Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка и исследование аналитического Фурье - спектрометра ФС-01 14
1.1 Исследование требований, предъявляемых к интерферометрам ИК Фурье - спектрометров. Разработка интерферометра ИК Фурье - спектрометра ФС-01 16
1.2 Исследование требований к сканирующему устройству. Выбор типа сканирующего устройства, расчёт параметров, определение технических характеристик и разработка методики контроля 19
1.3 Исследование требований к юстировочным устройствам. Расчёт параметров, определение технических характеристик и разработка методик контроля 28
1.4 Оптическая схема ИК Фурье - спектрометра ФС-01 31
1.5 Конструкция ИК Фурье - спектрометра ФС-01 33
1.6 Разработка методик контроля основных характеристик Фурье — спектрометра ФС-01 и аттестация 36
1.7 Исследование спектральных характеристик Фурье - спектрометра ФС-01 44
2. Разработка и исследование двухканального Фурье - спектрометра ФС-02 53
2.1 Исследованиє особенностей одноканальных и двухканальных спектрометров и разработка концепции двухканальных спектрометров 53
2.2 Разработка двухканального Фурье - спектрометра ФС-02 55
2.3 Экспериментальные результаты, полученные на Фурье - спектрометре ФС-02 62
2.3.1 Исследование структуры ретиналя бактериорадоп син а 62
2.3 2 Исследование оптических свойств сверхтонких металлических плёнок 65
3. Разработка Фурье - спектрометра АФ-1 70
3.1 Анализ особенностей современных Фурье - спектрометров широкого применения 70
3.2 Анализ чувствительности ИК Фурье - спектрометров и факторов влияющих на неё". Разработка методики энергетического и габаритного расчёта. Разработка концепции Фурье - спектрометров широкого применения 73
3.3 Конструкция Фурье - спектрометра АФ-1 85
3.4 Исследование спектральных характеристик Фурье- спектрометра АФ — 01 93
3.5 Автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего на основе Фурье - спектрометра АФ-1 109
3.6 Разработка и испытания Фурье-спектрометра АФ-ЗБ на ближнюю ИК область 112
Заключение и основные результаты работы 1.17
Список литературы 119
- Исследование требований к сканирующему устройству. Выбор типа сканирующего устройства, расчёт параметров, определение технических характеристик и разработка методики контроля
- Разработка методик контроля основных характеристик Фурье — спектрометра ФС-01 и аттестация
- Исследование оптических свойств сверхтонких металлических плёнок
- Анализ чувствительности ИК Фурье - спектрометров и факторов влияющих на неё". Разработка методики энергетического и габаритного расчёта. Разработка концепции Фурье - спектрометров широкого применения
Введение к работе
Актуальность темы.
Фундаментальные аспекты методик измерения в Фурье спектроскопии могут сегодня рассматриваться как достигшие уровня зрелости и широко применяемые для спектральных измерении от дальней ЙК области до ультрафиолета. В настоящее время приборы, основанные на преобразовании Фурье [1-11], повсеместно вытеснили дифракционные приборы в средней РЖ области, и всё более широко применяются в ближней ИК области и в более коротковолновом спектральном диапазоне. Многие из этих приборов применяются в исследованиях, аналитических измерениях и измерениях контроля качества.
