Двойной дифракционный монохроматор

 

ДВОЙНОЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ МОНОХРОМАТОР , содержащий оптически свя занные входнуК) щель, дифракционнук) решетку, промежуточную щель, вторую дифракционную решетку, выходную цель . и сканирующее устройство, содержащее механизм поворота рещетки с двигате- i лем и связанной с ним передачей для вращения решетки, отличающий с я тем, что, с цепью повышения разг решающей способности с одновременным .расширением рабочего спектрального диапазона и пов1Е«1ения точности прибора , .дифракционные решетки установ-. лены под углами.падения, связанньми уравнением , g4l ;SfhOti -Sinu )l ikSth(t S frayi Тк1 где (э% и - постоянные решеток; Ct и oLj - углы падения лучей на соответствующие решетки; А и 2 углы дифракции лучей от соответствующих решеток; k - спектральньА порядок, используемый в одной , из половин монохроматора , а сканирующее устройство дополнитель но содержит механизм соответствующего поворота второй решетки, причем оба механизма поворота решеток снабжены датчиком положения решетки, и блок управления, содержащий программатор , кся4параторы и контроллеры : двигателей механизмов поворота, причем выходы программатора подключены к nepBi f входам компараторов, вторые входы которых соединены с выходами 1 датчиков положения решеток, а выходы компараторов подключены к входам конт роллеров двигателей (механизмов пово J рота, выходы которых связаны с управ ляющими входами двигателей.

СОЮЗ COBETCHHX

WIN_#_IN

РЕСПУБЛИН

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н АВТСВО4СВФЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТЩ (21) 343740.1 /18-25 (22) f4.05.82 (46) 15.08.84. Бюл. И 30 (72) Э.K. Эрме, Т.П. Лепасаар, Ю.Э.-И. Уммер и P.À. Кинк (71) Тартуский филиал Специального конс эрукторского бюро АН Эстонской CCP

Специальное конструкторское бюро вы-: числительной техники Института кибер. нетики АН Эстонской ССР и Институт физики АН Эстонской ССР (53) 535.853(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР.

В 600401,, кл. С 01 J 3/18, 1978.

2. Вилесов Ф.И., Иванов В.С., Лопатин С.Н. Двойной вакуумный монохроматор для области спектра 8002800 А. Вестник Ленинградского Университета, 1973, У 1О,, 56-60 (прото- тип). (54)(57) ДВОЙНОЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ МОНОХРОМАТОР, содержащий оптически связанные входную дель, дифракционную решетку, промежуточную щель, вторую дифракционную решетку, выходную щель .и сканирующее устройство, содержащее механизм поворота решетки с двигателем и связанной с ним передачей для вращения решетки, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности с одновременным. .расширением рабочего спектрального..SU„„1 4411 диапазона и повышения точности прибора, дифракционные решетки установ-, лены под углами, падения связанными уравнением

6 Ь д

1к1 М1+.1 где О и Ь вЂ” постоянные решеток1

% и oL - углы падения лучей на соответствующие решетки;

У и — углы дифракции лучей от соответствующих решеток; — спектральный порядок, используемый в . одной нз половин монохрома- Я тора, а сканирующее устройство дополнитель но содержит механизм соответствующего поворота второй решетки, причем оба механизма поворота решеток снабжены датчиком положения решетки, и блок управления, содержащий программатор, компараторы н контроллеры

1 двигателей механизмов поворота, причем выходы программатора подключены к первым входам хомпараторов, вторые входы которых соединены с выходами

> датчиков положения решеток, а выходы компараторов подключены к входам конт роллеров двигателей механизмов поворота, выходы которых связаны с управ ляющими входами двигателей.

4 1044

Изобретение относится к области спектрального приборостроения, а точнее — к дифракционным монохроматорай, предназначенным для использования в лабораторных условиях для проведения

5 разлиЧных спектроскопических исследований, требующих высокой разрешающей способности или увеличенной светосилы при низком уровне рассеянного излучения. 10

Известны монохроматоры, работающие в первом порядке спектра при умеренных угловых дисперсиях Ы1. Это не позволяет существенно повысить разрешающую способность или при заданной разрешающей способности — увеличить светосилу монохроматора. Для повышения разрешающей способности необходимо применить высшие порядки спектра но в известных монохроматорах исполь" 1 зованию высших порядков спектра препятствует сужение свободногс спектрального диапазона, что в свою очередь сужает диапазон спектра, исследование которого возможно при помощи этого монохроматора. Как известно, свободный от перекрытия другими порядками спектральный диапазон определяется формулой ь л - 4Ж гдe аЭ - свободный спектральный диапазон;

Л.„ — нижняя граница спектрального диапазона;

К вЂ” порядок спектра.

