Монохроматор-спектрограф двукратной дисперсии

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Закрытое акционерное общество СОЛАР ЛС(72) Авторы Спицын Игорь Гаврилович Семченков Сергей Алексеевич Калитухо Ирина Николаевна(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество СОЛАР ЛС(57) Монохроматор-спектрограф двукратной дисперсии, содержащий по направлению луча оптически связанные входную щель, коллиматорный объектив, дифракционную решетку с двумя рабочими зонами, размещенными вдоль ее штрихов, камерный объектив, в фокальной плоскости которого установлены выходная щель в режиме монохроматора или многоэлементный детектор в режиме спектрографа, а также систему оптического сопряжения в виде образующих двугранный угол двух плоских отражателей, центр каждого из которых расположен на оптической оси, связывающей центры рабочих зон дифракционной решетки, отличающийся тем, что система оптического сопряжения выполнена с возможностью вращения вокруг оси, проходящей параллельно штрихам дифракционной решетки и делящей ее рабочие зоны пополам, а дифракционная решетка установлена с возможностью выбора одного угла падения на ее первой рабочей зоне, численно равного углу дифракции на второй рабочей зоне для любой длины волны спектрального диапазона. 45422008.08.30 3. Немченко В.А. и др. Дифракционный монохроматор - ПТЭ. - 1988. -1. - С. 241. 4. 1 м -,1000. Проспект фирмы,2005. - . 44-45. 5. Тарасов К.И. Спектральные приборы. - Л., 1974. - . 193-197. Полезная модель относится к области спектрального приборостроения и может быть использована в спектральных приборах, предназначенных для эмиссионных и абсорбционных исследований. Известны монохроматоры и спектрографы двукратной дисперсии без промежуточной щели, в которых плоское зеркало возвращает дифрагированный пучок параллельных лучей обратно на дифракционную решетку, откуда последний после второй дифракции направляется на фокусирующее зеркало. Указанные устройства имеют ряд существенных недостатков 1. Известны монохроматоры двукратной дисперсии без промежуточной щели, в которых кома, обусловленная меридиональным увеличением дифракционной решетки, компенсируется для любой длины волны сканируемого спектрального диапазона 2. В одном из них две дифракционные решетки установлены на одной оси вращения, их рабочие поверхности совмещены в одной плоскости. Возможно использование одной дифракционной решетки, имеющей две рабочие зоны, размещенные вдоль штрихов. Монохроматор располагается на двух уровнях, а оптическое сопряжение уровней осуществляется через систему в виде двух плоских отражателей, образующих двугранный угол. Центр каждого отражателя расположен на оптической оси, связывающей центры рабочих зон дифракционной решетки. Так как угол падения на первой рабочей зоне равен углу дифракции на второй рабочей зоне, общее меридиональное увеличение для одной длины волны отсутствует. При равенстве фокусных расстояний сферических зеркал и внеосевых углов на них(но с противоположными знаками) кома полностью исключается для любой длины волны сканируемого спектрального диапазона, а за счет сложения дисперсий увеличивается разрешающая способность монохроматора. Отмечается 2, что уровень рассеянного света в этом монохроматоре значительно ниже, чем в монохроматоре по схеме Черни-Тернера с однократной дисперсией. Указанный принцип компенсации комы был практически реализован в монохроматоре 3, который показал высокие эксплуатационные качества. В настоящее время общей тенденцией в создании спектральных приборов является выпуск на рынок монохроматоров-спектрографов. В них при помощи откидного зеркала,обычно устанавливаемого после камерного объектива, создаются канал монохроматора и канал спектрографа с плоской фокальной поверхностью, с которой совмещается светочувствительная зона многоэлементного детектора. Из известных наиболее близким по технической сущности является монохроматорспектрограф двукратной дисперсии 4, содержащий по направлению луча оптически связанные входную щель, коллиматорный объектив, дифракционную решетку с двумя рабочими зонами, размещенными вдоль ее штрихов, камерный объектив, в фокальной плоскости которого установлены выходная щель в режиме монохроматора или многоэлементный детектор в режиме спектрографа, а также систему оптического сопряжения в виде образующих двугранный угол двух плоских отражателей, центр каждого из которых расположен на оптической оси, связывающей центры рабочих зон дифракционной решетки. Оптическая схема этого прибора разрабатывалась на базе монохроматора 3 с доработками, касающимися создания плоской фокальной поверхности для работы в режиме спектрографа