Способ получения спектров комбинационного рассеяния света и спектрометр для их регистрации

 

1. Способ получения спектров комбинационного рассеяния света, включающий возбуждение комбинационного рассеяния в образце, формирование спектрального распределения рассеяного света в фокальной плоскости спектрографа, преобразование этого распределений в электрические импульсы, соответствующие отдельным разрешаемым спектральным участком, цифровую обработку электрических импульсов, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум, временного разрещения и повьшения уровня автоматизации процесса регистрации , спектральное -распределение исследуемого диапазона преобразуют в электронное изображение, осуществляют щелевое сканирование этого изображения в направлении дисперсии - для каждого разрещаемого элемента электронного изображения формируют электрические импульсы , преобразуемые далее в импульсы экспоненциальной формы с длительностью , равной суммарному времени обработки сигналов от нескольких соседних разрешаемых элементов электронного изображения. 2. Спектрометр для регистрации спектров комбинационного рассеяния света, содержащий последовательно оптически связанные источник возбуждающего излучения, осветитель с исследуемым образцом, спектрограф, преобразователь спектрального распределения , получаемого в фокальной плоскости спектрографа, в электрические импульсы, а также усилитель , многоканальный цифровой накопитель ( ЩН) и устройство отображения информации, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум, временного разрешения и повьшения уровня автоматизации регистрации, в качестве преобразователя спектрального распределения в электрические импульсы использован щелевой диссектор, фотокатод которого расположен в фокальной плоскости спектрографа, в спектрометр введены второй усилитель и формирователь экспоненциальных импульсов, вход которого через первый усилитель соединен с выходом диссектора , а выход соединен с входом МЦН, выход регистра адреса .ЩН соединен через второй усилитель с отклоняющими пластинами диссектора. с S 1(Л ел о о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5)) 4 6 01 Х 3/44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 3 „;

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3337614/18-25 (22) 21.09.81 (46) 28.02.86. Бюл. ))- 8 (71) Институт спектроскопии

АН СССР (72) В.Н.Денисов и В.Б.Подобедов (53) 535.8(088.8) (56) Спектрометр RT-110. Проспект фирмы "Bruker", 1979.

Проспект фирмы "Сойер(", Франция, 1979. Спектрометр Inkerman. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕКТРОВ

КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА

И СПЕКТРО)(ЕТР ДЛЯ ИХ РЕГИСТРАЦИИ (57) 1. Способ получения спектров комбинационного рассеяния света, включающий возбуждение комбинационного рассеяния в образце, формирование спектрального распределения рассеяного света в фокальной плоскости спектрографа, преобразование этого распределения в электрические импульсы, соответствующие отдельным разрешаемым спектральным участком, цифровую обработку электрических импульсов, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум, временного разрешения и повышения уровня автоматизации процесса регистрации, спектральное распределение исследуемого диапазона преобразуют в электронное изображение, осуществляют щелевое сканирование этого изображения в направлении дисперсии — для каждого разрешаемого элемента электронного изображения формируют электрические импульсы, преобразуемые далее в импульсы экспоненциальной формы с длительностью, равной суммарному времени обработки сигналов от нескольких соседних разрешаемых элементов электронного изображения °

2. Спектрометр для регистрации спектров комбинационного рассеяния света, содержащий последовательно оптически связанные источник возбуждающего излучения, осветитель с исследуемым образцом, спектрограф, преобразователь спектрального распределения, получаемого в фокальной плоскости спектрографа, в электрические импульсы, а также усилитель, многоканальный цифровой накопитель (МЦН) и устройство отображения информации, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум, временного разрешения и повышения уровня автоматизации регистрации, в качестве преобразователя спектрального распределения в электрические импульсы использован щелевой диссектор, фотокатод которого расположен в фокальной плоскости спектрографа, в спектрометр введены второй усилитель и формирователь экспоненциальных импульсов, вход которого через первый усилитель соединен с выходом диссектора, а выход соединен с входом МЦН, выход регистра адреса МЦН соединен через второй усилитель с отклоняющими пластинами диссектора.

1215009

Изобретение относится к прикладной оптике и может быть использовано в спектроскопии для измерения положения, формы и интенсивности спектральных линий.

Известны способы и устройства дпя получения спектров комбинационного рассеяния света (KPC) в которых используется щелевое сканирование оптического. спектра с последующим преобразованием в электрический сигнал.