Отсюда видно, что чем выше порядок спектра, тем уже свободный спектральный диапазон.

Для уменьшения влияния укаэанного недостатка теоретически возможно при-46 менить фильтры для отрезания ненужных спектральных порядков, но практически применение этих фильтров весьма ограничено, особенно в области ВУФ излучения. 45

Известные монохроматоры обладают также относительно невысокой светосилой, обусловленной тем, что в конструкции монохроматоров имеется большое количество отражающих поверхнос- 50 тей. Особенно ощутим этот недостаток в области ВУФ излучения, где коэффициент отражения обычно не превышает 0,5 (в диапазоне видимого света коэффициент отражения достига- 55 ет 0,85).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является

111 2 двойной дифракционный монохроматор, содержащий две вогнутые дифракционные решетки, входную, промежуточную и выходную щели и сканирующее устройство, содержащее механизм поворота решетки с двигателем и связанной с ним передачей для вращения решетки, в котором оси поворота решеток разнесены в пространстве, а синхронизация поворота решеток осуществляется механически при помощи рычажного механизма Г23. Поскольку обе половины монохроматора работают в первом спект. ральном порядке и имеют одинаковые параметры оптической схемы, то при сканировании спектра обе решетки поворачивают на одинаковые углы, что значительно упрощает конструкцию сканирующего механизма и позволяет выполнить его механическим.

Указанный монохроматор положительно отличается от других аналогичных решений тем, что в результате применения вогнутых решеток в нем сведено до минимума количество отражающих поверхностей, что позволяет получить лучшую светосилу. Однако из-за того, что он работает также только в первом спектральном порядке, ему присущи все .вытекающие из. этого недостатки, описанные вьнпе: низкая разрешающая. способность или при заданной разрешающей способности — низкая светосила.

Также ограничен рабочий спектральный диапазон монохроматора из-за уменьшения эффективности решетки при удалении угла падения, луча от значения, соответствующего положению решетки, где имеется максимальная концентрация энергии излучения в первом порядке спектра.

Применение рычажного синхронизирующего механизма усложняет конструкцию прибора; возможные люфты и большие трудности при устранении вредного влияния температурных и вибрационных воздействий отрицательно влияют на надежность и на точностные характеристики монохроматора.

Цель изобретения — повышение разрешающей способности (или светосилы) при заданной разрешающей способности) и точности двойного монохроматора с одновременным расширением рабочего спектрального диапазона.

Для достижения указанной цели в двойном дифракционном монохроматоре, содержащем оптически связанные входную, щель, дифракционную решетку, 3 1044 промежуточную щель, вторую дифракционную решетку, выходную щель и сканирующее устройство, содержащее механизм поворота решетки с двигателем и связанной с ним передачей для враще 5 .ния решетки, дифракционные решетки установлены под углами падения связайными уравнением

l0 где бали б - постоянные решеток;

eL, и Ы вЂ” углы падения лучей на соответствующие решеткн; 15

„и 6 — углы дифракции лучей от соответствующих решеток; — спектральный порядок, используемый в одной из половин монохроматора, а сканирующее устройство дополнительно содержит механизм соответствующего поворота второй решетки, причем оба

25 механизма поворота решеток снабжены датчиком положения решетки, и блок управления, содержащий программатор, компараторы.и контроллеры двигателей механизмов поворота, причем выходы программатора подключены к первым входам компараторов, вторые входы

1 которых соединены с выходами датчи-. ков положения решеток, а выходы компараторов подключены к входам конт- . роллеров двигателей механизмов поворота, выходы которых связаны с управляющими входами двигателей.