Столь широкое применение Фурье - спектрометров в значительной степени обусловлено преимуществами мультиплексности и светосилы, которые, в общем, дают существенно меньший уровень случайных погрешностей по шкале ординат (часто меньше 0,1% пропускания или отражения) и тем самым обеспечивают большую чувствительность. По своему принципу действия, Фурье - спектрометрия является простой и элегантной методикой для спектрального анализа. Она основывается на простой оптической схеме и непосредственном математическом преобразовании. Преимущество Фурье - спектрометров в светосиле перед другими типами спектральных приборов таково, что даже значительные потери, обусловленные невысоким уровнем качества разработки и изготовления оптико-механических устройств, электронных устройств и программного обеспечения, оставляют ещё запас по чувствительности. Можно получать достаточно высокого качества спектры на Фурье — спектрометрах среднего уровня. Разного уровня спектрометры создавали и специализированные фирмы, и исследовательские группы, испытывающие по тем или иным причинам трудности в приобретении Фурье спектрометров нужной конфигурации. Однако высокого уровня спектры, на пределе обнаружительной способности метода Фурье - спектрометрия (например, КР спектры), можно получить только на Фурье — спектрометре высокого качества[12-17]. Получение высокого уровня количественных данных и в, частности, для формирования спектральных баз требует, помимо высокого уровня качества разработки и изготовления, ещё и высокий уровень точности по шкале интенсивностей, достижение, которого осложняется большим количеством потенциальных источников систематических погрешностей измерений. Высокий уровень качества Фурье - спектрометров зависит от многих факторов, но в первую очередь от качества разработки и изготовления оптико-механических устройств. Именно они определяют качество формирования двух изображений источника излучения, которые даёт интерферометр, совмещения их на приёмной площадке детектора и стабильного удержания в исходном положении в процессе измерения. В конечном итоге именно они определяют всю величину интерферометрически модулированного светового потока, доступного для спектральных измерений до того, как могут рассматриваться все остальные факторы, влияющие на качество спектрометра. Погрешности плоскостности оптических поверхностей деталей интерферометра приводят к интерференции деформированных волновых фронтов. Аберрации, вносимые коллимирующим зеркалом интерферометра, приводят к возрастанию количества наклонных лучей и увеличению погрешностей по шкале волновых чисел и по шкале ординат. Погрешности механических узлов приводят к интерференции непараллельных интерферирующих пучков лучей, не стабильных во времени[18]. Погрешности в интерферограмме, обусловленные качеством оптико-механических устройств, представляют собой наиболее фундаментальные искажения, которые переводят процесс измерения спектра, выраженного действительными числами в измерение комплексных величин.
Поэтому становится актуальной задача разработки новых, более совершенных измерительных спектральных систем, в которых минимизированы потери глубины модуляции интерферирующих пучков и погрешности по шкале волновых чисел и по шкале ординат, а также методов их расчёта, учитывающих основные искажающие факторы, в том числе и качество изготовления основных оптико-механических устройств.
Целью диссертации является исследование особенностей современных зарубежных Фурье - спектрометров, анализ факторов влияющих на их качество, разработка концепции высококачественных отечественных Фурье -спектрометров, поиск конструктивно-технологических решений, обеспечивающих достижение их предельных характеристик. Отдельно выделены аналитические Фурье - спектрометры, необходимые для прикладных исследований в широкой области спектра ИК диапазона с высокой фотометрической точностью.
Объектами исследований являлись Фурье — спектрометры, оптико-механические устройства, входящие в состав Фурье - спектрометров: интерферометры, сканирующие, юстировочные, коллимирующие устройства и устройства, формирующие оптические изображения; а также спектральные характеристики созданных аналитических Фурье — спектрометров и исследовательские и прикладные задачи, решаемые с помощью этих приборов.
Основные задачи работы:
• проведение исследований особенностей оптических схем и конструктивных решений Фурье - спектрометров;
• проведение теоретических и экспериментальных исследований оптико-механических устройств Фурье - спектрометров;
• предложение новых конструкций оптико-механических устройств;
• исследование и разработка новых технологических приёмов изготовления, сборки и контроля оптико-механических устройств Фурье - спектрометров;
• исследование спектральных характеристик созданных Фурье — спектрометров; • разработка методики контроля спектральных характеристик Фурье спектрометров.
Научная новизна и основные результаты работы Научная новизна и основные результаты работы состоят в следующих положениях, которые выносятся на защиту:
• методика расчёта и технология изготовления прямолинейных цилиндрических направляющих с газовой смазкой, позволившая более чем в 10 раз повысить точность прямолинейных направляющих и создать сканирующее устройство интерферометра Майкельсона, работающее с плоскими зеркалами вплоть до ультрафиолетовой области;
• концепция двухканальных Фурье — спектрометров, применение которой позволило создать оригинальную двухканальную исследовательскую спектральную установку ФС-02;
• концепция Фурье - спектрометров широкого применения, применение которой позволило уменьшить габариты, повысить долговременную стабильность, снизить стоимость и повысить чувствительность Фурье — спектрометра АФ-1.
Практическая ценность работы Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении в мелкосерийное производство:
• спектрометров ФС-01, ФС-02, АФ-1;
• новых конструкций, методов расчёта и изготовления прямолинейных направляющих с газовой смазкой;
• новой технологии изготовления клиновых котировочных устройств;
• методик габаритного и энергетического расчёта Фурье — спектрометров;
• новой технологии изготовления асферических зеркал.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 9 научно — технических периодических изданиях и в сборншсах научных трудов, в описаниях 2 патентов на изобретения, а также в тезисах докладов международных конференций: 8h International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Lubeck, Travermmde, FRG, 1991), 22-nd European Congress on Molecular Spectroscopy (Essen, Germany, 1994), Spectroscopy in Special Application (Kiev, Ukraine, 2003).
