольной оси. Это позволило снизить уровень фонового излучения до значений, определяемых качеством изготовления дифракционных решеток. Способы защищены патентами РФ.
-
Способ расширения области регистрации с высокой разрешающей способностью, основанный на коррекции положения дифракционной решетки относительно фокусирующего зеркала.
-
Малогабаритный многоканальный спектрометр, по совокупности параметров (рабочий спектральный диапазон, спектральное разрешение, светосила и уровень фонового излучения) превосходящий существующие мировые аналоги.
-
Выполнено одновременное определение щелочных и щелочноземельных элементов таблицы Менделеева методом пламенной фотометрии при их содержании до 1 ppb.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Физико-технические решения, разработанные при создании многоканальных оптических спектрометров, включая методы компьютерного моделирования и средства контроля, составляют новый арсенал технических и измерительных средств для инженерных применений в области экспериментальной оптической спектроскопии. На их основе созданы:
малогабаритный многоканальный спектрометр, построенный по оптической схеме Черни-Тернера (рабочий спектральный диапазон – 190 – 1100 нм, количество каналов – 2612, уровень фонового излучения – 0,03%);
автоматизированная установка для измерения квантовой эффективности многоэлементных твердотельных фотоприемников (время измерения квантовой эффективности одного фотоприемника в спектральном диапазоне 170-800 нм – 12 мин).
Около 20 разработанных малогабаритных спектрометров нашли применение в Институтах РАН и промышленных предприятиях России. Их характеристики не уступают лучшим зарубежным приборам аналогичного назначения, а по ряду параметров превосходят их. Спектрометры используются в учебном процессе на физических и химических кафедрах ведущих университетов России (НГУ, НГТУ, ТГУ, ТПУ).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Уровень фонового излучения в спектрометре, построенном по оптической схеме Черни-Тернера, может быть снижен преобразованием оптической схемы, которое исключает разложение в паразитный спектр «нулевого» порядка при любом повороте дифракционной решетки.
2. Минимальный уровень фонового излучения в спектрометре, построенном по оптической схеме Черни-Тернера, определяется уровнем рассеянного излучения используемой дифракционной решетки.
3. В спектрометре, построенном по оптической схеме Черни-Тернера, область регистрации, в которой фокальная поверхность сфокусирована на фотоприемнике, может быть расширена путем коррекции положения дифракционной решетки относительно выходного зеркала.
4. Малогабаритные многоканальные спектрометры за счет снижения уровня фонового излучения внутри корпуса позволяют снизить пределы обнаружения и одновременно определять щелочные и щелочноземельные элементы методом пламенной фотометрии.
5. Малогабаритные многоканальные спектрометры позволяют увеличить количество определяемых элементов таблицы Менделеева в комплексах атомно-эмиссионного анализа путем расширения спектрального диапазона этих комплексов.
Личный вклад автора.
Автором получена зависимость положения дифракционной решетки относительно фокусирующего зеркала, позволяющая расширить диапазон с высоким спектральным разрешением. Предложены способы снижения уровня фонового излучения внутри спектрометра путём оптимизации оптической системы: увеличен угол между падающим и отраженным от фокусирующего зеркала главными лучами в оптической схеме Черни-Тернера, что позволило исключить влияние «нулевого» порядка спектра на уровень фонового излучения; использована линейка фотодиодов в бескорпусном исполнении, что устраняет переотражения излучения на покровном стекле, а кристалл линейки наклонён вокруг продольной оси для направления отраженного от него излучения над фокусирующим зеркалом, что дополнительно снизило уровень фонового излучения.
Работы по созданию, испытанию и внедрению образцов созданного спектрометра, а также работы по созданию установки для измерения квантовой эффективности выполнены при непосредственном участии автора.
Апробация работы.