При такой конструкции двойного монохроматора повышение разрешающей способности достигается за счет при - 40 менения высших спектральных порядков, а одновременное расширение рабочего спектрального диапазона при этом обеспечивается применением несколькихпар спектральных порядков в полови- -45 нах монохроматора, причем каждая taкая пара обеспечивает работу монохроматора в своем специфическом участке спектра, определяемом углом блеска решетки и аберрациями оптической Ъ" системы. Суммарная ширина таких смежных участков превышает рабочий спектральный диапазон монохроматора, работающего только в первых порядках спектра. 55

Повышение точности достигается за счет применения в сканирующем устройстве двух механизмов поворота

111 4 решеток, снабженных датчиками положения решетки, и блока управления, содержащего программатор, компарато ры и контроллеры двигателей механизмов поворота решеток. Сканирующее устройство такой конструкции .обеспе"

:чйвает более высокую точность согласования угловых положений решеток, благодаря отсутствию рычажного синхронизирующего механизма с длинным (780 мм) стержнем (который является источником температурных и вибрацион. ных ошибок, влияющих на надежность и точность монохроматора), а также за счет скомпенсирования системаФических кинематических погрешностей механических передач путем автоматического расчета и задавания уточненных углов поворота по внесенным в ламять программатора поправочным данным (определяемых экспериментально прн калибровании). Учитывание калибровочных данных позволяет также автоматически вычислить для индикации истинную длину волны с более высокой точностью.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема монохроматора; на фиг.2оптическая часть монохроматора с прохождением через него лучей, поясняющая содержащиеся в описании математические уравнения; на фиг. 3— графики, поясняющие выбор комбинаций спектральных порядков в зависимости от требуемого поддиапазона спектра.

Двойной дифракционный монохроматор состоит из оптической части 1 и сканирующего устройства 2. В состав первого входят входная щель 3; первая вогнутая дифракционная решетка 4, про межуточная щель 5, вторая вогнутая дифракционная решетка 6, и выходная щель 7 °

В состав сканирующего устройства

2 входят два механизма 8 поворота решеток и блок 9 управления. Каждый механизм 8 поворота включает двигатель 10 с редуктором 11 винтовой механизм 12, синусный механизм 13 и датчик 14 положения решетки. Винтовой механизм 12 связан с выходным валом редуктора 11, а к гайке винтового механизма 12 жестко прикреплен толкатель синусного механизма 13.

К рычагу синусного механизма 13 прикреплена дифракционная решетка 4 (или 6), причем ось поворота рычага проходит через центр решетки и парал5 10 лельна к ее штрихам. Датчик 14 положения решетки в конкретном варианте выполнения установлен на валу винтового механизма 12.

Блок 9 управления содержит нрограм матор 15, предназначенный для выработки сигналов для управления решетками 4 и 6, учитывая зависимость (2), компараторы 16 и 17, контроллеры 18 и 19 для управления двигателями 10. Выходы программатора 15 подключены к первым входам 20 и 21 компараторов 16 и 17 вторые входы 22 и 23 которых соединены с выходами датчиков 14 положения решеток 4 и 6.

Выходы компараторов 1,6 и 17 соединены с входами контроллеров 18 и 19, выходы которых подключены к двигателям 10.

В конкретном варианте реализации предусмотрено, что программатор 15 содержит память, необходимую для saeдения функции (1) и некоторых других факторов, и операциОННЫй бЛок, необходимый для выработки выходных сигналов для компараторов 16 и 17.

Предложенный двойной дифракционный монохроматор работает следующим образом.Сперва проводят установку необходимого начального положения решеток .4 и б (углы и Q) в зависимости от исследуемого излучения. В память программатора 15 занесена программа работы монохроматора, которая учитывает .последовательность дискретных значений длин волй с временной диаграммой сканирования, скорость непрерывного сканирования, диапазон и порядок сканирования, спектральные порядки решеток и т.д. Переключением программатора на диапазон исследуемого излучения. программатор .15 вырабатывает сигналы, определяющие углы падения б;и е (сигналы пропорциоиаль ные им) решеток 4 и 6. Эти сигналы подаются на входы 20 и 21 компараторов 16 и 17. На другие входы 22 и 23 этих элементов попадают сигналы, указывакнцие реальные положения решеток 4 и б. Компараторы 16 и 17 вырабатывают сигналы, необходимые для вращения решеток 4 и 6 до достижения углами М„ н о4,нужных величин; эти сигналы усиливаются контроллерами

18 и 19 и подаются на двигатели 10, которые вращаясь, изменяют угловое положение решеток 4 и 6. В результате этого изменяется сигнал и на вы44111 4 .. ходе датчиков 14 и когда сигналы на обоих входах комлараторов 16 и 17 равны, вращение решеток 4 и 6 прекращается, т.е. оии установлены под нужwe углы падения лучей оаэи с 1.

