авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Ик фурье-спектрометры для научных исследований и прикладных применений

-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОТДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Учреждение Российской академии наук Научно-технологический центр уникального приборостроения­ РАН

На правах рукописи

Вагин Василий Алексеевич

ИК фурье-спектрометры для научных исследований и прикладных применений

Специальность 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Научно-технологический центр уникального приборостроения­ РАН

Научный консультант: д.ф.-м.н. Кирьянов А.П.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Ищенко Е.Ф.

  • д. ф. - м. н. Яковлев В.А.
  • д.х.н., Локшин Б.В.

Ведущая организация – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления»

Защита состоится 16 декабря 2009 г. в 15 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.135.01 Учреждения Российской академии наук Научно-технологический центр уникального приборостроения­ РАН, по адресу: 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТЦ УП РАН.

Автореферат разослан ____________ 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета /Отливанчик Е.А./

к. ф. - м. н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа, представленная к защите, содержит результаты исследований и разработок семейства специализированных ИК фурье-спектрометров, предназначенных для научных экспериментов в различных областях физики, химии, биофизики, материаловедения и прикладных применений в производственных технологических линиях и контроле состава и качества различных веществ и видов продукции.

Работа обобщает результаты, полученные в ходе решения этой важной государственной проблемы лично автором, либо под его руководством и непосредственном участии в период 1972-2009 гг. в Научно-технологическом центре уникального приборостроения РАН. С использованием полученных результатов было создано более десяти типов фурье-спектрометров различного назначения, применяемых НИИ и организациями РАН, промышленности и Минобороны России при проведении экспериментальных исследований и практических применениях.

Актуальность темы. Многообразие возможностей применения Фурье-спектрометров для решения задач в области современной физики, химии, биофизики, материаловедения обеспечивается их известными преимуществами над другими видами спектрометров. К ним в первую очередь следует отнести:

  • фактор мультиплексности, заключающийся в одновременной регистрации всего исследуемого спектрального диапазона;
  • большой геометрический фактор - выигрыш в светосиле, обусловленной осевой симметрией интерферометра и значительными размерами входной диафрагмы;
  • высокую точность шкалы волновых чисел, которая обеспечивается точным измерением оптической разности хода интерферирующих световых пучков в интерферометре;
  • практически постоянное во всем исследуемом спектральном диапазоне разрешение, которое определяется величиной предельной оптической разности хода, достигаемой в интерферометре;
  • широкий диапазон исследуемого спектра, ширина которого определяется только областью пропускания светоделителя и областью спектральной чувствительности фотоприемника;
  • отсутствие (как правило) влияния на измеряемые спектры рассеянного излучения, являющегося одним из основных источников фотометрической погрешности в классических спектрометрах.

Указанные преимущества Фурье-спектрометров позволяют за время одного эксперимента производить высокоточные спектральные измерения исследуемых объектов (в газообразном, жидком и твердом состоянии) в широком диапазоне длин волн. Все это обеспечивает высокое качество получаемой информации, в результате чего такие приборы находят широкое применение, как в научных, так и прикладных исследованиях.



Цель работы – исследование и разработка семейства специализированных ИК фурье-спектрометров, предназначенных для научных экспериментов в различных областях физики, химии, биофизики, материаловедения и прикладных применений в производственных технологических линиях и контроле состава и качества различных веществ и видов продукции.

Основные задачи диссертации, обеспечивающие достижение поставленной цели:

  1. Исследование и разработка оптической схемы интерферометра, определение требований, предъявляемых к его основным элементам, и разработка принципа непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения.
  2. Исследование, разработка и создание Быстросканирующего фурье-спектрометра субмиллиметрового диапазона. Разработка оптической схемы интерферометра и исследование особенностей его функционирования.
  3. Исследование, разработка и создание фурье-спектрометра широкого применения. Разработка оптической схемы прибора и исследование особенностей его функционирования.
  4. Исследование, разработка и создание портативного переносного фурье-спектрометра и на его основе - анализатора горюче-смазочных материалов. Разработка оптической схемы прибора.
  5. Исследование, разработка и создание оптоволоконного ИК фурье-спектрометра, Разработка оптической схемы прибора и исследование особенностей его функционирования.
  6. Разработка оптической схемы, принципов построения и функционирования многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра для исследования земной поверхности и атмосферы с борта спутника, а также для наземных дистанционных измерений.
  7. Исследование требований к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра, обусловленных частотными характеристиками приемного тракта и необходимым отношением сигнал/шум в получаемом спектре.
  8. Исследование метода повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм
  9. Разработка и исследование нового класса оптимальных функций аподизации.

Методы исследования основываются на законах электродинамического взаимодействия электромагнитного излучения с элементами фурье-спектрометра, математическом анализе такого взаимодействия, теории вероятностей и математической статистике, компьютерном моделировании и экспериментальном макетировании.

Научная новизна.