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка использованных источников.
Во Введении рассмотрены основные факторы, влияющие на качество Фурье - спектрометров. Показано, что высокий уровень качества Фурье -спектрометров зависит от многих факторов, но в первую очередь от качества разработки и изготовления оптико-механических устройств. Обоснована тема диссертации и сформулирована цель работы.
Первая глава посвящена анализу требований, предъявляемых к аналитическим ИК Фурье - спектрометрам среднего разрешения, разработке методов проектирования высококачественных оптико-механических устройств, разработке Фурье - спектрометра ФС-01 и исследованию его спектральных характеристик.
Во второй главе рассмотрены особенности одноканальних и двухканалъных Фурье - спектрометров, описаны двухканальный Фурье — спектрометр ФС-02 и исследование его спектральных характеристик.
Третья глава посвящена анализу особенностей современных Фурье -спектрометров широкого применения, анализу чувствительности ИК Фурье -спектрометров и факторов, влияющих на неё, разработке методики энергетического и габаритного расчёта, описанию оптической схемы и конструкции аналитического Фурье - спектрометра АФ™1, исследованию спектральных характеристик Фурье — спектрометра АФ — 01, описанию автоматизированной системы идентификации и контроля качества горючего на основе Фурье - спектрометра АФ-1. Диссертация содержит 125 страниц машинописного текста, из них 33 рисунка, 4 таблицы, ссылки на 83 библиографических источника (на 8 листах).
Исследование требований к сканирующему устройству. Выбор типа сканирующего устройства, расчёт параметров, определение технических характеристик и разработка методики контроля
Известны различные способы установки и поддержания точного положения зеркал в интерферометре [27,28]. Подвижное зеркало устанавливается на высокоточную прямолинейную направляющую и с не очень высокой точностью (погрешность установки не должна превышать область юстировки неподвижного зеркала) устанавливается относительно светоделителя. Затем с такой же точностью относительно светоделителя устанавливается неподвижное зеркало, и на заключительном этапе угловое положение неподвижного зеркала с помощью юстировочного устройства окончательно устанавливается предельно точно. Для этих целей может использоваться статическое или динамическое котировочное устройство. Статическая юстировка может выполняться в ручном или, автоматическом режимах. Например, для статической юстировки в автоматическом режиме может применяться мотор с шаговым двигателем. Кроме того, для этих целей, как правило, применяется микропроцессор, который периодически проверяет юстировку и статически юстирует прибор. Статическая юстировка выполняется периодически в перерывах между измерениями, и каждый раз при смене светоделителя. Если точность прямолинейной направляющей недостаточна, то необходима динамическая юстировка. Динамическая юстировка выполняется в процессе перемещения подвижного зеркала. Для динамической юстировки неподвижного или подвижного зеркала во время движения требуется более высокое быстродействие, чем то, которое можно достичь с помощью шагового двигателя. Такими устройствами могут быть устройства на базе пьезоэлектрических двигателей или двигателей электромагнитного типа. Во время работы динамической юстировки неподвижного зеркала при перемещении подвижного зеркала возникают перемещения выходящего пучка по приёмной площадке детектора, которые ухудшают точность спектральных измерений. Поэтому более целесообразным представляется проводить динамическую юстировку подвижного зеркала, сохраняя неизменным положение неподвижного зеркала относительно детектора и динамически подстраивать положение подвижного зеркала. Однако и тот, и другой вариант динамической юстировки имеют свои недостатки, основными из которых являются переходные процессы, вызывающие погрешности перерегулирования, Лучшим вариантом, с учётом тенденции расширения исследуемой спектральной области в сторону коротких длин волн, представляется применение максимально высокоточной направляющей, а при необходимости ещё того или иного вида юстировок, предварительно проанализировав вносимые погрешности.