Результаты диссертации рассматривались на ряде Международных и отечественных конференций и семинаров: Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 2006); Научно-практическая конференция молодых ученых и студентов «Информационно-вычислительные системы анализа и синтеза изображений» (Новосибирск, 2006); III, VII Международные научные конгрессы «ГЕО-Сибирь-2007, 2011» (Новосибирск, 2007, 2011); Конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Томск, 2008, ТПУ); VII, IX, X Международные симпозиумы «Применение анализаторов МАЭС в промышленности» (Новосибирск, 2006-2011 гг.); Молодежная конкурс-конференция «Фотоника и оптические технологии» (Новосибирск, 2009, 2010), IX Международная конференция «Прикладная оптика-2010» (Санкт-Петербург, 2010), XV Международная конференция по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2010).
Публикации. Всего опубликовано 19 работ, из которых 3 научные статьи в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК для кандидатских диссертаций, 4 патента РФ, 12 работ в сборниках трудов международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Объем работы составляет 114 страниц основного текста, включая 60 рисунков и 5 таблиц. Список использованных источников содержит 49 наименований.
Оптические схемы малогабаритных спектрометров с плоской дифракционной решеткой
В настоящем разделе, имеющем обзорный характер, приведено описание оптических схем спектрометров с плоской, а также с классической и неклассической вогнутыми дифракционными решетками. Особое внимание уделяется оптическим схемам малогабаритных спектрометров. Приводятся основные преимущества и недостатки схемы Черни-Тернера в сравнении с другими схемами, и на основе этого делается выбор оптической схемы, используемой при разработке малогабаритного спектрометра. Помимо этого описываются принципы работы и основные характеристики многоэлементных фотоприемников, применяемых в системе регистрации спектрометров.
Решетки, используемые в спектрометрах, являются фазовыми [1]. Наибольшее распространение получили решетки «эшелетты». Рабочая поверхность таких решеток представляет собой регулярную последовательность канавок с несимметричным треугольным профилем. Особенностью работы таких решеток является то, что для монохроматического излучения, зеркально отражающегося от рабочей грани штриха, имеет . место максимальный коэффициент отражения, причем положение этого максимума можно изменять, меняя угол і профиля штриха.
Рассмотрим действие профилированной решетки, изображенной на рис. 1.1. Рис. 1.1. Дифракционная решетка «эшелетт»
Здесь d - постоянная решетки; а - ширина зеркального рабочего элемента; N - нормаль к подложке дифракционной решетки; N - нормаль к рабочему элементу; / - угол блеска - угол между нормалями N и N, он определяет наклон рабочего элемента относительно плоскости подложки; лучи 1 и 2 -задают направление излучения, разложенного в спектр; VJ/ и ф - углы падения и дифракции для луча 2. Луч 1 задает направление дифрагированного излучения с максимальным коэффициентом отражения. Дифракционная картина описывается выражением
Здесь acos( -/)- проекция рабочей грани штриха на поверхность фронта падающей волны. Главный максимум при дифракции от отдельного зеркального элемента имеет место при U=0, так как в этом случае Д0)=1. Тогда угол дифракции р = -(у/ - 2Ї) соответствует зеркальному отражению света от рабочей грани штриха (луч 1)
Одной из важнейших характеристик дифракционной решетки «эшелетт» является зависимость коэффициента отражения дифракционной решетки от длины волны. Данная зависимость позволяет задать область длин волн с максимальным коэффициентом отражения.
Коэффициент отражения решетки определим как отношение лучистого потока длины волны X, направляемого решеткой в к-тый порядок спектра, к лучистому потоку этой длины волны, падающему на решетку,
Вогнутые решетки совмещают функции разложения излучения на монохроматические составляющие и его фокусировки, что позволяет уменьшить количество элементов схемы, следовательно, и количество отражений (рис. 1.4). Это особенно важно для области длин волн X 200 нм, где коэффициенты отражения невелики.
На рис. 4 точка А - центр входной щели, точка В - центр дифракционной решетки. Отрезок АВ - передний отрезок оптической схемы. Классическая вогнутая дифракционная решетка в меридиональной плоскости (плоскость рисунка) фокусирует дифрагированное излучение на , называемой окружностью Роуланда, радиус которой в два раза меньше радиуса дифракционной решетки. В спектрометрах с вогнутой дифракционной решеткой их основные параметры зависят именно от параметров решетки. Поэтому основное внимание уделим вогнутой дифракционной решетке, рассматривая оптические схемы с такой решеткой.