Недостаткбй данного способа является ограничение сверху скорости прохождения участка спектра инерционностью механических систем развертки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату являются способ получения спектров комбинационного рассеяния света, включающий возбуждение комбинационного рассеяния в образце, формирование спектрального распределения рассеянного света в фокальной плоскости спектрографа, преобразование этого распределения в электрические импульсы, соответствующие отдельным разрешаемым спектральным участкам, цифровую обработку электрических импульсов, а также спектрометр для регистрации спектров комбинационного рассеяния света, содержащий последовательно оптически связанные источник возбуждающего излучения осветитель с исследуемым образцом, спектрограф, преобразователь спектрального распределения, получаемого в фокальной плоскости спектрографа, в электрические импульсы, а также усилитель, многоканальный цифровой накопитель (ЩН) и устройство отображения информации.

Недостатками этих способа и устройства являются низкое значение отношения сигнал/шум, плохое временное разрешение и низкий уровень автоматизации регистрации.

Временное разрешение способа по1 лучения спектров КРС и спектрометра ограничивается инерционностью механических систем разворота дифракционных решеток, а потеря времени на их возврат в исходное состояние ухудшает отношение сигнал/шум (С/Ш)1 спектров KPC. Так, в рассматриваемом спектрометре скорость

l0

30 записи спектра составляет 1 с, а потери времени на возврат решеток в исходное состояние 30-407. времени полного рабочего цикла.

Ухудшение отношения С/Ш происходит также и потому, что размеры приемной площадки используемых приемников оптического излучения, как правило, существенно превышают площадь изображения спектральной линии (площади щели). В связи с этим уровень шумов определяется всей приемной площадью приемника (для современных ФЭУ он составляет приблизительно 1000 фотоэлектронов

)) с.смг тогда как полезный сигнал формируется только с малой части приемника, соответствующей площади щели.

Заметные неудобства данного способа проявляются и при задачах автоматизации процесса получения и обработки спектров KPC с помощью

ЭВМ. В этом случае сказываются трудности управления от ЭВМ механическими узлами, особенно при высоких скоростях сканирования.

Целью изобретения является увеличение отношения сигнал/шум, временного разрешения и повьппение уровня автоматизации процесса регистрации.

Это достигается тем, что согласно способу получения спектров комбинационного рассеяния света, включающему возбуждение комбинационного рассеяния в образце, формирование спектрального распределения рассеянного света в фокальной плос-. кости спектрографа, преобразование этого распределения в электрические импульсы, соответствующие отдельным разрешаемым спектральным участкам, цифровую обработку электрических импульсов, спектральное распределение исследуемого диапазона преобразуют в электронное изображение, осуществляют щелевое сканирование этого изображения в направлении дисперсии — для каждого разрешаемого элемента электронного изображения формируют электрические импульсы, преобразуемые далее в импульсы экспоненциальной формы с длительностью, равной суммарному времени обработки сигналов от нескольких соседних разрешаемых элементов электронного изображения.

1215009

В спектрометре для регистрации спектров комбинационного рассеяния света, содержащем последовательно оптически связанные источник возбуждающего излучения, осветитель с исследуемым образцом, спектрограф, преобразователь спектрального распределения, получаемого в фокальной плоскости спектрографа, в электрические импульсы, а также усилитель, многоканальный цифровой накопитель (МЦН) и устройство отображения информации, в качестве преобразователя спектрального распределения в электрические импульсы использован щелевой диссектор, фотокатод которого расположен в фокальной плоскости спектрографа, в спектрометр введены второй усилитель и формирователь экспоненциальных импульсов, вход которого через первый усилитель соединен с выходом диссектора, а выход соединен с входом МЦН, выход регистра адреса МЦН соединен через второй усилитель с отклоняющими пластинами диссектора.

На фиг. 1 представлена блок-схема спектрометра для регистрации

КРС; на фиг. 2 и 3 — процесс сглаживания спектра формирователем экспаненциальных импульсов, на фиг. 4 †временные диаграммы, поясняющие работу спектрометра.

Спектрометр для регистрации КРС содержит лазерный источник l возбуждения KPC в образце 2, спектральный прибор 3 — спектрограф для разложения спектра по шкале частот.

Щелевой диссектор 4 помещен в фокальной плоскости спектрографа так, что его щель параллельна спектральным линиям, а направление сканирования совпадает со шкалой частот.

Диссектор 4 предназначен для сканирования оптического спектра и преобразования распределения зетового потока по поверхности фотокатода в электрический сигнал.

Выход щелевого диссектора 4 соединен с входом импульсного усилителя 5 сигнала, который запускает формирователь 6, соединенный с

МЦН 7, горизонтальные пластины осциллографа 8 и отклоняющие пластины диссектора соединены с выходами усилителя 9 напряжения развертки, управляющего перемещениями

55 луча осциллографа и электронного изображения в диссекторе. Вход блока 9 соединен с выхоцом Х МЦН 7, который осуществляет поканальную обработку сигналов, поступающих с усилителя 5 через формирователь экспоненциальных импульсов на вход Y

МЦН. К выходам Х и У МЦН подключены также средства отображения и контроля информации = самопишущий потенциометр 10 и осциллограф 8.