и с сохранением принципа полной компенсации комы 2 в режиме монохроматора. В режиме спектрографа свободное от комы изображение спектральной линии 2 45422008.08.30 фокусируется в центре многоэлементного детектора. В изображениях других спектральных линий, расположенных по обе стороны от центра многоэлементного детектора, кома компенсируется не полностью. Эксплуатация монохроматора-спектрографа 4 показала,что при угле поля зрения спектрографа вплоть до 8-10 качество спектральных линий на детекторе вполне удовлетворительное, оно лучше, чем в спектрографе с однократной дисперсией и таким же полем зрения. Это обусловлено тем, что при регистрации широкого спектрального диапазона несколькими спектральными интервалами, умещаемыми на многоэлементном детекторе, в каждом спектральном интервале кома компенсируется полностью в центре и удовлетворительно по краям. Сканирование спектра по длинам волн в режиме монохроматора и смена одновременно регистрируемых спектральных интервалов в режиме спектрографа осуществляются поворотом дифракционной решетки и, соответственно, изменением углов падения идифракции для каждой длины волны. Двойная обратная линейная дисперсиядля 2 каждой длиныволны определяется как 2(1)2 2 кам. где 2 - угол дифракции при втором прохождении- порядок спектра- число штрихов на мм дифракционной решетки кам. - фокусное расстояние камерного объектива. Из этого следует, что в режиме монохроматора через выходную щель выделяются участки различной спектральной ширины из-за изменяющихся значений 2 для различных длин волн. При сканировании по длинам волн спектрального диапазона, соответствующего области эффективного использования дифракционной решетки,спектральная ширина может меняться примерно в 1,7 раза. Аналогично этому меняется спектральная ширина одновременно регистрируемого спектрального интервала длин волн в режиме спектрографа. Зависимость ширины щели от длины волны компенсируется в ряде монохроматоров сложными механизмами раскрытия щелей 5. Целью полезной модели является создание монохроматора-спектрографа, отвечающего следующим требованиям 1. Компактность прибора для удобства размещения его в технологической установке или на конвейере, т.е. получение требуемых спектральных характеристик при минимально возможных габаритах. 2. Возможность выполнения прибора в виде модуля, использующего подвижные элементы только при настройке на определенный спектральный интервал. Набор из таких модулей может работать в ждущем режиме и регистрировать широкий спектральный диапазон при исследовании единичных процессов, протекающих в течение короткого времени. 3. Одинаковая дисперсия для всех длин волн сканируемого спектрального диапазона в режиме монохроматора и одинаковая спектральная ширина регистрируемых интервалов в режиме спектрографа. Поставленная цель достигается тем, что в монохроматоре-спектрографе двукратной дисперсии, содержащем по направлению луча оптически связанные входную щель, коллиматорный объектив, дифракционную решетку с двумя рабочими зонами, размещенными вдоль ее штрихов, камерный объектив, в фокальной плоскости которого установлена выходная щель в режиме монохроматора или многоэлементный детектор в режиме спектрографа, а также систему оптического сопряжения в виде образующих двугранный угол двух плоских отражателей, центр каждого из которых расположен на оптической оси, связывающей центры рабочих зон дифракционной решетки, система оптического сопряжения выполнена с возможностью вращения вокруг оси, проходящей параллельно штрихам ди 3 45422008.08.30 фракционной решетки и делящей ее рабочие зоны пополам, а дифракционная решетка установлена с возможностью выбора одного угла падения на ее первой рабочей зоне, численно равного углу дифракции на второй рабочей зоне для любой длины волны спектрального диапазона. На фигуре изображена оптическая схема монохроматора-спектрографа двукратной дисперсии. Монохроматор-спектрограф содержит входную щель 1, плоское поворотное зеркало 2,коллиматорный объектив 3, дифракционную решетку с рабочими зонами 4 и 7, систему оптического сопряжения из двух плоских отражателей 5 и 6, камерный объектив 8, откидное зеркало 9, выходную щель 10, приемную площадку 11 детектора. Объективы 3 и 8 выполнены в виде сферических зеркал. Входная щель 1 совмещена с фокальной поверхностью объектива 3, а выходная щель 10 и приемная площадка 11 детектора совмещены с плоской фокальной поверхностью объектива 8. Пара отражателей 5 и 6 расположена таким образом, что их центры лежат на оптической оси, связывающей центры рабочих зон 4 и 7 дифракционной решетки. Монохроматор-спектрограф двукратной дисперсии работает