При проектировании прямолинейных направляющих необходимо в первую очередь учитывать точность работы, лёгкость хода, отсутствие заклинивания.[29] На точность работы направляющих влияют погрешность формы, прогибы и меняющиеся зазоры. При стремлении получить максимальную точность необходимо стремиться получить минимальные отклонения от формы, минимальные зазоры и максимальную базу подвижной части. Лёгкость хода определяется силами трения и массой подвижной части. Защемление происходит обычно при неправильно выбранных соотношениях между параметрами направляющих и точками приложения сил. Угол между линией действия сил и направлением движения должен быть минимальным. Заклинивание в направляющих с трением скольжения может также произойти от изменения температуры окружающей среды.
Изо всех способов и методов, позволяющих сконструировать перемещение каретки, направляющая с газовой смазкой наиболее близка к идеалу [30]. Высокая точность прямолинейного перемещения обусловлена усредняющим воздействием газовой плёнки в зазоре на различные местные поверхностные неоднородности, характерные для механической обработки. Ничтожно малое трение ( 10"6), отсутствие заедания или неравномерного трения и обусловили выбор газа в качестве смазки.
Основными требованиями, предъявляемыми к направляющей для перемещения подвижного зеркала интерферометра, являются, безусловно, высокая точность прямолинейного перемещения, обеспечивающая нужную глубину интерференционной модуляции во всём диапазоне перемещения, высокая стабильность сил трения, позволяющая достигать высокой стабильности скорости перемещения подвижного зеркала интерферометра в автоматическом режиме. Кроме того, так как направляющая должна работать в вакууме, то расход газа, протекающего через неё, должен быть минимальным и не должен превышать разумной производительности вакуумного насоса. Другими словами расход газа протекающего через направляющую должен быть соизмерим с естественным натеканием через стенки вакуумной камеры. Такое условие требовало выбора минимальных зазоров в направляющей и минимального питающего давления. Необходимо было спроектировать направляющую, удовлетворяющую выше перечисленным требованиям, а также целому ряду конструктивных и технологических требований, разработать технологию изготовления, разработать методику испытаний и провести испытания.
Известны три основных варианта прямолинейных направляющих с газовой смазкой: подвижное зеркало устанавливается на каретку, опирающую на две цилиндрические направляющие с газовой смазкой; призматическая или прямоугольная плоские направляющие и цилиндрическая направляющая. Первые две направляющие громоздки, требуют значительного расхода газовой смазки и обладают меньшей точностью. Поэтому выбор остановили на цилиндрической направляющей.
Цилиндрическая направляющая с газовой смазкой представлена на рис.2. Газ подаётся, в расположенную в корпусе подвижной части камеру под давлением рп, проходит через два ряда отверстий (сопел) диаметром d в зазор между подвижной и неподвижной частями и течёт по направлению к концу направляющей, где он выходит в окружающую среду, давление которой равно рс- Проходящий через каждое отверстие газ испытывает действие двух последовательно соединённых
Разработка методик контроля основных характеристик Фурье — спектрометра ФС-01 и аттестация
Конструктивно интерферометр ИК Фурье - спектрометра ФС-01 (рис.6) выполнен в виде двух совмещённых интерферометров: интерферометра ИК излучения и референтного интерферометра. Подвижное зеркало 10 является общим для обоих интерферометров. Интерферометр ИК излучения построен по схеме Майкельсона с углом падения лучей на светоделитель 30 и состоит из подвижного и неподвижного плоских зеркал 10, 11 и сменного блока светоделителя с компенсатором 9. Выбор угла падения лучей на светоделитель 30 обусловлен стремлением уменьшить размер светоделителя, так как его стоимость стремительно возрастает с увеличением размеров. Перемещается подвижное зеркало 4 линейным двигателем посредством прямолинейной цилиндрической направляющей с газовой смазкой 3 (рис. 7).
Линейный двигатель выполнен в виде соленоида 1, установленного в поле постоянного магнита 2. Движение соленоида осуществляется в результате взаимодействия тока в его обмотке и поля постоянного магнита. Полярность подаваемого на соленоид напряжения определяет направление движения, а его амплитуда - величину скорости перемещения. Устройство перемещения подвижного зеркала обеспечивает изменение оптической разности хода в плечах интерферометра до 10 см. Скорость сканирования может изменяться в широких пределах, что позволяет регистрировать интерферограммы во всей области спектра на частотах, согласованных с полосой частот приемников ИК - излучения. Максимальное время сканирования и вычисления спектра с разрешением 0,1 см"1 составляет 1,5 мин.
