Малогабаритные многоканальные оптические спектрометры на основе схемы черни-тернера

На правах рукописи

ЗАРУБИН Игорь Александрович

Малогабаритные многоканальные оптические спектрометры на основе схемы Черни-Тернера

Специальность 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные

приборы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск

Научный руководитель:	доктор технических наук Лабусов Владимир Александрович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Гужов Владимир Иванович кандидат физико-математических наук Пугачёв Алексей Маркович
Ведущая организация:	Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности г. Москва

Защита состоится «6» декабря 2011 года в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.173.08 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, д.20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан 3 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Полубинский В.Л.

Диссертация посвящена исследованию, разработке и применению нового малогабаритного многоканального спектрометра. По совокупности таких параметров как область перестройки рабочего спектрального диапазона, спектральное разрешение, уровень фонового излучения, динамический диапазон и линейность фотоотклика, он превосходит существующие отечественные и мировые аналоги. Это дает возможность с помощью разработанного спектрометра снизить (до 1 ppb) пределы обнаружения элементов таблицы Менделеева в пламенной фотометрии, расширить количество одновременно анализируемых элементов в атомно-эмиссионном спектральном анализе, а также решать широкий круг других спектральных задач.

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:

1. Разработать методы снижения уровня фонового излучения внутри спектрометра, основанные на модификации оптической схемы и новых решениях в его конструкции.
2. Определить рабочий порядок спектра и положение элементов (выходного зеркала и дифракционной решетки) оптической схемы, обеспечивающие наилучшие разрешающую способность и светосилу.
3. 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.
4. Разработать малогабаритный многоканальный спектрометр с низким уровнем фонового излучения, перестраиваемым спектральным диапазоном и использующим в качестве системы регистрации многоэлементный линейный фотоприемник.
5. Исследовать спектральное разрешение, светосилу и уровень фонового излучения экспериментального образца спектрометра в сравнении с существующими аналогами.
6. 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:

1. 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.
2. Способ расширения области регистрации с высокой разрешающей способностью, основанный на коррекции положения дифракционной решетки относительно фокусирующего зеркала.
3. Малогабаритный многоканальный спектрометр, по совокупности параметров (рабочий спектральный диапазон, спектральное разрешение, светосила и уровень фонового излучения) превосходящий существующие мировые аналоги.
4. 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. 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. 2. Минимальный уровень фонового излучения в спектрометре, построенном по оптической схеме Черни-Тернера, определяется уровнем рассеянного излучения используемой дифракционной решетки.
3. 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. 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. 5. Малогабаритные многоканальные спектрометры позволяют увеличить количество определяемых элементов таблицы Менделеева в комплексах атомно-эмиссионного анализа путем расширения спектрального диапазона этих комплексов.
7. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы, новизна и практическая значимость полученных результатов и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первом разделе, имеющем обзорный характер, приведено описание оптических схем спектрометров с плоской, а также с классической и неклассической вогнутыми дифракционными решетками. Приводятся основные преимущества и недостатки схемы Черни-Тернера в сравнении с другими схемами, и на основе этого делается обоснованный выбор оптической схемы, используемой при разработке малогабаритного спектрометра. Выбрана схема Черни-Тернера, поскольку она обеспечивает возможность регистрации разных спектральных диапазонов без замены дифракционной решетки, позволяет получить высокое спектральное разрешение в широком диапазоне длин волн при скорректированном положении дифракционной решетки. Однако, спектрометры, построенные по схеме Черни-Тернера, имеют повышенный уровень фонового излучения. Его снижения можно достигнуть путем модификации оптической схемы, а также с помощью конструктивных решений. Также в данном разделе приведены принципы работы и основные характеристики многоэлементных фотоприемников, применяемых в системе регистрации спектрометров.

Второй раздел диссертации посвящен исследованию оптической схемы. Оно включало: во-первых, расчет положения дифракционной решетки, при котором фокальная поверхность спектрометра плоская в широких пределах; во-вторых, моделирование оптической схемы, позволившее определить рабочий порядок спектра, при котором спектрометр имеет наибольшую светосилу в коротковолновой области; в-третьих, расчет положения выходного зеркала, при котором нулевой порядок спектра не влияет на уровень фонового излучения внутри спектрометра и, наконец, моделирование разъюстировки входной щели и дифракционной решетки, необходимое при разработке конструкции оправ этих элементов.

В результате исследования оптической схемы Черни-Тернера (рис.1) были получены расчетные формулы (1), определяющие координаты фокальной поверхности:

(1)

При этом =, – угол для центральной длины волны рабочего спектрального диапазона, , R1, R2 – радиусы кривизны коллимирующего и фокусирующего зеркал, соответственно, ,,-угол падения на дифракционную решетку, угол дифракции для данной длины волны и для центральной длины волны рабочего спектрального диапазона, соответственно, ,- углы падения на коллимирующее и фокусирующее зеркала, соответственно, m- расстояние от центра фокусирующего зеркала до центра дифракционной решетки.

Рис. 1. Оптическая схема Черни-Тернера

Указанные формулы позволяют определить положение дифракционной решетки, при котором фокальная поверхность в наибольшей степени (сумма квадратов отклонений от прямой – наименьшая) совпадает с плоскостью фотоприемника. При малых угловых размерах фотоприемника, когда ордината точки L (дальний край фотоприемника) меньше 0,3f, где f=R2/2- фокусное расстояние фокусирующего зеркала, необходимости в корректировки положения решетки не возникает и фокальная поверхность плоская при m=1.15 f. В разрабатываемом спектрометре с радиусом фокусирующего зеркала R=200 мм, рабочим диапазоном длин волн 390-860 нм и протяженностью фотоприемника 32 мм ордината точки L равна 0,55 f. При общепринятом положении решетки m=1.15 f максимальное отклонение фокальной поверхности от плоскости фотоприемника составляет 228 мкм, а при рассчитанном по формуле (1) положении m=1.25 f это отклонение не превосходит 34 мкм по всему фотоприемнику. На рис.2 изображены формы фокальных поверхностей и аппроксимирующие прямые. Графики изображены в системе координат с началом отсчета в центре фокусирующего зеркала, ось абсцисс проходит через центр дифракционной решетки.

Рис.2. Формы фокальных поверхностей, полученные с помощью расчетных формул, и аппроксимирующие их прямые: a – m=1.15 f; б – m=1.25 f

Рис.3. Зависимость доли достигшей фоточувствительной поверхности линейки энергии от длины волны для вариантов схемы с «+1» и «-1» рабочими порядками