В случае применения импульсных источников возбуждения КРС в приборе предусмотрена возможность стробнрования приемно-усилительного тракта. В этом режиме работы достигается уменьшение регистрируемых шумов диссектора в 8 раз, где Д скважность лазерных импульсов.

Стробирование осуществляется блоком 11, представляющим собой двух— входовой логический элемент 2И-НЕ, На один из его входов подается "1", синхронная с лазерным импульсом, а на другой — усиленные блоком 5 одноэлектронные импульсы с диссектора.

Спектрометр для регистрации КРС работает следующим образом.

Источник возбуждения KPC — оптический квантовый генератор (ОКГ)

1 облучает исследуемый образец 2.

Рассеянное в образце излучение поступает на вход спектрографа 3, в фокальной плоскости которогс образуется спектр, характерный дпя данного образца, т.е. набор излучений разных частот и интенсив— ностей. Щелевой диссектор 4 преобразует оптический спектр, спроектированный на его фотокатод, в элек. трический сигнал, соответствующий распределению потока излучения в спектре. Интенсивность спектров

KPC обычно невелика, так что выходной сигнал с диссектора представляет собой импульсы тока, соответствующие отдельным фотоэлектронам. Указанные импульсы усиливаются усилителем 5 до некоторой амплитуды Ul и запускают формирователь 6, преобразующий каждый одноэлектронный импульс с диссектора в экспоненциальный импульс

Uz, по длительности соответствующий времени обработки в нескольких соседних каналах МЦН 7.

Назначение и работа формирователя поясняются фиг. 2 и 3, на

5 121500 которых изображены участки одного и того же условного спектра: пунктир — истинное распределение интенсивности, вертикальные линии — число отсчетов (одноэлектронных импульсов) в ряде соседних каналах МЦН. Известно, что фотоэлектронный эффект, лежащий в ос- нове работы фотокатодов, является квантовым процессом, подчиняющим- 10 ся статистике Пуассона. Это означаI ет, что число фотоэлектронов N < регистрируется с относительной точностью 1Й; /1 ;, т ° е. с отношением сигнал/шум 1 ; = . М;. Этот случай по- 15 казан на фиг. 2 и 3 — процесс сглаживания информации по соседним каналам МЦН. Очевидно, во втором случае достигается выигрыш в отношении сигнал/шум, так как 20

a+I

2: N;) N;

1=0

Величина К ограничивается сверху шириной регистрируемого контура, выраженной соответствующим числом ка- 25 налов, и в каждом конкретном случае имеет оптимальное значение. Практически операция сглаживания выполняется в реальном времени "размазыванием" одноэлектронных импуль- ЗО сов по нескольким соседним каналам

МЦН, Эту функцию выполняет формирователь 6 экспоненциальных импульсов. Он представляет собой последовательно включенные ждущий мультивибратор (запускаемый усиленными одноэлектронными импульсами)и интегрирующую цепочку с постоянной времени, равной времени прохожде9 а ния k каналов МЦН. Длительность импульса мультивибратора ь„ «, поэтому каждый последующий экспоненциальный импульс может быть сформирован, не дожидаясь окончания предыдущего (фиг. 3). Тем самьж уменьшается мертвое время формирователя, т.е. увеличивается динамический диапазон скорости счета при заданной длительности "размазывающего" (экспоненциального) импульса.

Развертка спектра в направлении дисперсии осуществляется путем подачи управляющего напряжения на отклоняющие пластины диссектора 4.

Это напряжение пилообразной формы поступает нз блока 9 развертки, который усиливает напряжение разВертки задаваемое МЦН 7. Тем самым осуществляется автоматическая . синхронизация развертки Х МЦН и шкалы частот исследуемого спектра.

Окончательный спектр выводится из памяти МЦН на самопишущий потенциометр 10, а также контролируется на экране осциллографа 8.

В данном спектрометре KPC временное разрешение, т.е. время сканирования каждого спектра > 20 мс, что в 25-100 раз вьппе такового для известных спектрометров, и ограничивается в данном случае лишь имеющимся в МЦН набором скоростей.

Уровень шума щелевого диссектора составляет приблизительно 5-15 имп/с„ что в 5-50 раз меньше шумов фотоумножителей, применяемых для регистрации КРС.

l215009

1215009

6)ий. 2

Фиг. 3

1215009 олы ИЦН(Оцищрвйко ия

Составитель В.Алехнович

Редактор Н.Швыдкая Техред M.Ãåðãeëü

Корректор А.Зимокосов

Заказ 900/51

Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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