Для различных участков спектра существует набор блоков светоделителей с компенсаторами 9 из кварца КИ, CaF2 (флюорит) и КВг (бромистый калий) с соответствующими светоделительными покрытиями, перекрывающими диапазон от 2 до 25 мкм, а для диапазона от 25 до 100 мкм используется светоделитель из пленки полиэтилентерефталата толщиной 5 мкм.
Корпус интерферометра выполнен из состаренного чугуна, что обеспечивает хорошую долговременную стабильность. Неподвижные зеркала 11 и 18 (рис. 6) устанавливаются в рабочее положение с помощью клиновых юстировочных устройств (4).
Конструктивно ИК Фурье - спектрометр ФС-01 построен из отдельных блоков, помещенных в вакуумные корпуса: осветитель I, интерферометр II, зеркальный отсек III, кюветное отделение IV, отделение приемников V. В корпусе осветителя I предусмотрено окно 24 для ввода излучения от внешнего источника.
Длина кюветного отделения вдоль оптической оси 260 мм и ширина 180 мм. Отделение приемников ИК-излучения V позволяет без разъюстировки производить смену приемников 15, а также устанавливать приемник ИК-излучения глубокого охлаждения. В качестве основных приемников ИК-излучения используются пироэлектрический приемник и оптико-акустический приемник типа ОАП-5М с полиэтиленовым окном.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми в ИК спектрометрии к средствам измерения, методики контроля должны применять аттестованные образцовые поверочные вещества и стандартные средства измерения с нормированными погрешностями. Обычно рабочий диапазон длин волн контролируют посредством записи спектров образцов, спектры которых хорошо известны (есть официальные данные о положении и виде полос поглощения). В соответствии с рекомендациями [«ОМП», 1971,№6 и «ОМП», 1974,№5] наиболее удобным веществом для контроля шкалы волновых чисел являются атмосферные водяные пары, спектры и таблицы положения линий поглощения которых также можно использовать для подтверждения рабочего диапазона длин волн Фурье-спектрометра ФС-01.
Проверку рабочего диапазона длин волн Фурье-спектрометра ФС-01 производят посредством записи спектров водяных паров в диапазоне длин волн от 5000 до 100 см"1 с разрешением 2 см"1 и числом накоплений равным 36. Испытания показали, что вид и количество полос на зарегистрированных спектрограммах совпадает со спектрами, приведенными в [«ОМП», 1974,№5] и [4 из «ОМП», 1974,№5].
Проверку сходимости результатов измерений по шкале интенсивностей производят посредством записи спектра пропускания спектрометра ФС-01. Производят последовательно одиннадцать раз регистрацию спектров пропускания в диапазоне от 5000см"1 до 100 см"1 с разрешением 2 см"1 и числом накоплений равным 36. Вычисляют СКО по одиннадцати записям спектра для волнового числа, разброс ординат спектра для которого максимальный, по формуле:
Исследование оптических свойств сверхтонких металлических плёнок
Регистрация полос поглощения интенсивностью менее одной тысячной доли оптической плотности в присутствие других интенсивных полос поглощения является задачей на пределе возможностей инфракрасной спектроскопии. Появление высокочувствительных инфракрасных детекторов, согласованных с малошумящими усилителями позволяет в настоящее время решать задачи, которые ранее решать было невозможно. Однако это накладывает более жёсткие требования к условиям измерения и оптимизации приборов. В принципе, если успешно зарегистрированы два однолучевых спектра, которые идентичны во всех аспектах, отношение одного к другому должно дать прямую линию со значением равным единице или поглощение равное нулю. Ограничения, накладываемые на измерение отношения спектров, определяются случайным шумом и дрейфом системы. Высокочастотные составляющие шума могут быть уменьшены посредством оптимизации линейного динамического диапазона всех компонент прибора и усреднением спектра, причём шум уменьшается как корень квадратный из числа проведенных измерений. Более сложные проблемы возникают тогда -когда шум перестаёт уменьшаться с ростом числа измерений, и флуктуации прибора приводят к некоторым отличиям одного однолучевого спектра от другого.