Выбор комбинаций спектральных порядков, необходимых для налаживания программы в памяти программатора 15, поясняется ha фиг. 3, где дана диа«

t0 грамма зависимости между углом поворота решеток и длиной волны излучения в зависимости от порядка спектра.

На этой фигуре применены следующие обозначения:

Л длина волны излучения1 д „ и У - углы поворота дифракционных решетом от лоложення, соответствующего нулевому, порядку .спект10 ра; ф„ и 8y — углы поворота соответствующих решеток при выполнении условия "блесИ ка, т.е. при положении

25 максимальной концентрации выходного излучения;

М и М2 - спектральные порядки решеток;

Л 1 4" 4 - границы поддиапазонов

30 длины волны для различных пар спектральных порядков. .Из фиг. 3 видно, что весь рабочий спектральный диапазон (4<... Ag ) может быть разбит на поддиапаэоны, в каждом из которых используется одна пара спектральных порядков 1 и

Kg удовлвтворяющих требованию lpga =

/V

2Н3.

После установки начального полокения монохроматор готов к работе.

Излучение входит в монохроматор через входную щель 3 и падает на первую вогнутую дифракционную решетку 4, от которого дифрагированное в спектральном порядке Ki излучение сфокусируется в меридиональном сечении

55 на промежуточной щели 5. Прошедшее через щель 5 излучение падает на вторую вогнутую дифракционную решетку 6, от которого дифракционное в спект1044111

7 ральном порядке К излучение сфоку сируется в меридиональном сечении на выходной щели 7. Прошедшее через щель 7 монохроматическое излучение выходит иэ монохроматора.

Сканирование по длинам волн про исходит путем согласованного поворота решеток 4 и б вокруг осей, парал« лельных к штрихам решеток 4 и б и проходящих через центры соответству- 10 нш1их решеток 4 и 6, Необходимый для уиравления двигателями 10 сигнал в ходе сканирования вырабатывается, в блоке 9 управления: программатор

1. j

15.иа основе программы заложенной ц в его памяти и в основном реализующей уравнение (2), вырабатывает разные для обеих решеток 4 и 6 (посколь .ку решатки работают в различных спект ральных порядках) законы изменения угла поворота во времени для того, чтобы обеспечить постоянное отношение угловых скоростей решеток 4 и 6, равное I 1 41 l!ка1 или поскольку .t @l ° 1,К I + 1, то это отношение следующее; /Ц/ /(/Кг/ + 1). При этом программа в программаторе 15 может учитывать и дополнительные факторы, например, поправки в угловых: положениях решеток согласно внесен-: ным заранее в память программатора 15. калибровочным полиномам для компен-. сации систематических кинематических погрешностей механизмов 8 поворота решеток и т.п. .Выработанные программатором 15 необходимые текущие значения углов поворота решеток 4 и 6 подаются на первые входы 20 и 21 компараторов 1о и 17, на другие входы 22 и 23 которых поступают сигналы от датчиков 14 по40 ложения решеток 4 и 6. Компараторы

16 и 17 сравнивают заданные йрограмматором 15 величины углов поворота решеток 4 и 6 с их действительными значениями по датчикам 14 и выдают

45 сигналы ошибки на контроллеры 18 и 19; которые осуществляют. отработку рассогласования положения решеток 4 и 6 . соответствующим преобразованием (усилением, расщеплением по фазе и т.п..) сигналов компараторов 16 и 17. Вслед, ствие этого двигатели 10 через редукторы 11, винтовые механизмы 12 и синусные механизмы 13 приводят во вращение решетки 4 и 6. Вращение решеток 4 и 6 прекращается, если сигналы на обоих входах компараторов 17 и 18 становятся равными.