Классической вогнутой дифракционной решеткой называется сферическая решетка с прямолинейным штрихом и постоянным шагом. Эквивалентом данной решетки является топографическая вогнутая решетка I типа. Такую решетку записывают в параллельных пучках. Основной недостаток классической вогнутой решетки - это большой астигматизм, значительно уменьшающий светосилу спектрометра. Под светосилой понимается освещенность спектральных линий [2].
Для значительного уменьшения астигматизма (в 10 раз и более) используют нарезную вогнутую решетку с криволинейными штрихами либо решетки, нарезанные на асферических поверхностях (тороидальных, эллипсоидальных). Аналогичную голографическую решетку с уменьшенным астигматизмом называют решеткой II типа.
Вогнутые решетки I и II типа редко используются в малогабаритных спектрометрах, поскольку они не обеспечивают высокое спектральное разрешение во всем рабочем спектральном диапазоне. Спектральное разрешение определим как полуширину монохроматического изображения входной щели [2]. Способность различать в спектре две близко расположенные монохроматические линии определим как разрешающая способность. Такие решетки фокусируют анализируемое излучение на окружности Роуланда. Если в случае крупногабаритных спектрометров, где применяются решетки с большим радиусом кривизны, фокальная поверхность практически плоская и использование линейных детекторов не влияет на спектральное разрешение, то в случае малогабаритных спектрометров с решетками малых радиусов кривизны удается получить
Результаты измерения квантовой эффективности линейных фотоприемников
Координаты точек фокусировки зависят от угла падения на дифракционную решетку и от расстояния т между центром кривизны фокусирующего зеркала и центром дифракционной решетки. Можно рассчитать координаты точек фокальной поверхности для разных значений т, аппроксимировать их прямыми и выбрать совокупность точек, для которых сумма квадратов отклонений от прямой по оси х минимальна. Таким образом, можно определить оптимальное значение т и соответствующее ему положение дифракционной решетки
Были найдены координаты фокальной поверхности для конфигурации схемы с зеркалами радиусом 200 мм, углом падения на коллимирующее зеркало 8, на дифракционную решетку 5,8 и размером фоточувствителыюй области 32 мм. Получено, что оптимальным является значение т=1,25 в отличие от общепринятого [2] т=1,15/ Например, для расчетной схемы с f= 100 мм оптимальное значение m на 10 мм больше. В случае т=1,25 / максимальное отклонение от прямой составляет 34 мкм, а для ш=1,15 / максимальное отклонение = 228 мкм, что значительно больше глубины фокуса. В длинноволновой области глубина фокуса для данной схемы 38,6 мкм.
На рис.2.2 показаны формы фокальной поверхности для разных значений т, найденные с помощью формул (2.1) (рис.2.2.а,б) и полученные путем моделирования в компьютерной программе Zemax [19] (рис.2.2.в,г), а также аппроксимирующие прямые, при этом длина отрезка АВ равна длине
Рис.2.2. Формы фокальных поверхностей и аппроксимирующие их прямые: а, б - полученные с помощью расчетных формул; в, г - формы фокальных поверхностей, найденные путем моделирования
Таким образом, при использовании многоэлементного фотоприемника в случае широкой области регистрации, спектральное разрешение прибора зависит от положения дифракционной решетки. При неоптимальном ее положении спектральное разрешение будет ограничено неплоской поверхностью фокусировки.
В первой главе уже отмечалось, что в схеме Черни-Тернера рабочим порядком спектра может быть как «1» , так и «-1». Были созданы модели схемы Черни-Тернера, с разными рабочими порядками спектра. Далее положения элементов этих схем были оптимизированы, с условием минимизации составляющих аберраций 5у в направлении дисперсии. Схемы с оптимизированным положением элементов представлены на рис.2.3. И в том и в другом варианте оптической схемы аберрации минимизированы одинаково хорошо для средней длины волны рабочего спектрального диапазона. Однако как можно видеть из рисунка в схеме с «-1» дифракционным порядком длина волны начала спектрального диапазона Х\ фокусируется на поверхности той части фотодетектора, которая ближе к дифракционной решетке. Для варианта с «1» рабочим порядком спектра наблюдается обратная ситуация - на части фотодетектора, ближайшей к дифракционной решетке, регистрируется длина волны конца рабочего спектрального диапазона.