следующим образом. Излучение, пройдя входную щель 1 и плоское поворотное зеркало 2, направляется коллиматорным объективом 3 на первую рабочую зону 4 дифракционной решетки под углом падения 1. Индекс 1 и 2 обозначает первое и второе прохождение дифракционной решетки соответственно. Величина угла 1 выбирается при наладке прибора путем поворота дифракционной решетки на определенный угол вокруг оси, проходящей через центр ее рабочих зон по направлению штрихов. После этого дифракционная решетка фиксируется в выбранном положении. На рабочей зоне 4 излучение дифрагируется в виде веера монохроматических параллельных пучков различных длин волн под соответствующими им углами дифракции. Для трех волн , ср, , которые выделяются на краях и в центре многоэлементного детектора, углы дифракции будут 11 1 срср 111 , при этом 11 ср , 11 ср ,гдеи- разница в угловой мере между углами дифракции дляиотносительно ср. В этот момент система оптического сопряжения из двух плоских отражателей 5 и 6 должна быть повернута вокруг дифракционной решетки в такое положение, при котором параллельный пучок для ср направляется на рабочую зону 7 строго под углом падения 2 ср 1 ср . Действие указанной системы для параллельных пучковиприведет к тому, что их углы падения на рабочую зону 7 станут 21 ср 21 ср ,причем их оптические оси пересекают поверхность рабочей зоны 7 на некоторых расстояниях по обе стороны от ее центра. Расстояния между оптическими осями на рабочей зоне 7 зависят от поля зрения прибора, от величины радиуса поворота оптической системы сопряжения вокруг дифракционной решетки и выбираются из условия полного светового заполнения рабочей зоны 7. После второго прохождения дифракционной решетки углы дифракции определятся как Так как, а 1 ср 1 ср, то углы между параллельными пучкамииотносительно пучка ср увеличиваются по сравнению с первой дифракцией, т.е. происходит сложение дисперсий. Далее излучение этих трех длин в виде параллельных пучков попадает на камерный объектив 8, который фокусирует, в зависимости от положения откидного зеркала 9, узкий спектральный интервал с одной длиной волны ср на выходной щели 10 либо весь спектральный интервал отдона приемной площадке 11 детектора. Для излучения длиной волны ср действует принцип полной компенсации комы 2. Практическая реализация полезной модели позволяет 1. Получить минимально возможные габариты при заданных спектральных характеристиках. Сравнение с монохроматором-спектрографом 1000 (прототип) показывает,что указанная в спецификации обратная линейная дисперсия 0,78 нм/мм (с решеткой 1200 штр./мм и фокусным расстоянием 500 мм) может быть достигнута в полезной модели с фокусным расстоянием 370 мм при выборе угла падения на первой рабочей зоне, равного примерно 46. 2. Малые габариты прибора позволяют использовать его в виде модулей без движущихся элементов, из которых собирается спектральная система для многоэлементного анализа. 3. Для всех длин волн сканируемого спектрального диапазона из-за постоянного угла дифракции при втором прохождении дифракционной решетки, согласно уравнению (1),достигается постоянная дисперсия в режиме монохроматора и постоянное дисперсионное распределение на многоэлементном детекторе в режиме спектрографа. Пример конкретного выполнения. Фирма СОЛАР ЛС в 2008 году предложит на рынок спектральные приборы, выполненные согласно заявляемой полезной модели 1. Малогабаритный модульный спектрограф, предназначенный, в частности, для многоэлементного анализа металлов и сплавов. Набор из пяти одинаковых модулей-спектрографов,каждый из которых настраивается на определенный интервал шириной 40 нм (дифракционная решетка 1200 штр./мм), перекрывает спектральный диапазон с достаточным набором аналитических линий исследуемых объектов. С фокусным расстоянием 200 мм он обеспечивает обратную линейную дисперсию 1,5 нм/мм. Спектрограф может работать с решеткой 2400 штр./мм с дисперсией 0,75 нм/мм, регистрируя более узкие информативные спектральные интервалы (20 нм). В процессе работы спектрограф не имеет движущихся элементов. Комплект, собранный из модульных спектрографов, работает в ждущем режиме при регистрации процессов, протекающих в течение короткого времени (вспышка). 2. Монохроматор-спектрограф с аналогичными оптическими параметрами, который имеет возможность автоматически изменять регистрируемые спектральные интервалы путем поворота двухзеркальной оптической системы на определенные углы. То есть регистрация спектрального диапазона осуществляется в течение времени, необходимого для сканирования по длинам волн. Прибор работает в двух режимах. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.