Анализ развития Фурье - спектроскопии за последние двадцать лет показывает, что в течение этого времени у спектрометров, выпускаемых ведущими фирмами, практически не изменилась одна из важнейших характеристик - воспроизводимость результатов измерений по шкале оптического пропускания. Эта характеристика является важнейшей при проведении количественных измерений, определяя порог обнаружительной способности и тем самым класс решаемых задач. Воспроизводимость результатов измерений по шкале оптического пропускания является интегральной характеристикой, обусловленной нестабильностью всех устройств, входящих в состав спектрального прибора: дрейфом интенсивности источника излучения, нестабильностью интерферометра, погрешностями АЦП и т.д. Кроме того, на воспроизводимость результатов измерений по шкале оптического пропускания сильно влияет окружающая среда (температура, влажность, вибрации, акустика, электромагнитный фон и прочее). В какой-то степени решение этой проблемы возможно за счёт ужесточения требований к условиям измерения. Для этого необходимо поместить прибор в лабораторию с хорошим кондиционированием воздуха, источник излучения охлаждать водой из резервуара с постоянной температурой, а оптическую скамью спектрометра продувать сухим воздухом, который так же имел бы постоянную температуру [41].
Спектральные измерения обычно включают измерение двух спектров: образца и эталона. Измерение эталона требует точного измерения спектрального отклика спектрометра. В самом простом случае применяется "однолучевой метод". Спектр образца регистрируется после регистрации спектра эталона. Спектр пропускания образца, в котором устранены все характеристики отклика спектрометра, получают делением спектра образца на спектр эталона. Однолучевой метод имеет несколько внутренне присущих недостатков. Оптическая юстировка спектрометра может дрейфовать во время интервала между измерениями эталона и образца. Кроме того, атмосфера внутри прибора может изменяться между измерениями образца и эталона. Это приведёт к наложению спектров водяных паров и двуокиси углерода на спектр образца. Так как водяные пары и двуокись углерода являются сильными поглотителями ИК излучения, это является важной и постоянной проблемой в спектральных измерениях. Поэтому, желательно уменьшать время между измерениями образца и эталона или, если возможно, исключить этот временной интервал полностью. Чувствительность приёмника и другие ограничения, связанные с электроникой, является другими внутренне присущими недостатками однолучевого метода. В спектральных измерениях амплитуда референтного сигнала большая, в то время как сигнал спектра образца обычно составляет малую часть сигнала фона. Кроме того, трудно сохранить линейность приёмников, так же как и электроники измерительного тракта во всем динамическом диапазоне, необходимом для точного измерения интерферограммы образца и эталона. Нелинейности измерительной системы ограничивают возможности однолучевых спектрометров в точных количественных измерениях. В конечном итоге, чувствительность многих Фурье-спектрометров ограничена динамическим диапазоном приёмника — предусилителя, так же как и динамическим диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Неспособность отделить большой сигнал фона от маленького сигнала результирующего спектра вынуждает усиливать и проводить другие процессы с обоими сигналами, что уменьшает точность измерения спектра образца. Проблемы динамического диапазона являются более критичными в Фурье - спектроскопии, чем в дисперсионных измерительных системах. Интерферограмма - функция автокорреляции входящего излучения - Фурье преобразование спектра - является измеряемым сигналом в Фурье -спектрометрах. Интерферограмма имеет гораздо больший динамический диапазон, чем спектр. Обычные рутинные измерения часто требуют обнаружение 1% пропускания образца, то есть одной сотой части. Однако, спектральные особенности образца такого порядка в интерферограмме составляют одну стотысячную от значения в максимуме интерферограммы.
Фурье - спектрометры разрабатывались с раздельными каналами образца и эталона и часто использовали поворотные зеркала, позволяющие переключать последовательно сканы между двумя каналами. Переключение обычно требует несколько секунд, и время скана также занимает несколько секунд с последовательным переключением на два канала. Такой подход позволяет исключить некоторый дрейф долговременной стабильности, но не решает проблем динамического диапазона, описанных выше. Хотя такие Фурье - спектрометры и называются "двухканальными", они в действительности таковыми не являются.