Учитывая, что аберрации децентрировки пропорциональны углу падения на выходное зеркало, а в нашем случае в схеме с «-1» рабочим порядком этот угол меньше в коротковолновой области, в схеме с «1» порядком - в длинноволновой, то следует ожидать различия в характеристиках оптических схем с разным рабочим порядком на краях спектрального диапазона. Для подтверждения этого предположения была рассчитана доля достигшей фотодетектора энергии (т.е. его освещенность) в зависимости от длины волны [19]. Напомним, что освещенностью называется величина потока лучистой энергии, приходящегося на единицу поверхности. Поток показывает количество лучистой энергии, протекающей через единицу поверхности за единицу времени [20].
Данная зависимость была получена следующим образом. В программе Zemax был задан протяженный источник в виде входной щели спектрометра размером 15x2000 мкм. Далее был выбран размер плоскости регистрации изображения, совпадающий с размером используемого фотодетектора (длина 32 мм, ширина 1 мм) и с помощью команды Relative Illumination для разных длин волн была найдена доля достигшей фотодетектор энергии. При этом предполагалось, что дифракционная решетка с N = 320 штр/мм имеет коэффициент отражения равным единице во всем диапазоне длин волн. Результаты представлены на рис.2.4.
Зависимость доли достигшей фоточувствительной поверхности линейки энергии от длины волны для вариантов схемы с «+1» и «-1» рабочими порядками
Из рисунка видно, что в коротковолновой области спектра поверхности фотодетектора достигает существенно больше энергии в «-1» рабочем порядке, в то время как в длинноволновой на поверхность фотодетектора падает больше энергии в схеме с «1» рабочим порядком.
На рис.2.4 показан график зависимости для наиболее широкой спектральной области 190-1100 нм. Однако следует отметить, что расчет проводился и для более узких спектральных областей, в частности для интервалов 190-750 нм и 400-860 нм, и было найдено, что вид зависимости сохраняется.
Преимущество схемы с «1» рабочим порядком, заключающееся в наличии большего пространства для размещения фотоприемного устройства, существенно лишь при использовании в качестве детектора громоздких электронно-оптических преобразователей (ЭОП) или термостатированных фотоприемников с крупногабаритным радиатором. В нашем случае используется линейка фотодиодов, имеющая малые габариты, поэтому решающее значение при выборе рабочего порядка спектра имело то, что в большинстве задач интенсивность излучения в коротковолновой области обычно ниже, чем в длинноволновой. Таким образом, в качестве базовой схемы была выбрана оптическая схема с «-1» рабочим порядком спектра и дальнейшие расчеты проводились с этой схемой. Изображение входной щели, построенное в схеме Черни-Тернера (рис. 2.5) обладает аберрациями, как в направлении дисперсии, так и в перпендикулярном направлении. где a- уширение, вносимое коллимирующим зеркалом, /з- уширение, вносимое фокусирующим зеркалом, W - ширина дифракционной решетки, R-b R-2 - радиусы кривизны коллимирующего и фокусирующего зеркал, соответственно, р, р -угол падения на дифракционную решетку и угол дифракции для центральной длины волны рабочего спектрального диапазона, соответственно, ОС\, ОС2 - углы падения на коллимирующее и фокусирующее зеркала, соответственно.
Учитывая, что угол падения Ctl на входное зеркало - постоянный, а угол падения &2 на выходное зеркало изменяется с изменением длины волны дифрагированного излучения, то при малых углах кому удается скомпенсировать лишь для одной длины волны. Обычно данная аберрация компенсируется для центральной длины волны рабочего спектрального диапазона. Было исследовано влияние комы на изображение входной щели. При этом использовалась схема, имеющая следующие параметры. Входное зеркало: сферическое, с радиусом 200 мм, размером 17x17 мм, угол падения на зеркало 8, коэффициент отражения принят равным единице. Дифракционная решетка: плоская, 600 штр/мм, размером 15x15. Выходное зеркало: сферическое, с радиусом 200 мм, размером 42x17 мм, коэффициент отражения принят равным единице. Область регистрации размером 32x1 мм. В схеме Черни-Тернера угол наклона выходного зеркала выбирается с учетом формулы (2.3). Как отмечалось выше, при выполнении этой формулы полностью компенсируется кома для одной длины волны, обычно для средней длины волны рабочего спектрального диапазона А,ср.