Следует отметить, что данный выше пример конкретного выполнения не является ограничивающим в отношений типа двойного монохроматора. Предложенный принцип построения двойного дифракционного монохроматора и разработаиная система управления им приме. нимы также к двойным монохроматорам с двумя плоскими дифракционными решетками с соответствующей фокусирующей оптикой (например, с применением оптических схем Черни-Турнера, Эберта-Фасти .и т .и.). В случае применения их усложняется оптическая часть монохроматора за счет включения в схему дополнительных отража1 ющих поверхностей, но зависимость между углами поворота решеток и длины волны излучения в зависимости от выбранных порядков спектра идентична описанной, и блок управления не имеет (в схемном отношении) никаких отличий от заявленного.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого монохромато ра заключается в существенном повы шении качества изучения спектров.

Во-первых, это выражается в повышении разрешающей способности и уширении рабочего спектрального диапазона. Это достигается за счет увеличения угловой дисперсии путем исполь зования высших спектральных порядков, причем в разных половинах монохроматора используются разные порядки спектра к и К . Выбором спектральных порядков таким образом, что разница абсолютных значений их равняетСя еди нице, достигается, что свободный от перекрытия другими порядками спектральный диапазон л = А, т.е, равен свободному диапазону монохроматора, работающего в нервом порядке спехтра ,(так как выбранные подобным образом спектральные порядки для разных половин монохроматора не имеют общего делителя кроме единицы). Например, двойной монохроматор, работающий в спектральных порядках до пятого и шестого (в соответствующих половиках монохроматора), имеет при системе сложения дисперсий угловую дисперсию до 11 раз вышее, чем у прототипа. Это позволяет существенно повысить разрешающую способность (или светосилу при заданной разрешающей способности) особенно в коротковолновой области спектра. По данным лабораторных испытаний и математического моделироваОшибка согласования угловых положений решеток скомпенсируется в двойных монохроматорах расширением промежуточной щели (в монохроматорах со еложением дисперсий) или выходной щели {в монохроматорах с вычитанием дисперсий), что приводит к повышению уровня паразитного излучения, выходя(щего из монохроматора и обуславливает тем самым ухудшение отношения сигналшум при спектроскопических, измерениях

Таким образом, повышение точности сканирования в заявленном монохроматоре позволяет применять более узкую промежуточную (или выходную) щель и, следовательно, повысить качество спектроскопических измерений (из-эа уменьшения количества параэитного излучения) 9 104Д1 ния хода лучей разрешающая способность предлагаемого монохроматора на порядок выше,чем у прототипа. Благодаря применению в монохроматоре несколь" ких пар спектральных порядков общий рабочий спектральный диапазон несколько шире чем у прототипа.

Во-вторых, электронное управление сканирующим устройством обеспечивает высокую точность сканирования. По- 1О скольку в заявленном монохроматоре решетки в ходе сканирования должны поворачиваться по различным законам, применение механической системы управления практически невозможно, 15 особенно учитывая, что законы ïîâîрота решеток необходимо оперативно изменять. Теоретически конечно возможно создание подобной механической . системы управления, но она громоздка, 25 неточна и практически неприменима.

Повышенная точность сканирования заключается в уменьшении ошибки согласования угловых положений решеток и в повышении точности отсчета длины 2S волны излучения, проходящего через монохроматор. (В монохроматорах с механической синхронизацией решеток (как в прототипе) ошибка синхронизации обычно составля- З< ет 0 1 ... 0,5 нм (в единицах длин волн)., Если учесть, что реально измеренная воспроизводимость положения решетки находится на уровне 0,.01 нм

11 10 и обычно наблюдается монотонный характер изменения систематической погрешности отсчета длины волны, то заданием в память программатора калибровочных полиномов второй степени или данных для интерполяции между заданными точками, обеспечивается точность согласования угловых положений решеток (а также точность индикации истинной длины волны) на уровне 0,01

0,03 нм. Таким образом, точность предлагаемого монохроматора примерно на порядок выше, чем у известных приборов.

1044111

3044t11

1044111 а<р«

-Вам, Ь 4ю А

Составитель

Редактор Л. Письман Техред Т.Фанта

Корректор Г. Огар

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 6979/1 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5