На основе комплексных исследований оптико-механических схем и разработки принципов функционирования создано семейство специализированных ИК фурье-спектрометров для научных исследований и прикладных применений.

Исследованы, разработаны и внедрены в практику Фурье-спектрометрических измерений ряд алгоритмических и аппаратных методов обработки спектральной информации с целью повышения спектрального разрешения и отношения сигнал/шум в получаемом спектре.

Разработан принцип непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения. Предложена и исследована оптическая схема интерферометра с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе. С помощью созданного спектрометра высокого разрешения обнаружена и исследована тонкая (изотопическая) структура на сверхтонкой структуре электронного перехода в опти­ческом спектре кристалла фторида лития-иттрия, активированного гольмием.

Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен Быстросканирующий фурье-спектрорадиометр для измерения спектральной яркости поляризованного электромагнитного излучения высокотемпературной замагниченной плазмы в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования.

Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен фурье-спектрометр широкого применения. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования. На его основе создана автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего.

Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен портативный переносной фурье-спектрометр. Предложена, исследована и внедрена оптическая схема компактного интерферометра. На основе спектрометра создан и сертифицирован портативный анализатор горюче-смазочных материалов. В результате с помощью ИК Фурье-спектроскопии реализован на практике экс­пресс-метод их анализа.

Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен Оптоволоконный ИК фурье-спектрометр. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования.

Проведены исследования, на основе которых разработан и создан макет многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра для исследования земной поверхности и атмосферы с борта спутника. Разработана оптическая схема прибора. Исследованы особенности его построения и функционирования.

Исследованы требования к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра и особенности метода повышения отношения сигнал/шум в спектре посредством накопления интерферограмм. Разработан и исследован новый класс оптимальных функций аподизации, позволяющих получить максимально возможное спектральное разрешение при заданном уровне боковых лепестков аппаратной функции.

Перечисленные выше исследования выполнены впервые.

Практическая значимость и результаты внедрения

На основании проведенных исследований разработан и вы­пущен в мелкосерийном производстве в НТЦ УП РАН целый ряд Фурье-спектрометров различного назначения:

  1. Фурье-спектрометр УФС-02 с рабочей областью спектра от 1 мкм до 100 мкм и разрешением до 0,005 см-1;
  2. Фурье-спектрометр ФС-01 с рабочей областью спектра от 2 мкм до 100 мм и разрешением до 0,1 см-1. Фурье-спектрометр ФС-01 внедрен в се­рийное производство на Опытно-производствен­ном предприятии НТО АН СССР г. Минска;
  3. Автоматизированный фотоэлектрический спектрометр АФС-01 с рабочей областью спектра от 2 мкм до 400 мкм и разрешением до 0,1 см-1;
  4. Лабораторный субмиллиметровый Фурье-спектрометр ЛСФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 3000 мкм и разрешением до 0,05 см-1;
  5. Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 с рабочей об­ластью спектра от 100 мкм до 5000 мкм с разрешением 0,1 см-1 и временным разрешением 5 мс;
  6. Двухканальный фурье-спектрометр ФС-02 с рабочей областью спек­тра от 2 до 25 мкм и разрешением 0,1 см-1;
  7. Аналитический Фурье-спектрометр широкого применения с рабочей областью спек­тра от 2 до 25 мкм и разрешением 1 см-1;
  8. Автоматизированная система контроля качества горюче-смазочных материалов;
  9. Портативный переносной инфракрасный фурье-спектрометр ПАК-Б с рабочей областью спек­тра от 2 до 25 мкм и разрешением 3 см-1;
  10. Опытный образец Оптоволоконного фурье-спектрометра с рабочей областью спек­тра от 3 до 18 мкм и разрешением 3 см-1;
  11. Макет Многоцелевого фурье-спектрорадиометра с рабочей областью спек­тра от 2 до 25 мкм и разрешением 0.3 см-1.
  12. Макет Фурье спектрохолоэллипсометра с рабочей областью спек­тра от 2 до 25 мкм и разрешением 3 см-1.

Результаты исследований и разработок Фурье-спектрометров внедрены в Научно-технологическом центре Уникального приборострое­ния РАН, Институте спектроскопии РАН, Физическом институте РАН, Институте химической физики РАН, Институте космических исследова­ний РАН, Институте физики металлов СО РАН, 25 ГОСНИИ МО РФ, Фи­лиале Института ядерных исследований им. И.В. Курчатова, Институте общей физики РАН им. А.М.Прохорова, Федеральном государственном унитарном предприятии «Главкосмос», а также в ряде вузов и отраслевых НИИ.

Личное участие автора в разработках по теме диссертационной работы

По большинству разработок по теме диссертации автор являлся научным руководителем или ответственным исполнителем или заместителем ответственного исполнителя работы. Все результаты исследований получены лично автором диссертации.





Автор был ведущим конструктором при создании фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02 и разработал принцип непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения, а также оптическую схему прибора.