Экспериментальное исследование характеристик спектрометра
Другими особенностями конструкции спектрометра, позволившими уменьшить фоновое излучение внутри спектрометра, являются использование конусного тубуса, формирующего размер светового пятна, равный размеру дифракционной решетки, и установка уловителей излучения, рассеянного от стенок корпуса спектрометра.
Для выбора рабочего спектрального интервала предусмотрена возможность смены дифракционной решетки и ее установка под нужным углом. Поскольку производитель не гарантирует параллельность штрихов решетки и ее боковых граней, в оправе дифракционной решетки предусмотрена регулировка, позволяющая вращать дифракционную решетку вокруг нормали к ее рабочей поверхности.
Выбор рабочего спектрального интервала спектрометра возможен в области 190-1100 нм, коротковолновая граница которой определяется поглощением излучения воздухом, а длинноволновая - краем спектральной чувствительности кремниевых фотоприемников. Для получения спектрального интервала Л п - Атах необходимо выбрать дифракционную решётку с определенным количеством штр/мм и углом блеска и установить ее под определенным углом. Количество штр/мм, угол блеска и угол наклона дифракционной решетки удовлетворяют двум требованием:
1. 9 - угол между падающим и дифрагированным лучом для средней длины волны рабочего спектрального диапазона - величина постоянная.
2. Длина спектра равна длине фотоприемника, поэтому значения АЩІП и Хшах определяются используемым фотоприемником, и угловая величина между углами дифракции для А п и Ащах то есть угол АО также величина постоянная. Для создания спектрометра со спектральным диапазоном Ащщ - Апгах? автором были получены формулы, позволяющие определить число N штр/мм и угол падения (р на решетку, обеспечивающие заданный спектральный диапазон. длина волны, для которой коэффициент отражения дифракционной решетки максимален. Выражение для о получено при условии равенства коэффициентов отражения дифракционной решетки для краёв интервала А п и ax-Возможные спектральные диапазоны при установке разных дифракционных решеток и соответствующее спектральное разрешение приведены в приложении 2.
Все элементы спектрометра расположены в монолитном корпусе (рис. 4.4), который является несущей конструкцией, исключающей деформацию оптической схемы.
Стабилизация температуры линейки осуществляется с помощью двухкаскадного термоэлектрического модуля Пельтье и цифрового датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с кристаллом линейки. Фоточувствительная поверхность линейки устанавливается в область наилучшей фокусировки спектра с помощью специальных винтов.
ЗБ-чертеж спектрометра «Колибри-2» (1- входная щель, 2-входное зеркало, 3-дифракционная решетка, 4-выходное зеркало, 5- линейка фотодиодов)
Набор входных щелей шириной 7, 15 или 25 мкм выполнены методом фотолитографии на слое алюминия, нанесённом на поверхность сапфировой подложки. Установка подложки в металлическую рамку проводится под микроскопом. Контроль вертикальности осуществляется рычажным механизмом, с помощью которого возможно отклонять входную щель от установленного положения. В правильном положении входной щели спектральные линии регистрируются наименьшим количеством фотодиодов. За входной щелью размещены электромеханический затвор, перекрывающий доступ излучения в спектрометр для автоматической калибровки.
На входе спектрометра установлена линза (f = 35 мм), расположенная на фокусном расстоянии от входной щели. При этом излучение в спектрометр можно направлять, установив его непосредственно вблизи источника излучения, либо через оптоволоконный кабель, который соединяется со спектрометром через специальный узел сопряжения, включающий линзу, фокусирующую выходящее из волоконно-оптического кабеля излучение на входной щели. Конструкция узла сопряжения сохраняет возможность направлять излучения в спектрометр и без использования волоконно-оптического кабеля. Герметичность корпуса со стороны входной щели обеспечивает пластина из стекла КУ1, конструктивное расстояние от пластины до входной щели составляет 30 мм.