Анализ чувствительности ИК Фурье - спектрометров и факторов влияющих на неё". Разработка методики энергетического и габаритного расчёта. Разработка концепции Фурье - спектрометров широкого применения
После практического ухода с мировой арены дифракционных инфракрасных (ИК) спектрофотометров, возрос интерес к фотометрической точности Фурье - спектрометров. Фурье -спектрометры, в настоящее время, являются доминирующими спектральными приборами от ближней до дальней ИК области. В значительной степени это обусловлено преимуществами мультиплексное и светосилы, которые, в общем, дают существенно меньший уровень случайных погрешностей по шкале ординат (часто меньше 0,1% пропускания или отражения) и тем самым обеспечивают большую чувствительность. По своему принципу действия, Фурье - спектрометрия является простой и элегантной методикой для спектрального анализа. Она основывается на простой оптической схеме и непосредственном математическом преобразовании. Преимущество Фурье - спектрометров в светосиле перед другими типами спектральных приборов таково, что даже значительные потери, обусловленные недостаточно качественной оптикой, механикой, электроникой, математическим обеспечением, оставляют ещё некоторый запас по чувствительности. Это означает, что можно получать хорошего качества спектры на Фурье -спектрометрах среднего уровня. Разного уровня спектрометры создавали и специализированные фирмы, и даже отдельные исследовательские группы, испытывающие по тем или иным причинам трудности в приобретении Фурье - спектрометров требуемой конфигурации. Однако высокого уровня спектры, на пределе обнаружительной способности метода Фурье — спектрометрии (например, КР спектры), можно получить только на Фурье - спектрометре высокого качества. Кроме того, существует большое количество потенциальных источников систематических погрешностей измерений. Бёрч и Кларк [59] опубликовали список из 50 категорий погрешностей по шкале ординат, и некоторые из них имеют несколько главных источников. Этот список охватывает только непосредственные измерения пропускания/поглощения.
Недостатки Фурье-спектрометрии являются продолжением их достоинств. Высокая светосила Фурье - спектрометров обеспечивается большими допустимыми угловыми размерами источника излучения по сравнению с другими видами спектрометров - дополнительными наклонными лучами. Но дополнительные наклонные лучи вызывают дополнительные проблемы, связанные с обеспечением их адекватного прохождения через оптическую систему. Погрешности оптических деталей усугубляют проблему наклонных лучей. Мультиплексность Фурье -спектрометров даёт существенный выигрыш во времени регистрации, но требует линейности измерительного тракта в широком динамическом диапазоне (10л4 и более). Простота оптической схемы и непосредственное математическое преобразование осложняется тем, что незначительные систематические погрешности во временной области (измерение интерферограмм) приводят к значительным погрешностям в частотной области (в спектрах). Проблемы, связанные с переотражениями в Фурье - спектрометрии до некоторой степени аналогичны проблеме рассеянного света. Переотражения между образцом и оптикой источника, между образцом и оптикой приемника, между оптикой источника и оптикой приёмника, и нежелательными отражениями от пластины светоделителя и компенсатора приводят к дополнительным компонентам потоков излучения. Погрешности включают разности фаз между дополнительными компонентами потоков излучения, присутствующими при сканировании образца или эталона и основным потоком излучения. Дополнительные компоненты побочных интерферограмм приводят к увеличению или уменьшению значений ординат для того или иного волнового числа после Фурье преобразования, в зависимости от углов разности фаз в выражении 2 яп, где п переменная. Это означает, что компонента погрешности в спектре может менять знак несколько раз внутри рабочего спектрального диапазона, и, кроме того, многократная модуляция некоторых переотражённых компонент может привести к сдвигу по шкале волновых чисел с коэффициентом 2, 3, 5, 7 и т. д., значительно затрудняя идентификацию, выделение и коррекцию. Однако всё выше сказанное ни в коей мере не отрицает преимуществ Фурье — спектрометрии. Преимущества очевидны и ярчайшим подтверждение этого является доминирующее положение Фурье - спектрометров от ближней до дальней ИК области, но не менее очевидно и то, что проблемы систематических погрешностей существуют и требуют самого пристального внимания.
Для каждого конкретного Фурье - спектрометра указанные особенности, связанные с переотражениями, в значительной степени индивидуальны [60-72]. Далеко не очевидно, что спектральные базы данных, созданные на Фурье - спектрометре одной фирмы могут быть применены для Фурье — спектрометров другой фирмы.
Чувствительность является одной из наиболее существенных характеристик ИК Фурье - спектрометра. Поэтому очень важно при его исполнении приблизиться к теоретическим значениям, обусловленным выигрышами Жакино и Фелджетта.
Известно несколько способов определения чувствительности ИК Фурье - спектрометров[73,74]. Они не являются окончательными и оптимизируются до настоящего времени. Один из них описан в [75] и является практическим применением фундаментального уравнения чувствительности. Это уравнение описывает относительное изменение чувствительности как функцию экспериментальных параметров.