Автор был научным руководителем следующих разработок:

  • портативный переносной инфракрасный фурье-спектрометр ПАК-Б;
  • опытный образец Оптоволоконного фурье-спектрометра;
  • макет Многоцелевого фурье-спектрорадиометра.

Автор самостоятельно провел теоретические исследования некоторых особенностей функционирования фурье-спектрометра с целью улучшения его технических характеристик, в частности, исследовал требования к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра; исследовал метод повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм; исследовал и разработал новый класс функций аподизации. Результаты этих исследований были использованы и внедрены автором в разработках ряда специализированных фурье-спектрометров (ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01, БФС-01, ФС-02).

На защиту диссертации выносятся

1. Принцип быстрого сканирования в фурье-спектроскопии высокого разрешения.

2. Оптическая схема интерферометра фурье-спектрометра высокого разрешения.

3. Оптическая схема интерферометра быстросканирующего фурье-спектрометра субмиллиметрового диапазона.

4. Оптическая схема фурье-спектрометра широкого применения.

5. Оптическая схема компактного интерферометра для портативного фурье-спектрометра, предназначенного для анализа горюче-смазочных материалов.

6. Физико-технические принципы построения и функционирования оптоволоконного фурье-спектрометра.

7. Схема и основные принципы построения и функционирования многоцелевого фурье-спектрорадиометра, предназначенного для дистанционного исследования земной поверхности и атмосферы с борта летательного аппарата.

8. Оценка требований к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра, обусловленных частотными характеристиками приемного тракта и необходимым отношением сигнал/шум в получаемом спектре.

9. Оценка повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм.

10. Новый класс (так называемых оптимальных) функций аподизации;

Достоверность материалов диссертационной работы

Достоверность подтверждена результатами спектральных измерений, выполненных на разработанных фурье-спектрометрах.

Апробация работы

Результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на Российских и международных научных конференциях и семинарах, в том числе на:

- IV International seminar on high resolution infrared spectroscopy (Liblice near Prague, 1976);

- XVIII съезде по спектроскопии (г. Горький, 1977);

- IV международной Конференции по применению ЭВМ в химии и химическом образовании (г.Новосибирск, 1978);

- 5-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Ottawa, Ontario, Canada, 1985);

- 7-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Fairfax, Virginia, USA, 1989);

- 8-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Lubeck, Travemunde, FRG, 1991);

- Spectroscopy in Special Application (Kyiv, Ukraine, 2003);

- International Conference “Micro-and nanoelectronics 2005” (Moscow, Zvenigorod, 2005);

- 2-ой Международной конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (ARMIMR-2007) (Суздаль, 25-27 сентября 2007 г.);

- 32nd International Conference on Infrared and Millimetre Waves (IRMMW-THz 2007), (United Kingdom, Cardiff, September 2-7, 2007);

- LXІІІ научной сессии Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С.Попова, посвященной дню радио (г. Москва, 14-15 мая 2008 г.).

- XI Всероссийской школе-семинаре «волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород Московская область, 26-31 мая 2008 г.).

- 1-ой конференции МАА-РАКЦ «Космос для человечества» (г. Королёв, Московская область, 21-23 мая 2008 г.).

- V научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли» ( г.Адлер, 15-20 сентября 2008 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 60 научных работ (из них 26 статей в журналах, рекомендованных ВАК), получено 4 авторских свидетельства на изобретение (СССР) и 3 патента РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения. Основная часть диссертации содержит 239 страниц машинописного текста, в том числе 57 рисунков и список литературы из 97 наименований.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее практическое значение, формулируется цель исследования и структура дальнейшего изложения.

В Первой главе приводятся результаты исследований и разработок, выполненных в ходе создания Фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02.

§1.1. посвящен разработке принципа непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения. При прямом применении быстрого сканирования в таком спектрометре возникают серьезные проблемы, связанные с очень большим объемом регистрируемой информации. Так при измерении спектра с разрешением ~ 10-3 см-1 в спектральном интервале ~ 104 см-1, снимаемая интерферограмма насчитывает многие миллионы и даже десятки миллионов точек.

При разработке фурье-спектрометра УФС-02 был предложен и впервые реализован рациональный механизм решения этой проблемы. Ранее подобные спектрометры работали лишь в варианте шагового сканирования. Основой решения стал принцип фильтрации исследуемого сигнала на всех стадиях его получения: оптическая фильтрация (предварительный монохроматор), электронная фильтрация (аналоговая и цифровая) и математическая фильтрация в ЭВМ. Реализация предложенной сквозной фильтрации сократила размер конечного массива измеряемой информации до десятков тысяч точек и обеспечила при этом получение спектров с высоким разрешением и хорошим отношением сигнал/шум. В ходе разработки предварительного монохроматора был предложен и исследован новый тип его входных и выходных диафрагм, учитывающих осевую симметрию фурье-спектрометра, что позволило улучшить спектральные характеристики монохроматора. Был также исследован и разработан специальный тип цифрового фильтра, согласованный с особенностями функционирования фурье-спектрометра.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.