В настоящее время доступны волоконно-оптические кабели с диаметром волокна до 1 мм и меньше. При малых диаметрах несоосность волоконного кабеля и входной щели значительно снижает эффективность ввода излучения в спектрометр, как видно из рис. 4.5, поэтому в узел сопряжения была заложена юстировка волоконно-оптического кабеля относительно оптической оси линзы. Помимо поперечной юстировки имеется продольная юстировка кабеля для фокусировки торца оптоволокна на входной щели.
Освещение входной щели с помощью волоконно-оптического кабеля (1-волоконно-оптический кабель и входная щель соосны; 2- волоконно-оптический кабель децентрирован относительно входной щели)
Основные технические данные спектрометра приведены в приложении 1. 4.4.Экспериментальное исследование характеристик спектрометра 4.4.1. Форма фокальной поверхности
В разделе 2.1 было рассчитано оптимальное положение дифракционной решетки относительно выходного зеркала, и найдено расстояние m между центром выходного зеркала и центром дифракционной решетки, при котором фокальная поверхность наиболее близка к плоской. Для проверки расчетов были созданы два макета спектрометра, отличающиеся положением дифракционной решетки. В первом образце расстояние от решетки до выходного зеркала соответствовало т= 1.15 f, во втором образце положение решетки определялось расчетным m = 1.25 f.
Проверка совпадения плоскости линейки фотодиодов с фокальной поверхностью проводилось с помощью графика зависимости спектрального разрешения от длины волны. Чем меньше ширина спектральной линии, тем ближе плоскость линейки фотодиодов к фокальной поверхности. Графики зависимости, аппроксимированные полиномом, показаны на рис. 4.6. Первые два графика получены для образца спектрометра с m = 1.15 f, третий график для образца с m=1.25f. При m=1.15f на линейке фотодиодов одновременно сфокусировать весь спектральный диапазон не удается, что характерно для неплоской фокальной поверхности. График 1 соответствует фокусировке на краях диапазона, график 2 соответствует фокусировке в коротковолновой области и в центре диапазона. Для второго образца спектрометра удалось сфокусировать весь диапазон длин волн на линейке фотодиодов, это говорит о том, что фокальная поверхность близка к плоскости. s
Напомним, что спектральное разрешение определено как полуширина монохроматического изображения входной щели. Для сравнения расчетного и экспериментального спектрального разрешения в программе Zemax был промоделирован протяженный источник в виде щели размером 2 х 0,015 мкм, далее была найдена полуширина монохроматических изображений щели, получаемых с помощью созданной в Zemax модели спектрометра, и построена зависимость ширины спектральной линии от длины волны. Затем был зарегистрирован спектр лампы с полым катодом на собранном образце спектрометра и также построена спектральная зависимость. Полученные графики представлены на рис.4.7.
Расширение спектрального диапазона существующих комплексов для атомно-эмиссионного спектрального анализа
Для сравнения на этом же рисунке приведен коэффициент отражения многослойного покрытия, полученного в 2009 году в Фраунгоферском институте г. Йена (Германия) [49]. Следует отметить, что данное покрытие получено с использованием специально синтезированных материалов для создания покрытия с минимальным коэффициентом отражения в видимой области спектра.
Таким образом, использование спектрометра показало, что с его помощью возможно решения ряда новых задач. В пламенной фотометрии получен предел обнаружения щелочных металлов равный 1 ppb, при этом сохранена одновременность определения щелочных и щелочноземельных металлов. В атомно-эмиссионном анализе расширены возможности измерительного комплекса путем увеличения количества одновременно анализируемых элементов (к определяемым элементам добавлены натрий и калий). В области вакуумного напыления многослойных покрытий создана система контроля на основе спектрометра, наличие которой позволило получить покрытие с характеристиками, сравнимыми с лучшими мировыми образцами, но с использованием более распространенных материалов покрытия.
В заключении сформулированы следующие основные результаты диссертации.
1. Решена задача снижения уровень фонового излучения внутри спектрометра, построенного по схеме Черни-Тернера, в 3 раза по сравнению с современными аналогами, за счёт оптимизации оптической схемы и конструктивных решений. Это позволило снизить пределы обнаружения излучения.
2. В результате исследования зависимости формы фокальной поверхности от положения дифракционной решетки относительно выходного зеркала расширена область регистрации, в которой фокальная поверхность совпадает с плоскостью фотоприемника. Это, в свою очередь, позволило в 1,5 раза расширить диапазон с высоким спектральным разрешением.
3. Создана автоматизированная установка для оперативного измерения квантовой эффективности (КЭ) многоэлементных фотоприемников в диапазоне 180-800 нм, позволяющая, исходя из снижения пределов обнаружения, обеспечить выбор многоэлементного фотоприемника с необходимым значением и разбросом КЭ в условиях производства спектрометров.
4. Создан новый малогабаритный многоканальный спектрометр, построенный по оптической схеме Черни-Тернера. Спектрометр по совокупности параметров (рабочий спектральный диапазон, спектральное разрешение, светосила и уровень фонового излучения) превосходит существующие мировые аналоги (спектрометры фирм Horiba, Oceanoptics, Avantes, Морс).
5. Разработанный спектрометр в атомно-эмиссионном анализе позволил увеличить количество одновременно определяемых элементов таблицы Менделеева (добавлены щелочные и щелочноземельные металлы), в пламенной фотометрии решить задачу одновременного определения щелочных и щелочноземельных металлов с концентрацией до 1 ppb, при создании многослойного диэлектрического покрытия позволил снизить погрешность измерения толщины слоев путем контроля коэффициента отражения в диапазоне протяженностью более 500 нм в реальном времени.
Таким образом, в настоящей диссертации за счет снижения уровня фонового излучения, расширения области регистрации с высокой разрешающей способностью, создания автоматизированной установки для измерения квантовой эффективности многоэлементных фотоприемников, а также путем проведения экспериментальной проверки конструктивных решений разработанного малогабаритного спектрометра, решена важная научно-техническая задача создания универсального малогабаритного спектрометра, способного расширить количество одновременно определяемых элементов (добавлены щелочные и щелочноземельные элементы таблицы Менделеева) в атомно-эмиссионном анализе, снизить пределы обнаружения в пламенной фотометрии и случайную погрешность определения толщины слоев при напылении многослойных покрытий.
Таким образом, в настоящей диссертации за счет снижения уровня фонового излучения, расширения области регистрации с высокой разрешающей способностью, создания автоматизированной установки для измерения квантовой эффективности многоэлементных фотоприемников, а также путем проведения экспериментальной проверки конструктивных решений разработанного малогабаритного спектрометра, решена важная научно-техническая задача создания универсального малогабаритного спектрометра, способного расширить количество одновременно определяемых элементов (добавлены щелочные и щелочноземельные элементы таблицы Менделеева) в атомно-эмиссионном анализе, снизить пределы обнаружения в пламенной фотометрии и случайную погрешность определения толщины слоев при напылении многослойных покрытий.
В дальнейшем в развитие тематики диссертации планируется создание интерференционных фильтров нерабочих порядков спектра, разработка механизма, позволяющего автоматически поворачивать дифракционную решетку для изменения спектрального диапазон. Также планируется расширить номенклатуру дифракционных решеток, используемых в созданном спектрометре, все это позволит повысить его универсальность.
Кроме того, планируется провести комплекс исследований по созданию мобильного среднегабаритного многоканального спектрометра, одним из основных применений которого может стать разбраковка металлических сплавов.
Автор считает необходимым выразить искреннюю благодарность своим коллегам - А.В. Бехтереву, В.И. Попову, А.Н. Путьмакову, М.С. Саушкину, Д.О. Селюнину, О.А. Неклюдову, Д.В. Петроченко, А.С. Пак, Р.Г. Галлямову, З.В. Семенову, В.Г. Гаранину и А.В. Борисову- за помощь в работе.
